Conceitos de temperatura, pressão e volume.

 

 

O volume

O volume é a medida do espaço ocupado pelo sistema. No caso dos gases, estes devem estar contidos num recipiente fechado. O espaço tridimensional existente no recipiente corresponde ao volume. O volume pode obter-se usando uma régua e efectuando os cálculos necessários. Em unidades do Sistema Internacional é expresso em metros cúbicos, m3. Vulgarmente, em química, é frequente usar-se o litro, L e o mililitro, mL.

 

A temperatura

A temperatura é uma propriedade macroscópica relacionada com o tacto. O sentido do tacto não permite medir a temperatura com rigor, porque é subjectivo. Os instrumentos que quantificam a temperatura sem subjectividade são os termómetros, que foram primordialmente introduzidos por Galileu Galilei (1564-1642). O funcionamento do termómetro baseia-se na Lei Zero da Termodinâmica. Esta Lei afirma que:

“Dois sistemas A e B, postos em contacto, acabam por alcançar um estado de equilíbrio térmico. Se A e B estiverem, separadamente, em equilíbrio térmico com um terceiro sistema C, estarão também em equilíbrio térmico um com o outro (Guémez e Fiolhais, 1998).”

Quando dois corpos a temperaturas diferentes são colocados em contacto, ocorre transferência de energia, sob a forma de calor, do corpo com uma temperatura mais elevada para o corpo de temperatura mais baixa, até ficarem ambos à mesma temperatura, atingido-se desta forma o equilíbrio térmico. Estes conceitos foram introduzidos em 1909 pelo matemático alemão Constantin Carathéodoty (1873-1950) e só mais tarde reconhecidos como lei.

Do ponto de vista microscópico, “a temperatura é apenas uma medida diferente da energia cinética média das moléculas (Gerthsen, Kneser, e Vogel, 1998).”

O físico inglês Lorde William Thomson Kelvin (1824-1907), definiu a noção de zero absoluto e estabeleceu a escala de temperatura que tem o seu nome, tendo sido adoptada oficialmente, como unidade de temperatura no Sistema Internacional, sendo representada com o símbolo K. No entanto, a temperatura é muitas vezes medida em graus Celsius, com o símbolo ºC, escala termométrica inventada pelo físico e astrónomo sueco Anders Celsius (1701-1744), tendo escolhido o ponto de fusão do gelo (0 ºC) e o ponto de ebulição da água (100 ºC) para calibrar os seus termómetros.

Para converter uma temperatura TC em ºC, numa temperatura absoluta T em K, utiliza-se a seguinte relação:

T (K) = TC (ºC) + 273,15

Nos Estados Unidos utiliza-se como unidade de temperatura o grau Fahrenheit de símbolo ºF. Esta escala teve origem em 1714, quando Gabriel Fahrenheit (1686-1736) inventou o termómetro de mercúrio. Para converter uma temperatura TC em ºC, numa temperatura TF em ºF, pode usar-se a relação:

TF (ºF) = TC (ºC) x  + 32

A figura 1 ilustra a relação entre estas três unidades.



Figura 1 – Relação entre a escala Kelvin, Celsuis e Fahrenheit. (Paiva et al, 2003)

 

A pressão de um gás

A Teoria Cinética dos Gases permite deduzir as propriedades dos gases a partir dos fenómenos de movimento mecânico das moléculas quando estas são consideradas de forma isolada. No desenvolvimento desta teoria foi considerado que as partículas se comportam como esferas perfeitamente elásticas com massa e que não exercem quaisquer forças umas sobre as outras, enquanto não entram em contacto. Considera-se ainda que as partículas se movimentam independentemente e de forma aleatória, sem qualquer direcção preferencial no espaço, com uma certa velocidade. As partículas ocupam apenas uma pequena parte do volume do recipiente, a maioria do seu espaço esta vazio. A energia cinética média das moléculas do gás varia apenas com a variação de temperatura. No choque, que obedece às leis do choque elástico, permutam energia e impulso, havendo geralmente modificação da velocidade das partículas.

A força exercida pelo gás sobre a parede de um reservatório onde esteja contido esse gás pode ser atribuída aos choques das moléculas do gás contra à parede, sendo desta forma transmitido impulso à parede. Pela lei fundamental da dinâmica, a força exercida sobre a parede é igual ao impulso transmitido por esta por meio dos choques e por unidade de tempo. A pressão é igual ao impulso transmitido à unidade de área e por unidade de tempo (Gerthsen, Kneser e Vogel, 1998):

 

Pressão =

Ou seja,

P =

Esta definição de pressão de um gás é coerente com a da pressão nos sólidos, definida por:

P =

Com efeito,

P =  =

A pressão de um gás é, portanto, uma consequência macroscópica dos choques moleculares das suas partículas sobre as paredes do reservatório onde se encontram. As partículas de um gás dispõem de grande liberdade de movimentos e deslocam-se no espaço em todas as direcções, chocando entre si ou com as superfícies de todos os corpos (sólidos ou líquidos) com que o gás contacta, como se tenta representar na figura 2.


Figura 2 - A pressão de um gás exerce-se em todas as direcções.

Quanto maior for o número de choques das partículas do gás que ocorrem sobre uma superfície, num dado intervalo de tempo, maior é a pressão exercida pelo gás nessa superfície (Figura 3).

                  

    Figura 3 - A pressão está directamente relacionada com o número de colisões.


A pressão de um gás contido num recipiente fechado, mede-se com um manómetro, instrumento inventado em 1661 pelo físico e astrónomo holandês Christiaan Huygens (1629-1695). A unidade de pressão no Sistema Internacional é o Pascal, Pa, em homenagem ao cientista francês Blaise Pascal (1623-1662). Existem outras unidades também muito usadas, a atmosfera, atm e o milímetro de mercúrio, mm Hg. A atmosfera corresponde à pressão normal ao nível do mar e é definida como a pressão exercida por uma coluna de mercúrio com a altura exacta de 760 mm Hg, também designada por torr, em reconhecimento do estudante de Galileu, Evangelista Torricelli (1608-1647), que inventou o barómetro. A relação entre estas unidades é: 1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = 101 325 Pa

 

 

Referências bibliográficas

• Gerthsen, C. ; Kneser, Vogel, H. (1998) – Física. 2ª Edição; Lisboa; Fundação Calouste Gulbenkian.


• Guémez, J.; Fiolhais, C.; Fiolhais, M. (1998) – Termodinâmica do equilíbrio. Lisboa; Fundação Calouste Gulbenkian.


• Paiva, J. et al (2003) – 10 Q. Lisboa; Texto Editora.