Portal do Professor

• Aprofundar o conhecimento da Teoria cin?tico-molecular dos gases
• Entender o efeito da temperatura sobre a densidade dos gases
• No??es de seguran?a no manuseio de recipientes contendo g?s
• Conhecer o princ?pio de funcionamento dos bal?es de ar quente
• Introdu??o ao estudo de motores de combust?o

50 minutos

• Densidade
• Massa molar
• Leis f?sicas dos gases (Boyle, Charles e Gay-Lussac)
• Equa??o de estado dos gases

O professor pode come?ar questionando se a temperatura pode afetar a densidade de um corpo. Proponha aos alunos uma situa??o: dois bal?es de anivers?rio cheios de ar, com volumes aproximadamente iguais. Um bal?o ? colocado na geladeira e o outro em uma bacia contendo ?gua aquecida. Acontece alguma coisa? Considerando o conhecimento dos alunos em rela??o ? temperatura e estados f?sicos (estados de agrega??o da mat?ria), estabelecer um paralelo com as part?culas que comp?em o ar e como ser?o afetadas pela temperatura.

Lembrar aos alunos que a densidade depende da massa e do volume por ela ocupado. A temperatura n?o interfere na massa do corpo, mas pode interferir no volume, alterando os espa?amentos entre as part?culas. Assim, criamos um caminho para entender como a temperatura pode interferir na densidade.

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1? atividade: verificando o efeito da temperatura sobre a densidade do ar

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Pr?tica: colocar um bal?o de anivers?rio, tamanho pequeno, na ponta de um tubo de ensaio, contendo apenas ar. Colocar o conjunto em um b?quer e despejar ?gua quente, quase fervendo. Observar o que acontece com o bal?o: ? medida que o ar vai esquentando, o bal?o come?a a inflar e vai se levantando. Se esperarmos o sistema resfriar, veremos que o bal?o volta a ficar murcho e cai.

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Foto 1 (esq.): Montagem contendo bal?o acoplado a um tubo de ensaio, ? temperatura ambiente (25 ?C).

Foto 2 (dir.): Sistema aquecido por imers?o do tubo de ensaio em ?gua quente (74 ?C) . Repare a eleva??o do bal?o devido ? expans?o do ar quente.

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Quest?es:

•  De que maneira o aumento da temperatura provocou o resultado observado? Discutir com os alunos a rela??o temperatura x energia cin?tica das part?culas. O aumento da temperatura corresponde a um aumento da energia cin?tica m?dia das part?culas. Isso leva a um aumento no n?mero de colis?es das part?culas com as paredes do recipiente. No caso do bal?o, como ? de natureza flex?vel, suas paredes se expandem provocando seu enchimento com o ar aquecido. O resultado final ? um aumento do volume agora ocupado pelo ar atmosf?rico (mistura de gases), inicialmente existente dentro do tubo de ensaio.
• Qual a rela??o que existe entre temperatura e densidade, direta ou inversa? Discutir com os alunos o efeito do aumento da temperatura: aumento do volume, diminui??o da densidade, portanto uma rela??o inversa.

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No caso dos gases, podemos relacionar as equa??es d = m/V com a equa??o de estado dos gases perfeitos PV = nRT. Substituindo n = m/M e reorganizando os termos, obtemos d = PM/RT. A f?rmula nos comprova a rela??o inversa entre densidade e temperatura: quanto maior a temperatura, maior o espa?amento entre as part?culas na fase gasosa, maior o volume ocupado pela mesma massa, logo, menor a densidade.

  

E o que acontece quando aquecemos um g?s presente em um recipiente de paredes r?gidas? Mostrar aos alunos que o aumento das colis?es, nesse caso, se traduzir? em aumento de press?o, j? que a expans?o n?o ? poss?vel. ? o que acontece quando aquecemos uma lata de spray (desodorantes, repelentes, desodorizantes de ar): o aquecimento pode provocar a explos?o desses recipientes.

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2? atividade: Agora os alunos estar?o preparados para discutir e entender melhor algumas aplica??es pr?ticas desse comportamento: os bal?es e a expans?o nos motores de combust?o interna.

Os tr?s v?deos abordam o mesmo tema: o efeito da temperatura sobre o volume, e consequentemente sobre a densidade, dos gases. O primeiro v?deo pode ser usado at? para abordar a quest?o hist?rica do uso de bal?es com ar aquecido. Remetendo ?s experi?ncias de Jacques Charles, mostrar aos alunos uma aplica??o do conhecimento gerado em laborat?rio.

O segundo v?deo mostra uma experi?ncia caseira e  os alunos podem ser incentivados a realiz?-la em casa.

O terceiro v?deo mostra o funcionamento de um motor de combust?o, e o aluno pode ser chamado a observar a import?ncia da expans?o dos gases em uma das etapas do processo. Como as pr?ximas aulas retornar?o a esse assunto de combust?o, ? um bom momento para iniciarmos o entendimento do processo.

