Identifique a alternativa na qual todas as substâncias são simples e gasosas a temperatura ambiente

O ponto de fusão do cobre é igual a 1083 ºC e o ponto de ebulição é de 2 310 ºC. Assinale a alternativa que indica corretamente o estado físico do cobre em 20ºC, 100ºC, 1000ºC e 2500ºC, respectivamente:

a) sólido, sólido, líquido, gasoso.

b) Sólido, sólido, sólido, sólido.

c) Sólido, sólido, sólido, gasoso.

d) Sólido, sólido, sólido, líquido.

e) Sólido, líquido, líquido, gasoso.

As substâncias são aqueles materiais com composição química constante e que possuem suas propriedades físicas bem definidas, tais como os pontos de fusão e ebulição e a densidade, não variando em determinada temperatura e pressão.

A água destilada usada em laboratórios, por exemplo, é uma substância pura formada apenas por moléculas de H2O (esta é a sua composição química constante) e, sob pressão de 1 atm (ao nível do mar), ela sempre terá ponto de fusão igual a 0ºC, ponto de ebulição igual a 100 ºC e densidade de 1,0 g/mL a 4ºC. Veja mais dois exemplos:

Existem dois tipos de substâncias, as simples e as compostas:

a) Substâncias simples

São aquelas cujas moléculas são formadas apenas por um único tipo de elemento químico. Os átomos dos elementos podem aparecer na forma isolada, sendo substâncias monoatômicas, ou formar moléculas diatômicas e triatômicas. Exemplos:

• Monoatômicas: é o caso do gás hélio (He), um gás nobre que aparece isolado na natureza, e também do ferro (Fe) e do alumínio (Al), que são metais. Veja o texto Ligação Metálica para entender como os átomos desses elementos permanecem unidos;

• Diatômicas: o gás oxigênio presente no ar atmosférico é constituído por moléculas formadas cada uma por dois átomos de oxigênio, O2, e as moléculas de gás hidrogênio são formadas por dois átomos de hidrogênio, H2;

• Triatômicas: o gás ozônio é formado por três átomos de oxigênio, O3.

b) Substâncias compostas

São aquelas cujas moléculas, ou aglomerados iônicos, são formados por dois ou mais elementos químicos ou íons. A água, o álcool e o cloreto de sódio, mencionados anteriormente, são todos classificados como substâncias compostas ou compostos químicos, pois eles são formados por diferentes elementos (hidrogênio, oxigênio, carbono, sódio e cloro).

Outros exemplos: dióxido de carbono (CO2), monóxido de carbono (CO), metano (CH4) e amônia (NH3).

As substâncias compostas podem ser decompostas em substâncias simples. Por exemplo, ao passarmos uma corrente elétrica sobre o cloreto de sódio fundido, ocorrerá uma reação de oxirredução que dará origem a duas substâncias simples, o sódio metálico (Na(s)) e o gás cloro (Cl2(g)). Esse processo é conhecido como Eletrólise Ígnea do Cloreto de Sódio.

Por Jennifer Fogaça

Graduada em Química

Transformações gasosas são processos em que um gás pode ter um ou mais de seus parâmetros de pressão, volume e temperatura alterados. Existem transformações gasosas especiais, nas quais pelo menos uma dessas grandezas é mantida constante.

São tipos de transformações gasosas:

• transformação isobárica;

• transformação isotérmica;

• transformação isovolumétrica;

• transformação adiabática.

Veja também: Termologia — o estudo dos fenômenos ligados ao calor e à temperatura

Transformação isotérmica

A transformação isotérmica é aquela em que a temperatura de um gás se mantém constante. Nesse tipo de transformação, pressão e volume são inversamente proporcionais, de modo que, aumentando-se a pressão, diminui-se o volume e vice-versa.

As transformações isotérmicas são descritas pela Lei de Boyle-Mariotte. De acordo com essa lei, o produto entre a pressão e o volume de um gás ideal é constante:

Pi e Pf – pressão inicial e final

Vi e Vf – velocidade inicial e final

K – constante

Transformação isobárica

A transformação isobárica é caracterizada por uma variação de volume e temperatura, mantendo-se a pressão constante. Esse tipo de transformação é descrito matematicamente pela lei de Charles e Gay-Lussac. Durante uma transformação isobárica, a temperatura e o volume são diretamente proporcionais, isto é, mantendo-se constante a pressão de um gás, o volume por ele ocupado aumentará de acordo com o aumento da temperatura desse gás.

