Transformações gasosas: o que são, tipos e exercícios

As transformações gasosas ocorrem quando há variação na temperatura, pressão ou volume de um gás. Elas podem ser isotérmicas, isobáricas ou isovolumétricas.

Um gás pode passar de um estado para outro. Se variarmos sua pressão, por exemplo, as outras variáveis de estado (temperatura e volume) também se modificam, e isso faz com seu estado mude. Contudo, por vezes podemos deixar uma das variáveis de estado constante e modificar apenas as outras duas. É sobre essas transformações gasosas que você vai estudar neste post!

Transformações gasosas

A panela de pressão é um utensílio muito utilizado na cozinha para cozinhar os alimentos mais rapidamente. Mas você sabe como uma panela de pressão funciona? E por que a pressão e a temperatura estão ligadas a essa diminuição do tempo de cozimento?

Na aula de hoje iremos falar sobre essa ligação entre temperatura e volume, temperatura e pressão, e pressão e volume. Ou seja, estudaremos sobre as transformações das variáveis de estado de um gás, porém sempre deixando alguma delas constante.

Variáveis de estado de um gás

Vamos iniciar nossa conversa falando sobre as variáveis de estado de um gás ideal. Lembre-se que um gás ideal, ou gás perfeito, é a idealização de um gás real no limite da rarefação (diminuição da densidade) em certas condições específicas.

As variáveis de estado de um gás são os fatores que geram alguma alteração em seu comportamento. São elas: pressão, temperatura e volume.

Os gases ideais podem sofrer transformações em seus estados gasosos quando alteramos alguma de suas variáveis de estado. Assim, as transformações são alterações no estado de um sistema.

Lembrando que entendemos por estado as características nas quais o sistema se encontra, que podem ser definidas em termos de pressão, volume e temperatura. Dessa maneira, as transformações sofridas por um gás ideal são facilmente descritas.

Transformações gasosas - seringa
Figura 1: Quando puxamos o êmbolo de uma seringa (imagem A), tampamos sua ponta e tentamos empurrá-lo (imagem B), sentimos o aumento da pressão interna.

Vale ressaltar que essas transformações seguem a equação da Lei Geral dos Gases:

lei geral dos gases

Onde o gás passa de um estado 1 para um estado 2.

Contudo, é possível deixarmos uma das variáveis de estado constante e, assim, o gás irá sofrer três tipos de transformações específicas. Assim, as transformações gasosas podem ser: isotérmicas, isobáricas ou isovolumétricas. Vamos analisa-las agora.

Transformação isotérmica

No caso da figura 1, temos uma variação de pressão e volume na seringa. Entretanto, a princípio, não há uma variação da temperatura do sistema quando ocorre tal variação. Isso quer dizer que, ao deixarmos a temperatura constante, o gás irá sofrer o que chamamos de transformação isotérmica (isos = igual + thérme = temperatura).

Transformações gasosas - embolo
Figura 2: Na parte superior da figura se observa as partículas mais espaçadas devido ao maior volume. Nesse caso, há uma pressão menor. Na parte inferior da figura se observa as partículas mais juntas, pela compreensão do êmbolo da seringa (menor volume). Nesse caso, há uma pressão maior.

Assim, em uma transformação isotérmica observa-se que quanto maior o volume ocupado pelo gás, menor será a pressão do gás sobre o recipiente. E quanto menor o volume ocupado pelo gás, maior será a pressão sobre o recipiente.

Isso resulta do fato que a pressão e o volume são inversamente proporcionais e que o produto de P x V é constante. O físico inglês Robert Boyle, em 1660, foi o primeiro a chegar em tais conclusões experimentalmente. Por esse motivo, o resultado apresentado é conhecido como a Lei de Boyle:

P.V = Constante (se a temperatura for constante)

Ou ainda:

P1.V1 = P2.V2

Gráfico de transformação isotérmica
Figura 3: Gráfico de PxV. A curva apresentada no gráfico é chamada de isoterma, e todos os pontos sobre uma mesma isoterma possuem a mesma temperatura.

Transformação isobárica

Para uma transformação isobárica, vamos considerar uma certa massa de gás em um recipiente de vidro (figura 4). Ao acender a chama, o gás passa de seu estado 1 para o estado 2, onde o volume aumenta devido a um deslocamento do êmbolo, e isso acontece mantendo-se a pressão constante.

Em uma transformação isobárica, o volume do gás varia em função da temperatura, e essa variação é diretamente proporcional. Ou seja, se a temperatura aumenta, o volume também aumenta, e vice-versa.

Transformações gasosas isobáricas
Figura 4: Gás em um recipiente que recebe uma certa quantidade de calor, fazendo com que sua temperatura aumente e, por consequência, aumente também o seu volume, tudo isso à pressão constante.

