• Compreender os conceitos de pressão, temperatura e volume em um gás ideal; • Conhecer as relações existentes entre a variável pressão, temperatura e volume nas leis de Boyle-Mariotte, Gay-Lussac e Charles.

Uma aula de 50 minutos

Conhecimento sobre gases ideais

 Estrutura da Aula

 Introdução/Motivação (20 minutos)

     Para motivar a turma para este aprendizado, o professor pode começar a aula perguntando: como as grandezas pressão, temperatura e volume estão relacionados em um recipiente contendo uma quantidade de gás? O professor pode melhorar esta pergunta, focando nas seguintes questões:

•   Quando elevamos a temperatura de um recipiente contendo um gás, qual o efeito sobre a pressão do recipiente?
•   Observando o volume do recipiente com gás, o que acontece com este volume quando elevamos a temperatura do sistema?
•   Elevando a pressão da caixa com o gás, o que deve acontecer com o volume deste recipiente? O volume deve aumentar ou diminuir?

Para que os estudantes possam compreender o problema que estão tentando resolver, devemos primeiramente, desenvolver juntamente com eles os conceitos de pressão, temperatura e volume.

Desenvolvimento do Conceito de Pressão, Temperatura e Volume (15 minutos)

Pressão:

Entre os conceitos pressão, temperatura e volume, o conceito de pressão é o menos intuitivo e o que requer uma definição mais precisa, para não causar interpretações erradas. Dividindo a turma em grupos de 4 alunos (considerando uma turma de 40 alunos), no laboratório de informática, colocaremos cada grupo para acessar o link abaixo.
 

 

Acesse a simulação clicando na figura.

Neste exemplo, temos uma simulação computacional que consiste em uma caixa com moléculas se chocando contra suas paredes. Nesta simulação, podemos mostrar a eles que os choques das moléculas, contra as paredes do recipiente, representam a pressão exercida pelo gás. Em linguagem matemática, podemos definir a pressão, como a força exercida pelo gás dividido pela área do recipiente:

Neste momento, o professor deve fazer a seguinte pergunta aos seus estudantes:

•   Qual a relação da equação força sobre área com a pressão atmosférica que sentimos?

O professor pode comentar com seus alunos, que a pressão atmosférica também obede ce um mod elo como este. Neste caso, a força em quest&atil de;o é a força de uma coluna de ar que se forma sobre nossas cabeças e a área é a área onde nós estamos. Isso explica o fato de que quando estamos no litoral, onde existem mais partículas sobre nós, a pressão também será maior, se comparado a uma região mais alta.

Temperatura:

Para alunos neste nível de aprendizado, podemos definir a temperatura de um gás, como a medida da agitação das moléculas contidas no recipiente. Esta medida de agitação, quando transportada para o mundo macroscópico apresenta-nos a noção de frio ou quente. Se dissermos que uma porção de um líquido está fria ou quente, em relação a outros materiais, isso significa que as moléculas deste líquido estão em um estado de extrema ou baixa agitação.

Relações entre pressão, temperatura e volume (15 minutos)

Lei de Boyle-Mariotte, relação entre pressão e volume:

Essa lei foi enunciada independentemente por Robert Boyle e Edme Mariotte. A lei de Boyle-Mariotte, diz que para um recipiente com gás à temperatura constante, o produto do volume deste gás pela sua pressão é constante. Desta forma, a pressão e o volume deste gás são inversamente proporcionais, quando um aumenta o outro diminui.

Lei de Gay-Lussac, relação entre volume e temperatura:

Em um recipiente contendo um gás a pressão constante, ou seja, com volume variável o volume deste gás e sua temperatura são diretamente proporcionais. Quando elevamos a temperatura do gás s eu volume também aumenta. A lei de Gay-Lussac pode ser expressa na linguagem matemática como

A constante desta relação pode ser encontrada através do gráfico do volume em função da temperatura, que nos dá uma reta onde a tangente do ângulo de inclinação será o termo constante desta equação.

Lei de Charles, relação entre pressão e temperatura:

Uma última relação que temos entre estas três grandezas que descrevem o estado de um gás é dada pela lei de Charles. Dado um gás a volume fixo, dentro de uma caixa lacrada, a lei de Ch arles estabelece que ne sta condição quando aumentamos ou diminuímos a temperatura do recipiente a pressão interna deste sistema também deve aumentar ou diminuir. O comportamento da dependência da temperatura em relação à pressão também é similar, quando aumentamos ou diminuímos a pressão do gás, sua temperatura também deve aumentar ou diminuir. Este comportamento pode ser expresso em termos da seguinte equação matemática

Para que os estudantes possam visualizar como ocorre esta relação entre pressão e temperatura na lei de Charles, vamos apresentar a eles a seguinte simulação:colocar

Acesse a simulação clicando na figura.

Nesta simulação, os estudantes poderão ver como em uma transformação isométrica a pressão está relacionada com a temperatura. Se aumentarmos a temperatura da caixa com as partículas, sua pressão deve aumentar e se a diminuirmos a pressão também deve diminuir como prevê a lei de Charles.

• Instrumentação para o Ensino: http://br.geocities.com/saladefisica3/laboratorio/pressaogas/pressaogas.htm Nesta simulação vemos de forma ilustrativa o conceito de pressão. • Sala de Física: http://br.geocities.com/saladefisica3/laboratorio/isometrica/isometrica.htm Nesta simulação vemos como a pressão e temperatura, estão relacionadas na lei de Charles.

Para avaliar o aprendizado dos estudantes, vamos propor a eles que respondam uma avaliação escrita com questões relacionadas à aula. Algumas sugestões estão listadas abaixo: • Considere um gás onde seu estado é determinado pela pressão, temperatura e volume. Em um processo isotérmico, isobárico e isométrico, quais quantidades podem ser alteradas entre pressão, temperatura e volume? Quais leis podem ser extraídas em cada caso? • Nas leis de Boyle-Maryotte, Gay-Lussac e Charles, quais as relações de dependência que existem nas variáveis utilizadas nestas leis? Classifique estas dependências como diretamente ou inversamente proporcionais e exemplifique.