Veja a fórmula utilizada pela lei de Gay-Lussac:

Ti e Tf – temperatura inicial e final

De acordo com a Lei de Gay-Lussac, a razão entre o volume e a pressão de um gás, durante uma transformação isobárica, é igual a uma constante.

Transformação isovolumétrica, isométrica ou ainda isocórica é o nome do processo em que um gás ideal sofre mudanças de pressão e temperatura, mantendo-se constante o seu volume. Esse tipo de transformação gasosa, que ocorre dentro de recipientes de paredes rígidas, é matematicamente definido pela Lei de Charles.

De acordo com essa lei, a razão entre a pressão e a temperatura de um gás ideal é sempre constante. Além disso, nesse tipo de transformação, pressão e temperatura são diretamente proporcionais: dobrando-se a pressão, dobramos a temperatura e vice-versa.

A fórmula que descreve o comportamento dos gases ideais durante transformações isovolumétricas é a seguinte:

Leia também: Termodinâmica — área da Física que estuda fenômenos em que há trocas de calor

Transformação adiabática

Transformação adiabática é o nome do processo sofrido por um gás que não troca calor com o meio externo ou ainda com as paredes do seu recipiente. A fórmula que explica matematicamente o comportamento de um gás ideal que sofre uma transformação adiabática afirma que o produto entre a pressão e o volume elevado a uma constante γ é constante.

A constante γ depende dos graus de liberdade do gás, isto é, do número de direções em que as moléculas do gás podem mover-se. Também pode ser calculada pela razão entre o calor específico em pressão constante e calor específico em volume constante.

Exemplos de transformações gasosas

• Transformação isotérmica – qualquer expansão ou contração lenta de um gás que ocorra em uma temperatura constante.

• Transformação isobárica – resfriamento do gás contido em uma bexiga colocada para esfriar num refrigerador.

• Transformação isovolumétrica – aquecimento do vapor de água confinado em uma panela de pressão completamente.

• Transformação adiabática – gás sendo expelido por um spray de aerossol.

Veja também: Calorimetria – fórmulas, conceitos e exercícios resolvidos

Exercícios resolvidos sobre transformações gasosas

Questão 1 — Analise as alternativas abaixo e assinale a resposta que contém somente alternativas verdadeiras.

I – Transformações isotérmicas são aquelas em que a temperatura do gás é mantida constante.

II – Transformações adiabáticas envolvem trocas de calor entre o gás e o meio externo.

III – Transformação isocórica é aquela em que a pressão do gás é mantida constante.

IV – Transformações isobáricas acontecem com pressão constante.

São corretas:

a) I e II.

b) I, II e III.

c) II e III.

d) I e IV.

Resolução:

As alternativas II e III estão erradas, uma vez que as transformações adiabáticas não envolvem trocas de calor, e as transformações isocóricas são aquelas que acontecem em volumes constantes. Dessa maneira, a alternativa correta é a letra D.

Questão 2 — Um gás ideal sofre uma transformação rápida, de modo que sua temperatura, pressão e volume sofrem variações bruscas em um curto intervalo de tempo. De acordo com os seus conhecimentos sobre as transformações gasosas, a transformação sofrida pelo gás foi:

a) isotérmica.

b) isobárica.

c) adiabática.

d) isovolumétrica.

Resolução:

As transformações adiabáticas ocorrem de forma rápida, de modo que não há tempo para que o gás realize trocas de calor com o meio externo. Nesse tipo de transformação, os parâmetros de pressão, volume e temperatura mudam de forma abrupta. Dessa maneira, a alternativa correta é a letra C.

Por Rafael Helerbrock
Professor de Física 

As transformações gasosas são aquelas em que se considera uma determinada massa fixa de um gás ideal em um sistema fechado para observar como as variáveis de estado dos gases (pressão, volume e temperatura) inter-relacionam-se. Esse processo é feito por manter constante uma dessas variáveis, enquanto se observa como ocorre a variação das outras duas.

