Profa. Maria Fernanda - Química

nandacampos.mendonc@gmail.com

Por que precisamos calibrar os pneus dos carro?

Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=9aAPOMTHYjE

Pressão abaixo da recomendada reduz a durabilidade do pneu,

aumenta o consumo de combustível e favorece o risco de acidentes

na pista.

O correto é calibrar os pneus a cada 15 dias. Sempre com pneus

frios, ou seja, tendo rodado no máximo 3 quilômetros.

A pressão deve ser sempre a recomendada pelo fabricante do

veículo, que em alguns carros está fixada na porta do motorista. Se

não for o caso, no manual está descrita a pressão adequada.

O que significa calibrar os pneus? Qual ou quais

substâncias químicas são utilizadas na calibragem?

O que significa calibrar os pneus? Qual ou quais

substâncias químicas são utilizadas na calibragem?

Ar comprimido

Mistura

homogênea

Nitrogênio

(N2(g))

substância

pura

O ar comprimido contém água, vapor de água e oxigênio, o que

ataca os aros metálicos e encurtam a vida das borrachas.

A perda de pressão do ar comprimido

é maior do que que no caso do

nitrogênio.

Se não quiser ou puder (por falta de ter onde fazê-lo) calibrar seus pneus com

nitrogênio, continue fazendo com ar comprimido mesmo, mas, se atenha a

importância de fazê-lo com regularidade, para sua melhor segurança, desempenho da

moto e durabilidade dos pneus.

O nitrogênio é um gás estável que tem propriedades de manter

os pneus com a pressão correta por muito mais tempo do que o ar

comprimido.

Questionamentos:

1- Como se comportam os gases dentro dos pneus?

2- Como o ar dentro do pneu consegue sustentar o peso de um

carro?

3- Por que não podemos calibrar os pneus quentes?

4- Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu

calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido?

5- Por que todos os pneus “perdem” pressão?

Para responder a essas perguntas precisamos tecer alguns

conhecimento químicos . Precisamos elaborar um modelo para os

gases.

Não podemos observar (ver) o comportamento das

partículas (moléculas) de m gás, mas podemos

elaborar um modelo para estudá-lo.

Como se comportam os gases dentro dos pneus?

A teoria cinética dos gases (ou teoria do gás ideal) consiste em um modelo que nos permite explicar como os gases se comportam, já que não podemos ver as moléculas e os átomos que formam os gases. Gases são substâncias moleculares ou um elemento químico, como no caso dos gases nobres.

Elemento químico

Como se comportam os gases dentro do pneus?

A Teoria cinética dos gases diz que:

- Todo gás é composto de inúmeras moléculas que se movimentam de

forma desordenada e com uma alta velocidade. Essa movimentação é

chamada agitação térmica. O grau dessa agitação serve para identificar

a temperatura dos gases.

- As moléculas dos gases têm um tamanho desprezível em relação às

distâncias entre elas, o que faz com que o volume ocupado pelas

moléculas de um gás seja praticamente desprezível.

- O gás ocupa todo o espaço do lugar onde está contido, devido às

moléculas dele se movimentarem em todas as direções.

- O fato do movimento das moléculas dos gases serem perpétuo, é

que, o choque delas contra si mesmas e contra as paredes do

recipiente onde o gás está contido, é perfeitamente elástico, o que faz

com que as moléculas não percam energia cinética nem quantidade de

movimento.

- As moléculas de um gás só interagem entre si quando elas colidem,

fora as colisões elas apresentam movimento retilíneo (MRU).

GÁ

S ID

EAL

Como se comportam os gases dentro do pneus?

Teoria cinética dos gases Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=vabV5HfvfN0

Conclusões:

1- A pressão exercida por um gás dentro de um recipiente resulta

justamente dos choques das partículas contra as paredes.

2- O choque entre duas partículas de um gás e entre uma partícula de um

gás e o recipiente, ocorre de forma perfeitamente elástica, isto é, a energia

mecânica (energia cinética / movimento + energia potencial / posição) total

das duas partículas que colidem permanece inalterada, embora uma possa

perder energia para a outra.