O químico e físico francês Joseph-Louis Gay-Lussac estudou o comportamento dos gases, e realizou alguns experimentos, chegando ao que conhecemos por Lei de Gay-Lussac:

V/T = Constante (se a pressão for mantida constante)

ou ainda

Lei de Gay-Lussac

Gráfico de transformação isobárica
Figura 5: No gráfico 1 (VxT) é possível observar que o volume aumenta linearmente com a temperatura (diretamente proporcional). No gráfico 2 (PxV) é possível observar que a pressão se mantém constante, e que a variação do volume ocorre devido à variação da temperatura.

Transformação isovolumétrica

Finalmente chegamos à nossa questão inicial: você sabe como uma panela de pressão funciona? E como a pressão e a temperatura estão ligadas a essa diminuição do tempo de cozimento?

Depois de toda explicação sobre transformações gasosas que você viu até aqui, você já deve estar com a resposta em mente né? Mas vamos lá!

A panela de pressão é um exemplo muito prático sobre a transformação isovolumétrica, que como o próprio nome já diz, é quando mantemos o volume de um gás constante.

Quando o volume é mantido constante e levamos a panela de pressão ao fogão, por exemplo, a temperatura interna dos alimentos, da água, e do gás dentro da panela aumentam. Isso faz com que a pressão interna aumente também.

A dependência da pressão com a temperatura pode ser explicada pela interação das moléculas do gás. Quanto maior a temperatura das moléculas, maior será a energia cinética associada a elas, ou seja, maior o seu movimento dentro do gás. Isso faz com que ocorra um maior número de colisões destas moléculas com as paredes do recipiente onde o gás está aprisionado, ocasionando, por consequência, uma maior pressão.

Transformações gasosas isovolumétricas
Figura 6: Quanto maior a temperatura das moléculas dentro de um gás, maior será sua agitação, e isso ocasiona uma maior pressão.

Assim, na panela de pressão, mantemos o volume constante, e quanto maior a temperatura, maior a pressão no seu interior. Com isso, os alimentos são cozidos mais rapidamente.

Dois cientistas franceses estudaram a dependência da pressão e da temperatura experimentalmente: Jacques Alexandre César Charles e Joseph-Louis Gay-Lussac, e ambos chegaram as mesmas conclusões. Portanto, temos a Lei de Charles e Gay-Lussac:

P/T = Constante (quando o volume for mantido constante)

ou ainda

Lei de Charles e Gay-Lussac

Gráfico transformação isovolumétrica
Figura 7: No gráfico 1 (PxT) é possível observar que a pressão aumenta linearmente com a temperatura (diretamente proporcional). No gráfico 2 (PxV) é possível observar que o volume se mantém constante, e que a variação da pressão é devido a variação da temperatura.

Videoaula

Para saber mais sobre as transformações gasosas, veja essa aula no canal Prof Tai Física:

 

Exercícios sobre transformações gasosas

Então agora você está pronto para exercitar?

1- (OSEC-SP)

Um carro-tanque transportou gás cloro para uma estação de tratamento de água. Sabe-se que o volume do tanque que continha gás cloro era de 30 m3, que a temperatura era mantida a 20oC para a pressão ser de 2 atm e que, na estação de tratamento de água, esse cloro foi transferido para um reservatório de 50 m3 mantido a 293 K. Ao passar do carro-tanque para o reservatório, o gás sofreu uma transformação……..e a pressão do reservatório era………….. As lacunas são completamente preenchidas, respectivamente, com os dados:

a) isotérmica, 1,2 atm.

b) isométrica, 117 atm.

c) isobárica, 2 atm.

d) isocórica, 2 atm.

e) isovolumétrica, 1,2 atm.

2- (PUCRIO)

Um pneu de bicicleta é calibrado a uma pressão de 4 atm em um dia frio, à temperatura de 7 °C. Supondo que o volume e a quantidade de gás injetada são os mesmos, qual será a pressão de calibração nos dias em que a temperatura atinge 37 °C?

a) 21,1 atm

b) 4,4 atm

c) 0,9 atm

d) 760 mmHg

e) 2,2 atm

3- (UFG)

O processo contínuo da respiração consiste na expansão e contração de músculos da caixa torácica. Sendo um sistema aberto, quando a pressão intra-alveolar é menor que a atmosférica, ocorre a entrada do ar e os pulmões expandem-se. Após as trocas gasosas, a pressão intra-alveolar aumenta, ficando maior que atmosférica. Assim, com a contração da caixa torácica, os gases são expirados. Considerando a temperatura interna do corpo humano constante e igual a 37,5 °C, o gráfico que representa os eventos descritos é:

Transformações gasosas - exercício

Gabarito:

  1. A
  2. B
  3. A

Sobre o(a) autor(a):

Os textos e exemplos acima foram preparados pela professora Tairine Favretto para o Blog do Enem. Tairine é formada em Física – Licenciatura na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), e é Mestra em Educação Científica e Tecnológica também pela UFSC. Ministra aulas de Física e Ciências da Natureza em escolas da Grande Florianópolis desde 2014. Facebook: https://www.facebook.com/tairine.favretto Instagram: @proftaifisica

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