Gases Reais e Ideais

Esse post resume uma matéria extremamente importante para as vestibulares atuais, sendo muito incidente no ENEM e nos principais vestibulares do país.
Esclarecimento: A abordagem da matéria de Gases na física está restrita ao comportamento dos gases gerando movimento sem ocorrência de reações químicas, pois estas são objetos de estudo da química.

1. Equação dos gases reais (ou Equação de Van der Waals):

A equação dos gases reais é a expressão que relaciona as grandezas físicas que caracterizam o comportamento de um gás, a seguir ela é apresentada:

$\left (P+\frac{a\cdot n^{2}}{V^{2}} \right )\cdot \left ( V-n\cdot b \right )=n\cdot R\cdot T$

Onde:
a e b são parâmetros experimentais que dependem da natureza do gás
As demais grandezas são apresentadas logo abaixo no tópico “3. Equação dos gases ideais (ou Equação de Clapeyron)”

2. Gases ideais:

Percebe-se pela equação dos gases reais que tal cálculo é complexo e difícil de se determinar sem o uso de aparelhos eletrônicos e sem os dados experimentais. No entanto pode-se conseguir resultados razoavelmente próximos dos valores reais se considerar que o gás apresenta o comportamento de um gás ideal.
Um gás pode ser considerado ideal se satisfizer as seguintes condições:
I) Os átomos ou as moléculas deverão ser considerados puntiformes, ou seja, suas dimensões são desprezíveis.
II) Os átomos ou as moléculas sofrem colisões perfeitamente elásticas e de curta duração.
III) Só há forças devido aos choques, ou seja, despreza-se as interações de naturezas gravitacionais, elétricas e químicas.
IV) A quantidade de átomos ou moléculas é grande e elas descrevem um movimento aleatório.

3. Equação dos gases ideais (ou Equação de Clapeyron):

Na grande maioria dos vestibulares, utiliza-se a equação dos gases ideais para saber o comportamento físico dos gases, tal equação é dada pela seguinte expressão:
$P\cdot V=n\cdot R\cdot T$
Onde:
P = pressão do gás
V = volume ocupado pelo gás ou volume do recipiente em que o gás está
R = constante universal dos gases ideias
R = 0,082 atm.L /mol.K ou R = 8,31 J/ K.mol
n = número de mols dos gases envolvidos
$n=\frac{m}{M}$
Onde:
m = massa de gás (em gramas)
M = massa molar (em gramas por mol)

4. Transformações gasosas:

a) Equação clássica:

Quando um gás está em um estado inicial e faz ele variar suas grandezas físicas fundamentais (pressão, volume e temperatura), tem-se uma transformação gasosa.
Ao longo do tempo, alguns cientistas estudaram o comportamento dessas transformações e desenvolveram a seguinte relação:
$\frac{P_{inicial}\cdot V_{inicial}}{T_{inicial}}=\frac{P_{final}\cdot V_{final}}{T_{final}}$
Para conseguir interpretar os enunciados das questões é importante saber os nomes das transformações gasosas em função da grandeza que permanece constante, tal relação é colocada a seguir:
Pressão constante = Transformação Isobárica
Volume constante = Transformação Isométrica ou Isocórica ou Isovolumétrica
Temperatura constante = Transformação Isotérmica ou Isoterma

b) Transformações envolvendo variação do número de mols:

Na equação clássica de transformação gasosa, o número de mols é considerado constante, porém em diversas ocasiões isso não aparece em questões de vestibular. Nesses casos, adota-se a equação a seguir:
$\frac{P_{inicial}\cdot V_{inicial}}{n_{inicial}\cdot T_{inicial}}=\frac{P_{final}\cdot V_{final}}{n_{final}\cdot T_{final}}$
Observação: Não existe um nome específico para dizer que o número de mols é constante, sendo assim toda vez que o enunciado da questão não mencionar que o número de mols está variando, então considere que o número de mols é constante.

5. Exercício de Aplicação:

(Fuvest 2016 – Questão 29 – Versão V) Uma garrafa tem um cilindro afixado em sua boca, no qual um êmbolo pode se movimentar sem atrito, mantendo constante a massa de ar dentro da garrafa, como ilustra a figura. Inicialmente, o sistema está em equilíbrio à temperatura de 27°C. O volume de ar na garrafa é igual a 600 cm³ e o êmbolo tem uma área transversal igual a 3 cm². Na condição de equilíbrio, com a pressão atmosférica constante, para cada 1°C de aumento da temperatura do sistema, o êmbolo subirá aproximadamente

Note e adote:
0 °C = 273 K
Considere o ar da garrafa como um gás ideal.

A) 0,7 cm
B) 1,4 cm
C) 2,1 cm
D) 3,0 cm
E) 6,0 cm
Para saber a resposta dessa questão, clique aqui e acesse o gabarito oficial disponibilizado pela Fuvest (procure a resposta da questão 29 da versão V).
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