Lei de Boyle, Lei de Charles e Lei de G. Lussac
Lei de Boyle
Robert Boyle (1627–1691) conduziu experimentos para investigar a relação quantitativa entre a pressão e o volume de um gás. Este experimento consistia em colocar uma certa quantidade de gás em um recipiente fechado. Com uma boa aproximação, ele descobriu que, se a temperatura do gás for mantida constante, à medida que a pressão do gás aumenta, o volume do gás diminui. Da mesma forma, quando a pressão do gás diminui, o volume do gás aumenta. A pressão de um gás é inversamente proporcional ao seu volume. Essa relação é conhecida como Lei de BoyleMatematicamente:
A lei de Boyle também pode ser escrita como:
PV = constante → equação 1
P1 V1 = P2 V2 → equação 2
O significado da equação 1 é que, a uma temperatura constante (T), se a pressão (P) do gás mudar, o volume (V) do gás também mudará, de modo que o produto da pressão pelo volume seja sempre constante. Se a pressão do gás aumentar, o volume do gás diminui ou vice-versa, se a pressão do gás diminuir, o volume do gás aumenta, de modo que o produto da pressão pelo volume seja sempre constante.
Um gráfico que mostra a relação entre volume e pressão se parece com o abaixo. Com base em seus experimentos, Robert Boyle descobriu que o volume de um gás varia de forma irregular, fazendo com que a linha no gráfico pareça curva. A pressão representada no gráfico é a pressão absoluta, não a pressão manométrica.
Lei de Charles
Cem anos após Robert Boyle ter descoberto a relação entre volume e pressão, o cientista francês Jacques Charles (1746–1823) investigou a relação entre temperatura e volume de um gás. Com base em seus experimentos, ele descobriu que, se a pressão de um gás permanece constante, então, à medida que a temperatura do gás aumenta, o volume também aumenta. Inversamente, à medida que a temperatura do gás diminui, o volume também diminui.
As mudanças no volume do gás devido às variações de temperatura ocorrem regularmente, por isso a linha neste gráfico parece reta. Se a linha no gráfico fosse traçada em temperaturas mais baixas, ela interceptaria o eixo em aproximadamente -273°C. oC.
Com base em muitos experimentos realizados, constatou-se que, embora a magnitude da variação de volume para cada gás seja diferente, quando a linha no gráfico V-T é traçada a uma temperatura mais baixa, ela sempre intercepta o eixo em torno de -273. oC. Podemos dizer que se o gás for resfriado a -273 oSe C então o volume do gás = 0. Se o gás for resfriado novamente até que a temperatura esteja abaixo de -273 oSe C fizer isso, o volume do gás será negativo, algo que é impossível.
Então -273 oC é a temperatura mais baixa que pode ser atingida. Como a linha cruza o eixo em torno de -273 oC então, de acordo com mútuo acordo, foi determinado que a temperatura mais baixa que poderia ser alcançada era -273,15. oC. ‐273,15 oO Celsius é chamado de temperatura zero absoluto e é usado como referência para a escala absoluta, também conhecida como escala Kelvin. Kelvin recebeu esse nome em homenagem a Lord Kelvin (1824–1907), um físico britânico. Nessa escala, a temperatura é expressa em Kelvin (K), e não em graus Kelvin (°K).oK). A distância entre os graus é a mesma que na escala Celsius. 0 K = -273,15 oC e 273,15 K = 0 oC.
A temperatura na escala Celsius pode ser convertida para a escala Kelvin adicionando 273,15, e a temperatura na escala Kelvin pode ser convertida para a escala Celsius subtraindo 273,15. Matematicamente:
T (K) = T (oC) + 273,15
T (oC) = T (K) ‐ 273,15
Em formação :
T = Temperatura
K = Kelvin
C = Celsius
Se a temperatura for expressa na escala Kelvin, o gráfico acima terá a mesma aparência da imagem abaixo.
Com base neste gráfico, pode-se concluir que, a pressão constante, o volume de um gás é sempre diretamente proporcional à temperatura absoluta. Se a temperatura absoluta de um gás aumenta, o volume também aumenta; inversamente, se a temperatura absoluta de um gás diminui, o volume também diminui. Essa relação é conhecida como Lei de Charles. Matematicamente, ela é escrita da seguinte forma:
Volume ∝ Temperatura → Pressão constante
V ∝ T → P constante
A lei de Charles também pode ser escrita assim:
O significado da equação 1 é que, a pressão constante (P), se a temperatura absoluta (T) do gás mudar, o volume (V) do gás também mudará, de modo que o resultado da comparação entre temperatura absoluta e volume seja sempre constante. Se a temperatura absoluta do gás aumentar, o volume do gás também aumentará, ou vice-versa, se a temperatura absoluta do gás diminuir, o volume do gás também diminuirá, de modo que o resultado da comparação entre temperatura e volume seja sempre constante. A temperatura absoluta de um gás refere-se à temperatura do gás expressa na escala Kelvin. Se a temperatura ainda estiver na escala Celsius, converta-a para a escala Kelvin primeiro.
Lei de Gay-Lussac
Joseph Gay-Lussac (1778–1850) realizou um experimento e descobriu que, se o volume de um gás for mantido constante, à medida que a pressão do gás aumenta, a temperatura absoluta do gás também aumenta. Inversamente, à medida que a pressão do gás diminui, a temperatura absoluta do gás também diminui. A volume constante, a pressão do gás é diretamente proporcional à temperatura absoluta do gás. Essa relação é chamada de Lei de Gay-Lussac. Matematicamente:
Pressão ∝ Temperatura → Volume constante
P ∝ T → V constante
A lei de Gay-Lussac também pode ser escrita assim:
O significado da equação 1 é que, a volume constante (V), se a pressão (P) do gás mudar, a temperatura absoluta (T) do gás também mudará, de modo que o resultado da comparação entre pressão e temperatura absoluta seja constante. Em outras palavras, se a pressão do gás aumentar, a temperatura absoluta do gás também aumentará, ou inversamente, se a pressão do gás diminuir, a temperatura absoluta do gás também diminuirá, de modo que a comparação entre pressão e temperatura seja sempre constante.
A temperatura absoluta de um gás refere-se à temperatura do gás expressa na escala Kelvin. Se a temperatura ainda estiver na escala Celsius, converta-a primeiro para a escala Kelvin.
É importante notar que as leis de Boyle, Charles e Gay-Lussac fornecem resultados precisos se a pressão e a densidade do gás não forem muito altas. Além disso, essas três leis só se aplicam a gases cujas temperaturas não estão próximas do seu ponto de ebulição.
Com base nesse fato, podemos concluir que as leis de Boyle, Charles e Gay-Lussac não se aplicam a todas as condições de gases. Como não se aplicam a todas as condições de gases reais, precisamos do conceito de gás ideal, ou gás perfeito. Esse gás ideal não existe no nosso dia a dia. Um gás ideal é apenas um modelo ideal, semelhante aos conceitos de corpo rígido e fluido ideal. Portanto, assumimos que as três leis dos gases acima se aplicam a todas as condições de gases ideais.
Na resolução de problemas de leis dos gases, a temperatura deve ser expressa na escala Kelvin. Se a pressão do gás ainda for uma pressão medida, converta-a primeiro para pressão absoluta. Pressão absoluta = pressão atmosférica + pressão barométricar.