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V?deos

Fa?a um voo de bal?o (2:18): http://www.youtube.com/watch?v=hwH3NHZ-e8s

Bal?o com secador de cabelos (4:59): http://www.youtube.com/watch?v=N4scm7qkIWE

Motor de combust?o interna (4:11) : http://www.youtube.com/watch?v=emRxXykWB3Y

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Quest?o: ? comum em algumas regi?es o lan?amento de bal?es caseiros, apesar de ser crime (Lei? 9.605 de 12 de dezembro de 1998). Essa brincadeira pode trazer s?rias consequ?ncias para muitas fam?lias, podendo cair em resid?ncias, ind?strias, florestas, provocando queimaduras e inc?ndios. Promova a conscientiza??o do risco de se soltar bal?es contendo chamas. Discuta com os alunos outras alternativas para conseguir o aquecimento do ar dentro dos bal?es. Ser? poss?vel outras fontes de calor? Ou?a as propostas dos alunos e discuta a viabilidade delas.

  

3? atividade: Comparando os efeitos da produ??o de gases e da temperatura sobre o funcionamento de um motor de combust?o interna.

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Resolu??o de exerc?cio

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(UFMG/1998) Os autom?veis s?o movidos pela combust?o da gasolina, uma mistura de hidrocarbonetos. Essa rea??o ocorre dentro de um cilindro cujo volume varia em fun??o do movimento de um pist?o. A rea??o da gasolina com oxig?nio forma g?s carb?nico e ?gua, conforme representado na equa??o abaixo. Essa rea??o libera energia suficiente para aquecer os gases de cerca de 300 K a 1500 K. Na equa??o, a gasolina ? representada, simplificadamente, por C₈H₁₈.

C₈H₈(g) + 12,5 O₂(g)  --->  8CO₂(g) + 9H₂O(g)

1) CALCULE a varia??o percentual do volume dos gases, sob press?o constante, causada exclusivamente pelo aumento da temperatura. Deixe seus c?lculos registrados, de modo a explicitar seu racioc?nio.

2) CALCULE a varia??o percentual do volume dos gases, sob press?o e temperatura constantes, causada exclusivamente pela rea??o. Deixe seus c?lculos registrados, de modo a explicitar seu racioc?nio.

3) RESPONDA qual dos dois efeitos ? o principal fator respons?vel pelo movimento do pist?o: varia??o do volume devida ? rea??o ou varia??o do volume devida ao aumento de temperatura. JUSTIFIQUE sua resposta.

 Resolu??o:

1) A temperatura varia de 300 K para 1500 K, o que correspondo a um aumento de 5 vezes, ou seja, 400 %. Como o volume ? diretamente proporcional ? temperatura absoluta (Lei de Charles para transforma??es isob?ricas), o aumento de volume provocado pela eleva??o da temperatura ?, tamb?m, de 400 %.

2) De acordo com a Lei volum?trica de Gay-Lussac, reagentes e produtos gasosos apresentam uma propor??o entre seus volumes, quando medidos nas mesmas condi??es  de temperatura e press?o. Essa propor??o pode ser obtida a partir dos coeficientesque acertam a eq O volume dos gases reagentes ? proporcional a 13,5 mols ( 1 C₈H₁₈ + 12,5 O₂) enquanto que o volume dos gases produzidos ? proporcional a 17 mols (8 CO₂ + 9 H₂O). Ocorre uma varia??o de 3,5 mols, o que corresponde a um aumento de 26 %.

3) O principal fator respons?vel pelo movimento do pist?o ? a varia??o do volume devida ao aumento de temperatura. Isso se justifica pela compara??o entre as duas contribui??es analisadas (400 %  e 26 %).

 

Para saber um pouco mais a respeito dos motores de combust?o interna:

Apostila de motor de combust?o interna - http://www.ebah.com.br/content/ABAAABq1sAL/apostila-motor-combustao-interna-ciclo-otto

Introdu??o aos motores de combust?o interna - http://pt.scribd.com/doc/13183029/Introducao-Ao-Motores-de-Combustao-Interna

M?quinas t?rmicas - http://mecanica.scire.coppe.ufrj.br/util/b2evolution/media/silvio/apmotoresMCI05_01.pdf

O professor pode solicitar ao aluno um trabalho relacionado ? quest?o de seguran?a quanto ao descarte de embalagens "vazias" de desodorantes e outros sprays. Como ? feita em sua pr?pria resid?ncia? Assista a alguns v?deos na internet e relate os achados.

Solicitar aos alunos a confec??o de gr?ficos: como se comporta a densidade em transforma??es isob?ricas, isot?rmicas, isovolum?tricas?