3- Estando em movimento contínuo, as partículas de um gás possuem uma

energia cinética (EC) que depende da massa(m) e da velocidade (v) das

partículas. Fórmula matemática da energia cinética

Como se comportam os gases dentro do pneus?

Teoria cinética dos gases

Atenção: mesmo que as partículas de uma mesma substância (gás) tenham

a mesma massa (m) a velocidade delas poderão ser diferentes. Logo, terão

energia cinética diferentes. Assim, falamos em energia cinética média. Esta

é proporcional à temperatura do gás.

EC= k.T (k= cst de proporcionalidade)

Como o ar dentro do pneu consegue sustentar o peso de

um carro? Dentro do pneu, o choque das partículas dos gases contra as paredes

internas do pneu (que ocorre igualmente em todas as direções) é o que o

mantém cheio por igual (sem deformação). O ar dentro do pneu exerce uma

dada pressão interna. O fabricante do veículo informa a pressão necessária

em cada pneu, de modo que, no total, os quatro pneus juntos exercem uma

pressão igual à do peso do carro (força). Dessa forma, o ar dentro dos

pneus consegue “sustentar” o peso do veículo.

Qual é a unidade de pressão?

Pressão é a relação entre a intensidade de uma força que age

perpendicularmente sobre uma superfície e a área dessa

superfície. Matematicamente, temos que a pressão é dada por:

N (newton) m2

N/m2 = Pa (pascal)

Por que não podemos calibrar os pneus quentes?

Para respondermos a essa questão, precisamos estudar sobre o estado de

um gás. Este fica definido quando conhecemos os valores exatos de seu

volume, de sua pressão e de sua temperatura.

Se ocorrer alguma alteração em pelo menos umas dessas três variamos

dizemos que o gás sofreu uma mudança ou transformação de estado.

Os estudos gases se dão com os mesmos em um sistema fechado.

Número de partículas de gás

contido no sistema é sempre

constante.

Por que não podemos calibrar os pneus quentes?

Transformações de estado dos gases

A – Transformação isotérmica

Em uma transformação isotérmica, provoca-se a variação do volume e da

pressão de determinado gás, porém mantém-se a temperatura constante.

Se dobrarmos a pressão de um gás, seu

volume reduzirá pela metade e assim por

diante. Quando duas grandezas como

essas são inversamente proporcionais, o

seu produto é uma constante; desse modo,

matematicamente, essa relação pode ser

representada assim:

Simulação

Por que não podemos calibrar os pneus quentes?

Lei de Boyle ou Lei de Boyle-Mariotte:

“Sob temperatura constante, o volume

ocupado por determinada massa fixa de

um gás é inversamente proporcional à

sua pressão.”

Exemplo: Considere que um recipiente com

êmbolo móvel, capaz de deslizar sem atrito,

contém 20 litros de O2(g) sob pressão de 160

kPa a 298 K. Que volume de gás passará a

ocupar se a pressão for reduzida para 80 kPa

nessa mesma temperatura? 40 L

Transformações de estado dos gases

A – Transformação isotérmica

Isoterma

Por que não podemos calibrar os pneus quentes?

Transformações de estado dos gases

A – Transformação isobárica

Em uma transformação isobárica, provoca-se a variação do volume e da

temperatura de determinado gás, porém mantém-se a pressão constante.

Se dobrarmos a temperatura, o volume

ocupado pelo gás também dobrará. Por outro

lado, se diminuirmos a temperatura, o volume

do gás também diminuirá na mesma

proporção. Quando duas grandezas como

essas são diretamente proporcionais, o seu

quociente é uma constante; desse modo,

matematicamente, essa relação pode ser

representada assim:

V = k T

Simulação

Por que não podemos calibrar os pneus quentes?

Lei de Charles/Gay-Lussac:

“Num sistema com pressão constante, o

volume de determinada massa fixa de um

gás é diretamente proporcional à

temperatura.”

