Fundamentos de Física, Volume 2: Gravitação, Ondas e Termodinâmica
O que É Física?
Um dos tópicos principais da termodinâmica é a física dos gases. Um gás é formado por átomos (isolados ou unidos em moléculas) que ocupam totalmente o volume do recipiente em que se encontram e exercem pressão sobre as paredes. Em geral, podemos atribuir uma temperatura a um gás confinado. Essas três propriedades dos gases (volume, pressão e temperatura) estão relacionadas ao movimento dos átomos. O volume é uma consequência da liberdade que os átomos têm para se espalhar por todo o recipiente, a pressão é causada por colisões dos átomos com as paredes do recipiente, e a temperatura está associada à energia cinética dos átomos. A teoria cinética dos gases, que é o foco deste capítulo, relaciona o volume, a pressão e a temperatura de um gás ao movimento dos átomos.
A teoria cinética dos gases tem muitas aplicações práticas. Os
engenheiros automobilísticos estudam a queima do combustível vaporizado (um gás) no motor dos carros. Os engenheiros de alimentos medem a produção do gás de fermentação que faz o pão crescer quando está sendo assado. Os engenheiros da indústria de bebidas procuram entender de que forma o gás produz um “colarinho” em um copo de chope e arranca a rolha de uma garrafa de champanha. Os engenheiros biomédicos tentam calcular o tempo mínimo que um mergulhador deve levar para subir à superfície para não correr o risco de que bolhas de nitrogênio se formem no sangue. Os meteorologistas investigam os efeitos das trocas de calor entre os oceanos e a atmosfera sobre as condições do tempo.
O primeiro passo em nossa discussão da teoria cinética dos gases tem a
ver com a medida da quantidade de gás presente em uma amostra, que envolve o número de Avogadro.
O Número de Avogadro
Quando estamos lidando com átomos e moléculas, faz sentido medir o tamanho das amostras em mols. Fazendo isso, temos certeza de que estamos comparando amostras que contêm o mesmo número de átomos ou moléculas. O mol, uma das sete unidades fundamentais do SI, é definido da seguinte forma:
Um mol é o número de átomos em uma amostra de 12 g de carbono
12.
A pergunta óbvia é a seguinte: “Quantos átomos ou moléculas existem
em um mol?” A resposta foi obtida experimentalmente:
em que mol–1 representa o inverso do mol ou “por mol”, e mol é o símbolo da unidade mol. O número N é chamado de número de Avogadro em A
homenagem ao cientista italiano Amedeo Avogadro (1776-1856), um dos primeiros a concluir que todos os gases que ocupam o mesmo volume nas mesmas condições de temperatura e pressão contêm o mesmo número de átomos ou moléculas.
O número de mols n contidos em uma amostra de qualquer substância é
igual à razão entre o número de moléculas N da amostra e o número de moléculas N em 1 mol: A
(Atenção: Como os três símbolos da Eq. 19-2 podem ser facilmente confundidos, certifique-se de que você compreendeu bem o que significam tais símbolos, para evitar problemas futuros.) Podemos calcular o número de mols n em uma amostra a partir da massa M da amostra e da massa a molar M (a massa de um mol) ou da massa molecular m (a massa de uma molécula):