FÍSICA EXPERIMENTAL I
Experimento 5
FEX I
Experimento No 5: EXPANSÃO DE UM GÁS A PRESSÃO CONSTANTE
Objetivos: Verificar que o comportamento do ar à pressão e temperatura ambientes é semelhante
ao do gás ideal.
Medir grandezas físicas diretas e, a partir de um gráfico, determinar outras grandezas.
Analisar o comportamento termodinâmico de um volume de ar confinado em um recipiente,
durante o processo de expansão à pressão atmosférica ambiente (constante).
Teoria: O gás ideal, ou gás perfeito, é um gás hipotético que consiste de partículas idênticas de
volume zero, entre as quais não existe qualquer interação. Essas partículas possuem apenas energia
cinética de translação, de modo que seu movimento resulta apenas em colisões entre si, ou com as
paredes do recipiente que contém o gás, colisões perfeitamente elásticas.
Os gases reais não apresentam essas propriedades, mas o gás ideal revelou-se uma boa
aproximação para descrevê-los, exceto a altas pressões e baixas temperaturas, quando as forças
intermoleculares são fundamentais na determinação das propriedades macroscópicas do gás.
O ar, em condições normais de temperatura e pressão (0 oC e 1 atm), comporta-se
razoavelmente bem como gás ideal, de modo que, em função das variáveis de estado: pressão
absoluta (P), volume (V), número de moles (n), e temperatura absoluta (T), pode ser descrito pela
equação de estado do gás ideal:
PV=nRT
(5.1)
onde R é a constante universal dos gases.
Em um processo de expansão a pressão constante, em que não há vazamento no recipiente
que contém o gás (isto é, o número de moles também é constante), a uma dada variação ∆T da
temperatura, ocorre uma variação ∆V do volume dada por:
∆V =
nR
∆T
P
(5.2)
O manômetro é um instrumento usado para medir a pressão dos gases. Um tipo comumente
usado é o manômetro de coluna líquida. Esse manômetro é constituído por um tubo em forma de U,
onde se coloca uma certa quantidade de líquido. A pressão que se deseja medir é aplicada a um dos
ramos do tubo, enquanto uma pressão de referência é aplicada ao outro ramo que, quando aberto ao
ambiente, estará à pressão atmosférica local. A diferença entre as pressões nos dois ramos é
proporcional à diferença de altura das colunas do líquido nos dois ramos do tubo, veja a figura
(5.1).
Suponha que o líquido no tubo em U seja mercúrio e que seu nível em um dos ramos do
tubo (aquele em contato com o gás) esteja 1,00 cm acima do nível do outro ramo aberto (isto é, em
contato com o ar à pressão atmosférica local). Então, o excesso de pressão do gás (acima da pressão
atmosférica local) é de 1,00 cm de mercúrio (1,00 cm-Hg). Se o líquido fosse a água, o mesmo
excesso de pressão seria medido em um desnível de 13,60 cm de água.
Assim, em um processo de expansão de um gás a pressão constante, basta manter os níveis
de líquido iguais em ambos os ramos do manômetro, para assegurar que a pressão do gás
permanece igual à pressão atmosférica local. Nesse caso, a variação ∆V do volume do gás,
correspondente à variação ∆T da temperatura, pode ser calculada medindo-se a variação ∆h da
5.1
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Experimento 5
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altura da coluna em um dos ramos do manômetro, após seu nivelamento com o outro ramo, através
da equação:
2
d
∆V = π   ∆h
 2
(5.3)
onde d é o diâmetro do tubo. Note-se que a variação unidimensional ∆h, também varia linearmente
com ∆T.
Figura (5.1): Manômetro de coluna líquida.
Instrumento que mede a pressão dos gases por meio
da comparação entre as alturas das colunas do
líquido (água) contido no tubo com a forma de U.
Os pontos A’ e A estão à mesma pressão, então, a
pressão do gás no recipiente é igual à pressão
atmosférica local, mais uma quantidade
proporcional ao desnível ∆h entre as colunas nos
dois ramos do manômetro.
Descrição do Experimento: O equipamento utilizado nesse experimento é um erlenmeyer cheio de
ar, tampado firmemente por uma rolha. O ar nesse recipiente está em contato com um dos ramos de
um manômetro de coluna líquida (água), enquanto que o outro ramo (aberto) está em contato com o
ar ambiente, portanto, à pressão atmosférica local. O erlenmeyer é mergulhado em um recipiente
com água e esse recipiente é aquecido durante curtos intervalos de tempo, a fim de que seja
observada uma pequena variação na temperatura inicial de um termômetro, cujo bulbo também está
mergulhado na água do recipiente. A correspondente variação no volume do ar contido no
erlenmeyer será percebida como um aumento na pressão, correspondente ao desnível entre as
colunas líquidas do manômetro. O nivelamento dessas colunas durante esse processo, garante que
a expansão do gás ocorra à pressão atmosférica constante.
Equipamento/Material:
1. Aquecedor;
2. Erlenmeyer;
3. Béquer para conter o erlenmeyer;
4. Rolha de borracha;
5. Tubos flexíveis;
6. Tubos de vidro;
7. Suportes verticais e horizontais;
8. Suporte móvel para tubos de vidro;
9. Termômetro com escala de 0 até 50 oC;
10. Caneta porosa (tipo hidrocor);
11. Régua milimetrada;
12. Paquímetro;
13. Água.
5.2
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Experimento 5
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Procedimentos:
O aparato encontra-se montado na bancada. Veja a (figura 5.2) abaixo.
(a) Tampe firmememente o erlenmeyer com a rolha de borracha. Coloque água no manômetro até
que as colunas possam ser vistas nos dois ramos de vidro do manômetro. Alinhe os níveis da água
em ambos os ramos, fixando o ramo a e movendo o ramo b. Proceda de modo a que esse nível
inicial esteja mais ou menos no meio dos tubos de vidro.
(b) Leia a temperatura inicial da água dentro do béquer e anote-a na Tabela 1.
(c) Marque com a caneta porosa o nível inicial da água em um dos ramos (por exemplo, ramo b).
(d) Ligue o aquecedor durante aproximadamente 30 s, e aguarde até a nova temperatura da água no
béquer se estabilizar. Quando isso ocorrer nivele novamente as colunas de água no manômetro e,
com a caneta porosa, assinale o novo nível no mesmo ramo já assinalado (ramo b). A variação da
temperatura deve ser da ordem de 1,0 ºC. Anote-a na Tabela 1. Anote também a variação na altura
da coluna de água (marcada no ramo b), correspondente à expansão do gás à pressão atmosférica.
(e) Repita o procedimento (d) e anote na Tabela 1, a variação da temperatura com relação à
temperatura inicial, e a variação da altura da coluna de água com relação à marca inicial.
(f) Repita o procedimento (e) até completar a Tabela 1.
(g) Com o paquímetro meça o diâmetro interno do tubo de vidro do manômetro. Anote o resultado
da medida na Tabela 2.
- Siga as instruções e responda às questões do relatório experimental.
Figura (5.2): Esquema do aparato usado nesse experimento.
5.3