Planejativo

Cinética dos gases, Energia interna e Trabalho de um gás

Luz e Câmara de orifício

Espelhos planos

Espelhos esféricos

Determinação analítica da imagem

Refração

Dioptro plano, Ângulo limite e Reflexão total

Prismas

Lentes esféricas

Construção analítica das imagens e Estudo dos sinais

Vergência e Óptica da Visão

Instrumentos ópticos

Ondulatória: Visão geral e Equação fundamental

Fenômenos ondulatórios

Ondas estacionárias em cordas e tubos sonoros

Acústica, fenômenos sonoros e instrumentos musicais

Efeito doppler

Temperatura, Calor e Energia térmica

Dilatação térmica

Calor sensível

Calor latente e Mudança de fase

Diagramas de fase

Propagação do calor

Estudo do gás ideal

Primeira lei da termodinâmica

Ciclos, Máquinas térmicas e Rendimento

Ciclo de Carnot e a Segunda lei da termodinâmica

Princípios da óptica geométrica

Escalas termométricas

Alguns pontos-chave dessa matéria para o ENEM que devem ser levados em conta ao estudarmos são:

Vamos falar hoje sobre a teoria cinética dos gases. Essa teoria nos permite entender como as características macroscópicas dos gases, como pressão, volume e temperatura, se relacionam com o movimento de seus átomos e moléculas. É como se pudéssemos observar os movimentos frenéticos dessas partículas microscópicas para entender o comportamento geral do gás.

Então, quem foram os grandes nomes por trás dessa teoria? Dois físicos incríveis chamados Boltzmann e Maxwell. Eles nos ajudaram a entender como os gases funcionam de uma maneira bem fundamental.

Vamos começar lembrando que gases ideais são compostos de átomos e moléculas que se movem de acordo com regras definidas pela cinemática. Imagine os gases como um monte de partículas correndo para lá e para cá sem parar. As partículas de um gás costumam estar bem afastadas uma das outras, com muito espaço vazio entre elas. E a interação principal entre as partículas acontece quando elas batem umas nas outras.

Talvez vocês se lembrem da Lei dos Gases Ideais. Essa lei estabelece a relação entre pressão, volume, temperatura e número de mols (uma medida do número de partículas). Essa lei nos dá uma forma simplificada de entender os gases, ao nos permitir conectar o comportamento das partículas individuais do gás com essas propriedades macroscópicas que podemos medir facilmente.

A teoria cinética dos gases é baseada em quatro postulados, ou suposições:

1 – Os gases são formados por moléculas que se movem de maneira desordenada e constante. Cada molécula pode ter velocidade diferente das demais.

2 – Cada molécula do gás interage com as outras somente por meio de colisões. A única energia que as moléculas têm é a energia cinética, que vem do seu movimento.

3 – Todas as colisões entre as moléculas e as paredes do recipiente que contém o gás são perfeitamente elásticas. Isso significa que a energia cinética total do gás é conservada, embora a velocidade de cada molécula possa mudar.

4 – As moléculas do gás são muito, muito pequenas. Na verdade, a maior parte do volume ocupado por um gás é apenas espaço vazio.

Agora, Boltzmann e Maxwell usaram esses postulados para nos mostrar que a energia cinética média das moléculas de um gás ideal é proporcional à temperatura. Eles chegaram à seguinte equação:

Nessa equação, E_c é a energia cinética média, T é a temperatura, e k é a constante de Boltzmann. Essa constante pode ser calculada a partir da constante dos gases, R, e do número de Avogadro, NA, com a seguinte equação:

Isso mostra que a temperatura é proporcional à energia cinética média das moléculas do gás. Então, quando a temperatura de um gás aumenta, isso significa que suas moléculas estão se movendo mais rapidamente em média. E se usarmos o número de mols em nossa análise, chegamos a:

Vamos dar uma olhada no conceito de energia interna de um sistema. Vocês sabem o que é isso? Bom, pense em todas as pequenas partículas que compõem um sistema - elas têm vários tipos de energia. Quando somamos todas essas energias, chamamos isso de "Energia Interna".

E quais são esses tipos de energia? Temos a energia cinética de agitação, que é a energia do movimento dessas partículas. Temos a energia potencial de agregação, que é a energia devido à posição das partículas no sistema. Também consideramos a energia de ligação, que é a energia necessária para manter as partículas unidas, e a energia nuclear, que é a energia armazenada no núcleo dos átomos.

Agora, nem todas essas energias são térmicas, mas quando adicionamos energia térmica a um corpo, isso provoca uma mudança na energia interna desse corpo. Isso é fundamental para os princípios da termodinâmica.

Vamos agora considerar um sistema onde a energia interna está mudando e que este sistema é um gás perfeito. Nesse caso, a energia interna será basicamente a energia de translação das partículas - ou seja, a energia do movimento dessas partículas. Podemos calcular isso usando a Lei de Joule, que se expressa assim:

U: é a energia interna do gás; n: é o número de mols do gás; R: é a constante universal dos gases perfeitos; T: é a temperatura absoluta, que é sempre medida em Kelvin.

Agora, o que acontece se a temperatura muda? Bem, como o número de mols 'n' e a constante dos gases 'R' são constantes para uma certa quantidade de gás, a variação da energia interna vai depender da variação da temperatura absoluta do gás. Isso significa que:

Agora, se vocês se lembrarem da equação de Clapeyron, poderemos compará-la com a equação que descrevemos na Lei de Joule e assim obteremos:

Imagine um gás de massa 'm' preso em um cilindro com uma área de base 'A'. Este cilindro tem um êmbolo que pode se mover para cima e para baixo.

Agora, vamos fornecer uma quantidade de calor 'Q' a este sistema. O que acontece? O gás vai se expandir! Isso acontece porque a pressão é constante - e isso é garantido pela Lei de Gay-Lussac. Devido à expansão, o êmbolo vai se deslocar para cima.

Agora, pensem nos sistemas mecânicos. O trabalho é dado pelo produto da força aplicada no êmbolo pelo deslocamento do êmbolo no cilindro.

O mesmo vale para o nosso sistema de gás: o trabalho realizado é dado pelo produto da pressão e a mudança no volume do gás.