Existem três tipos de transformações gasosas, que ocorrem quando (1) a temperatura permanece constante, (2) quando a pressão permanece constante e (3) quando o volume permanece constante. Vejamos o nome dado para cada uma dessas transformações e quais são as leis que as relacionam:

(1) Transformação isotérmica: Essa palavra vem do grego iso, que significa “igual”, e thermo, que significa “calor”, ou seja, essa é uma transformação gasosa que ocorre com a temperatura constante, enquanto as outras variáveis (pressão e volume) variam.

Os cientistas que estudaram a transformação isotérmica foram Robert Boyle e Edme Mariotte, por isso as observações desses estudiosos foram enunciadas em uma lei chamada de lei de Boyle-Mariotte, que diz o seguinte:

“Com a temperatura sendo mantida constante, a massa de determinado gás ocupa um volume inversamente proporcional à sua pressão.”

Isso quer dizer que, se aumentarmos a pressão sobre o gás, o seu volume diminuirá e vice-versa, como a figura a seguir mostra:

Duas grandezas são inversamente proporcionais quando o produto entre elas sempre origina uma constante. Assim, temos:

P . V = k

ou

P1 . V1 = P2 . V2

Veja um exemplo a seguir de transformação isotérmica. Observe que o produto entre a pressão e o volume em todos os casos sempre origina o mesmo resultado:

Passando os dados das transformações isotérmicas para um gráfico que relaciona a pressão e o volume, obtemos uma hipérbole equilátera, que é chamada de isoterma:

(2) Transformação isobárica: Essa palavra vem do grego iso, que significa “igual”, e baros, que é “pressão”, ou seja, essa é uma transformação gasosa que ocorre com a pressão constante, enquanto as outras variáveis (temperatura e volume) variam.

Os cientistas que estudaram a transformação isobárica foram Joseph Louis Gay-Lussac e Jacques Alexandre César Charles. Por isso, as observações deles foram enunciadas em uma lei chamada de primeira lei de Charles e Gay-Lussac, que diz o seguinte:

“Com a pressão sendo mantida constante, a massa de determinado gás ocupa um volume diretamente proporcional à sua temperatura termodinâmica.”

Isso quer dizer que, se aumentarmos a temperatura do sistema, o volume ocupado pelo gás também aumentará, ou seja, ele expandir-se-á. Por outro lado, com a diminuição da temperatura, o gás contrair-se-á. Veja isso na ilustração a seguir:

É importante salientar que as relações expressas em todas as transformações gasosas mencionadas aqui são verdadeiras somente quando se considera a temperatura termodinâmica, ou seja, a temperatura na escala kelvin.

Matematicamente, temos:

V = k
T      

ou

V1= V2
T1    T2

Veja um exemplo a seguir de transformação isobárica. Por exemplo, se temos uma massa fixa de um gás em um sistema fechado, sob temperatura de 100 K e seu volume é “V”, se aumentarmos essa temperatura para 200 K, ou seja, se dobrarmos a temperatura, o volume também dobrará, passando para “2V” e assim sucessivamente.

Passando os dados das transformações isobáricas para um gráfico que relaciona a pressão e o volume, obtemos uma reta, conforme o gráfico a seguir mostra:

(2) Transformação isocórica ou isovolumétrica: Conforme já dito, iso significa “igual”, e coros é “volume”, ou seja, a palavra “isocórica” refere-se a uma transformação gasosa que ocorre com o volume constante, enquanto as outras variáveis (temperatura e pressão) variam.

A segunda lei de Charles e Gay-Lussac diz o seguinte:

“Com o volume sendo mantido constante, a pressão exercida pela massa de determinado gás é diretamente proporcional à sua temperatura termodinâmica.”

Isso quer dizer que, se aumentarmos a temperatura do sistema, a pressão exercida pelo gás também aumentará e vice-versa. Observe:

Matematicamente, temos:

P = k
T      

ou

P1= P2
T1    T2

Portanto, assim como ocorre no caso das transformações isobáricas, nos gráficos das transformações isocóricas, a relação entre a pressão e a temperatura sempre dará uma reta:

Observe que em todos os casos, quando dividimos a pressão pela temperatura termodinâmica respectiva, encontramos o mesmo valor (uma constante):

3/100 = 0,03

6/200 = 0,03

9/300 = 0,03

12/400 = 0,03

Agora veja como esses conhecimentos podem ser usados para resolver exercícios. Resolva as questões propostas em Transformações gasosas – exercícios.