Exemplo: Considere um recipiente fechado,

dotado de um êmbolo que pode se deslocar

sem atrito, com nitrogênio gasoso, N2(g)

ocupando inicialmente um volume de 9L na

temperatura de 25ºC e sob uma pressão de 210

kPa. Mantendo-se a pressão constante e

aumentando-se a temperatura para 174ºC, qual

é o valor do volume que passa a ser ocupado

pelo gás nessa temperatura? 13,5 L

Transformações de estado dos gases

A – Transformação isobárica

T/K=T/ºc+273,15

Isóbara

Por que não podemos calibrar os pneus quentes?

Transformações de estado dos gases

A – Transformação isocórica

Em uma transformação isocórica, provoca-se a variação da temperatura e

da pressão de determinado gás, porém mantém-se o volume constante.

Se o volume e a massa do gás

permanecessem constantes e a

temperatura fosse dobrada , indo

de T para 2T, então a pressão

também dobraria, indo de P para

2P. Além disso, se diminuir a

temperatura, por exemplo, pela

metade, indo de T para T/2, o

resultado seria que a pressão

também diminuiria pela metade,

de P para P/2.

2T T T/2 4P 2P P

Quando duas grandezas como essas são

diretamente proporcionais, o seu produto é

uma constante; desse modo,

matematicamente, essa relação pode ser

representada assim: P = k T Simulação

Por que não podemos calibrar os pneus quentes?

Transformações de estado dos gases

A – Transformação isocórica

Lei de Charles e Gay-Lussac

“Num sistema fechado em que o volume é

mantido constante, verifica-se que a pressão

exercida por determinada massa de gás é

diretamente proporcional à sua temperatura

termodinâmica.”

Exemplo: A pressão total do ar no interior de um pneu

era de 2,30 atm quando a temperatura do pneu era de

27ºC. Depois de ter rodado um certo tempo com esse

pneu, mediu-se novamente sua pressão e verificou-se

que esta era agora de 2,53 atm. Suponha a variação de

volume do pneu desprezível, a nova temperatura será?

Isócora

Por que não podemos calibrar os pneus quentes?

Sabemos pela lei de Lei de Charles/Gay-Lussac para as transformações

isocóricas que se aumentarmos a temperatura do gás contido em um

sistema fechado (como o pneu) com volume constante, a pressão

aumenta. Isso interfere na pressão dos pneus, que passa a ser maior do

que a real.

Equação geral dos gases

A partir da combinação das três equações das

transformações gasosas (isotérmica, isobárica,

isocórica) representadas respectivamente

pelas equações: PV = K; V/T = K; P/T = K

levou à uma nova equação.

Equação geral dos gases:

Equação geral dos gases

A equação geral dos gases mantém a relação de proporcionalidade

entre as variáveis de estado (P, T e V). Se fizermos um gráfico da

transformação de estado que ocorre ao mesmo tempo com as três

variáveis, obteremos duas hipérboles isotermas: Ti e Tf, senso Ti <

Tf.

O ponto A indica o estado inicial,

o ponto B o estado intermediário

e o ponto C o estado final da

transformação do gás ideal.

Estado Inicial Estado Intermediário Estado Final

A B C

Trans. Isotérmica

Volume variou de Vi para Vx;

A pressão variou de Pi para Px

(sendo Py=Pf)

A temperatura permanece cst.

Trans. Isobárica

Volume variou de Vx para Vf;

A temperatura variou de Ti para

Tf (sendo Ti=Tx)

A pressão permanece cst.

Equação de Clapeyron

A equação desenvolvida por Émile Clapeyron relaciona as três variáveis de

estado (pressão, volume e temperatura) com a quantidade de partículas

(número de mols de partículas) que compõe um gás ideal.

A relação que ficou conhecida como A Equação de

Clapeyron ou Equação de um gás ideal se dá da seguinte forma:

pV=nRT

onde:

R: constante universal dos gases perfeitos. Seu valor depende das unidades utilizadas para medir as variáveis de estado, podendo ser:

O valor da constante universal dos gases

perfeitos deve ter as mesmas unidades

que as demais grandezas.

