• Aprofundar o conhecimento da Teoria cinético-molecular dos gases
• Entender o efeito da temperatura sobre a densidade dos gases
• Noções de segurança no manuseio de recipientes contendo gás
• Conhecer o princípio de funcionamento dos balões de ar quente
• Introdução ao estudo de motores de combustão

• Densidade
• Massa molar
• Leis físicas dos gases (Boyle, Charles e Gay-Lussac)
• Equação de estado dos gases

O professor pode começar questionando se a temperatura pode afetar a densidade de um corpo. Proponha aos alunos uma situação: dois balões de aniversário cheios de ar, com volumes aproximadamente iguais. Um balão é colocado na geladeira e o outro em uma bacia contendo água aquecida. Acontece alguma coisa? Considerando o conhecimento dos alunos em relação à temperatura e estados físicos (estados de agregação da matéria), estabelecer um paralelo com as partículas que compõem o ar e como serão afetadas pela temperatura.

Lembrar aos alunos que a densidade depende da massa e do volume por ela ocupado. A temperatura não interfere na massa do corpo, mas pode interferir no volume, alterando os espaçamentos entre as partículas. Assim, criamos um caminho para entender como a temperatura pode interferir na densidade.

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

Prática: colocar um balão de aniversário, tamanho pequeno, na ponta de um tubo de ensaio, contendo apenas ar. Colocar o conjunto em um béquer e despejar água quente, quase fervendo. Observar o que acontece com o balão: à medida que o ar vai esquentando, o balão começa a inflar e vai se levantando. Se esperarmos o sistema resfriar, veremos que o balão volta a ficar murcho e cai.

Foto 1 (esq.): Montagem contendo balão acoplado a um tubo de ensaio, à temperatura ambiente (25 ºC).

Foto 2 (dir.): Sistema aquecido por imersão do tubo de ensaio em água quente (74 ºC) . Repare a elevação do balão devido à expansão do ar quente.

Questões:

•  De que maneira o aumento da temperatura provocou o resultado observado? Discutir com os alunos a relação temperatura x energia cinética das partículas. O aumento da temperatura corresponde a um aumento da energia cinética média das partículas. Isso leva a um aumento no número de colisões das partículas com as paredes do recipiente. No caso do balão, como é de natureza flexível, suas paredes se expandem provocando seu enchimento com o ar aquecido. O resultado final é um aumento do volume agora ocupado pelo ar atmosférico (mistura de gases), inicialmente existente dentro do tubo de ensaio.
• Qual a relação que existe entre temperatura e densidade, direta ou inversa? Discutir com os alunos o efeito do aumento da temperatura: aumento do volume, diminuição da densidade, portanto uma relação inversa.

No caso dos gases, podemos relacionar as equações d = m/V com a equação de estado dos gases perfeitos PV = nRT. Substituindo n = m/M e reorganizando os termos, obtemos d = PM/RT. A fórmula nos comprova a relação inversa entre densidade e temperatura: quanto maior a temperatura, maior o espaçamento entre as partículas na fase gasosa, maior o volume ocupado pela mesma massa, logo, menor a densidade.

E o que acontece quando aquecemos um gás presente em um recipiente de paredes rígidas? Mostrar aos alunos que o aumento das colisões, nesse caso, se traduzirá em aumento de pressão, já que a expansão não é possível. É o que acontece quando aquecemos uma lata de spray (desodorantes, repelentes, desodorizantes de ar): o aquecimento pode provocar a explosão desses recipientes.

2ª atividade: Agora os alunos estarão preparados para discutir e entender melhor algumas aplicações práticas desse comportamento: os balões e a expansão nos motores de combustão interna.

Os três vídeos abordam o mesmo tema: o efeito da temperatura sobre o volume, e consequentemente sobre a densidade, dos gases. O primeiro vídeo pode ser usado até para abordar a questão histórica do uso de balões com ar aquecido. Remetendo às experiências de Jacques Charles, mostrar aos alunos uma aplicação do conhecimento gerado em laboratório.

O segundo vídeo mostra uma experiência caseira e  os alunos podem ser incentivados a realizá-la em casa.

O terceiro vídeo mostra o funcionamento de um motor de combustão, e o aluno pode ser chamado a observar a importância da expansão dos gases em uma das etapas do processo. Como as próximas aulas retornarão a esse assunto de combustão, é um bom momento para iniciarmos o entendimento do processo.

Vídeos

Faça um voo de balão (2:18): http://www.youtube.com/watch?v=hwH3NHZ-e8s

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

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

Questão: é comum em algumas regiões o lançamento de balões caseiros, apesar de ser crime (Lei° 9.605 de 12 de dezembro de 1998). Essa brincadeira pode trazer sérias consequências para muitas famílias, podendo cair em residências, indústrias, florestas, provocando queimaduras e incêndios. Promova a conscientização do risco de se soltar balões contendo chamas. Discuta com os alunos outras alternativas para conseguir o aquecimento do ar dentro dos balões. Será possível outras fontes de calor? Ouça as propostas dos alunos e discuta a viabilidade delas.

3ª atividade: Comparando os efeitos da produção de gases e da temperatura sobre o funcionamento de um motor de combustão interna.

Resolução de exercício

(UFMG/1998) Os automóveis são movidos pela combustão da gasolina, uma mistura de hidrocarbonetos. Essa reação ocorre dentro de um cilindro cujo volume varia em função do movimento de um pistão. A reação da gasolina com oxigênio forma gás carbônico e água, conforme representado na equação abaixo. Essa reação libera energia suficiente para aquecer os gases de cerca de 300 K a 1500 K. Na equação, a gasolina é representada, simplificadamente, por C₈H₁₈.

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

1) CALCULE a variação percentual do volume dos gases, sob pressão constante, causada exclusivamente pelo aumento da temperatura. Deixe seus cálculos registrados, de modo a explicitar seu raciocínio.

2) CALCULE a variação percentual do volume dos gases, sob pressão e temperatura constantes, causada exclusivamente pela reação. Deixe seus cálculos registrados, de modo a explicitar seu raciocínio.

3) RESPONDA qual dos dois efeitos é o principal fator responsável pelo movimento do pistão: variação do volume devida à reação ou variação do volume devida ao aumento de temperatura. JUSTIFIQUE sua resposta.

 Resolução:

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 é diretamente proporcional à temperatura absoluta (Lei de Charles para transformações isobáricas), o aumento de volume provocado pela elevação da temperatura é, também, de 400 %.

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

3) O principal fator responsável pelo movimento do pistão é a variação do volume devida ao aumento de temperatura. Isso se justifica pela comparação entre as duas contribuições analisadas (400 %  e 26 %).

Para saber um pouco mais a respeito dos motores de combustão interna:

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

Introdução aos motores de combustão interna - http://pt.scribd.com/doc/13183029/Introducao-Ao-Motores-de-Combustao-Interna

Máquinas térmicas - http://mecanica.scire.coppe.ufrj.br/util/b2evolution/media/silvio/apmotoresMCI05_01.pdf

O professor pode solicitar ao aluno um trabalho relacionado à questão de segurança quanto ao descarte de embalagens "vazias" de desodorantes e outros sprays. Como é feita em sua própria residência? Assista a alguns vídeos na internet e relate os achados.

Solicitar aos alunos a confecção de gráficos: como se comporta a densidade em transformações isobáricas, isotérmicas, isovolumétricas?