Equação de Clapeyron

Origem da Equação de Clapeyron

Eq. Geral dos gases K = constante

Isolando o volume e chamando a cst. de R teremos:

V= R x T/P

A hipótese de Avogadro nos diz que:

1 mol de gás ocupa um volume de 1V

2 mols de gás ocupa um volume de 2v

Logo:

“Volumes iguais de gases

diferentes nas mesmas

condições de pressão e

temperatura contêm o mesmo

número de moléculas.”

Equação de Clapeyron

Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu

calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido?

Para respondermos a essa pergunta precisamos estudar o

comportamento das misturas gasosas.

As descrições sobre o comportamento dos gases ideais fornecidas pela

teoria cinética dependem apenas da quantidade de matéria (número de

moléculas do gás) no sistema e não do tipo de elemento ou substância

de que os gases são constituídos.

Assim, as relações estudadas (equação de Claperyon) é válida tanto

para um único gás quanto para uma mistura gasosa, já que

consideramos que não existe interações entre as moléculas dos gases,

isto é, eles não reagem formando novas substâncias.

Simulação

Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu

calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido?

Contudo, n (número de mols) na Equação de Claperyon será escrito

como a soma do número de mols de cada espécie de gás que existe no

sistema.

PV=nRT gás ideal

n= nA + nB

P x V = (nA + nB) x R x T mistura de gases ideais

Veremos a seguir algumas relações básicas entre cada espécie de gás

componente de uma mistura gasosa e todos os gases que compõem

essa mistura.

Considerando os gases ideais hipotéticos A e B

Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu

calibrado com nitrogênio e o outro com ar coprimido?

Relações:

Fração em quantidade de matéria (X)

A fração em quantidade de matéria (X) de um gás A qualquer em uma

mistura gasosa a relação existente entre a quantidade de matéria desse

gás e a quantidade de matéria total dos gases presentes na mistura.

ntotal= nA+Nb

nA /ntotal + nb/ntotal = ntotal /ntotal = 1

Considerando os gases ideais hipotéticos A e B

Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu

calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido?

Relações:

Pressão parcial

A pressão parcial que um gás exerce em uma mistura gasosa exerce é

igual àquela que ele exerceria se estivesse sozinho, à mesma

temperatura.

Pressão parcial Gás ideal hipotético 1 Pressão parcial Gás ideal hipotético 2

Pressão do Gás ideal sozinho

Mistura de gases

Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu

calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido?

Relações:

Pressão parcial

Lei das pressões parciais ou lei de Dalton:

“A pressão total exercida por uma mistura gasosa é igual à soma das

pressões parciais dos gases que compõem a mistura.”

Relação entre a pressão que

uma mistura de gases exerce

em um recipiente e a

quantidade de matéria total

dos gases presentes na

mistura.

Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu

calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido?

Relações:

Pressão parcial

Se dividirmos a equação PA V = nA R T por Ptotal V = ntotal R T teremos:

PA = nA / Ptotal = ntotal

PA / Ptotal = nA / ntotal XA

Expressão da pressão parcial em

porcentagem

% em pressão parcial = X%

Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu

calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido?

Relações:

Volume parcial

O volume parcial ocupado por um gás em uma mistura gasosa é igual ao

volume que esse gás ocuparia se estivesse sozinho suportando toda a

pressão da mistura à mesma temperatura.

Equação de estado PV=nRT

Volume parcial PVA = nART

PVB = nBRT

Volume Gás ideal sozinho

Volume parcial Gás ideal hipotético A Volume parcial Gás ideal hipotéico B

Mistura gasosa

Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu

calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido?

Relações:

Volume parcial

Lei de Amagat

“O volume total de uma mistura gasosa é igual à soma dos volumes

parciais dos gases que a compõem.

Vtotal= ntotal RT/ P

Vtotal = (nA+ nB + nC + ...) RT/V

Relação entre a pressão que uma

mistura de gases exerce em um

recipiente e a quantidade de matéria

total dos gases presentes na mistura.

Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu

calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido?

Relações:

Volume parcial

Se dividirmos a equação P VA = nA R T por P Vtotal = ntotal R T teremos:

VA = nA / Vtotal = ntotal

VA / Vtotal = nA / ntotal XA

Expressão do volume parcial em

porcentagem

% em volume parcial = X%

Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu

calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido?

Respondendo à questão acima:

Vimos que a pressão que um gás exerce e o volume que ele ocupa em

uma mistura gasosa, são equivalentes aos estados de quando estão

“sozinhos”. Logo, como a pressão do pneu é estipulada pelo fabricante

dos veículos, não haverá alteração na mesma caso calibremos o pneu

com ar comprimido ou com nitrogênio. A diferença estará apenas na

quantidade de matéria de cada espécie gasosa, uma vez que o volume

também não será alterado.

Relação entre a pressão do pneu e o sua

relação com a aderência no solo.

Ptotal= P1+P2+ P3

Vtotal= V1+ V2+V3

Ptotal= PN2

Vtotal= VN2

A pressão no pneu deverá ser a mesma

Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu

calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido?

Massa molar aparente

Quando temos uma mistura da gases, podemos afrimar que:

1) A massa total da mistura (mtotal) é igual à soma das massas de cada

gás.

2) A quantidade de matéria total da mistura (ntotal) é igual à soma das

quantidades de matéria de cada gás.

e, portanto, , então

Maparente =mtotal

ntotal

A massa molar aparente, Map, indica a massa de 1 mol de prtículas da

mistura.

Existe diferença entre o comportamento dos gases de um pneu

calibrado com nitrogênio e o outro com ar comprimido?

Densidade aparente

Quando temos uma mistura gasosa podemos calcular sua densidade

aparente por meio da equação de Claperyon:

Pela equação acima podemos observar que a densidade é inversamente

proporcional à temperatura. Logo:

Quanto maior a temperatura da mistura gasosa, menor será a

densidade.

Quanto menor a temperatura da mistura gasosa, maior será a

densidade.

Por que todos os pneus “perdem” pressão?

Para respondermos a essa pergunta precisamos recorrer ao estudo de duas

propriedades dos gases: difusão e efusão.

Difusão é o movimento espontâneo das partículas de um gás de se espalharem

uniformemente em meio às partículas de um gás, ou então, de atravessarem uma

parede.

Efusão é o movimento espontâneo de escape das partículas de um gás contido

em um recipiente por um pequeno orifício para um ambiente externo de pressão mais

baixa.

SIMULAÇÃO

A partir da simulação concluímos que:

(a) as partículas (moléculas) mais pesadas (de maior massa) se movimentam com

uma velocidade menor do que aquelas que apresentam uma massa menor.

(b) A velocidade com as partículas de um gás se movimenta é diretamente

proporcional à temperatura. Logo, quanto maior a temperatura, maior a velocidade

das partícula.

Por que todos os pneus “perdem” pressão?

Os pneus perdem pressão devido às propriedades de difusão e efusão

das partículas que compõem os gases.

As moléculas do gás podem escapar pela

borracha devido à porosidade da mesma.

Como vimos os pneus calibrados com ar

atmosférico “perdem” pressão mais

rapidamente do que o calibrado com

nitrogênio.

Isso de deve ao fato de que o N2(g) é uma substância estável, enquanto

que o O2(g), por exemplo, pode reagir com os componente metálicos que

compõem o pneu. Além do mais no ar comprimido há vapor de água que

com o aqueciemento do pneu pode evaporar.

FIM DO CAÍTULO DE GASES

APLICANDO O CNHECIEMNTO CONSTRUÍDO

Resolva os exercícios indicados a seguir:

Página 19 1 ao 4

Página 22 5 ao 8

Página 27 9 ao 12

Página 33 1 ao 5

Página 36 6 ao 11

Página 43 1 ao 3

Página 46 4 ao 7