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Gases ideais

Física do A-Level · Tópico 15

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13:48

Gases Ideais

Segure um único copo de água. Parece simples o suficiente. Mas dentro dele estão mais moléculas do que você poderia contar nunca. Uma mola de água — apenas dezoito gramas, um…

Narração em inglês · Legendas em inglês + 中文 gravadas

15.1

O mol

Programa
  1. compreender que quantidade de matéria é uma grandeza base SI com a unidade base mol
  2. usar quantidades molares onde um mol de qualquer substância é a quantidade contendo um número de partículas dessa substância igual à constante de Avogadro $N_{\text{A}}$

Fonte: Programa Cambridge International

Quantidade de matéria 物质的量 é uma grandeza fundamental do SI. Sua unidade é o mol 摩尔 (mol) — uma das sete unidades fundamentais do SI, junto com o quilograma, metro, segundo, ampere e kelvin 开尔文 do Tópico 1.

Um mol contém o número de Avogadro de partículas
Um mol contém o número de Avogadro de partículas

Um mol de qualquer substância tem um número de partículas igual à constante de Avogadro 阿伏伽德罗常量:

$$N_{\text{A}} = 6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}.$$

Uma "partícula" significa o que você estiver contando — átomos 原子 para um elemento monoatômico 单原子 como hélio, moléculas 分子 para $\text{O}_{2}$ ou $\text{H}_{2}\text{O}$. Sempre diga o que você está contando.

Para $n$ mols, o número de partículas é $N = n N_{\text{A}}$.

A massa molar 摩尔质量 $M_{\text{m}}$ é a massa de um mol ($\text{kg mol}^{-1}$ ou $\text{g mol}^{-1}$). A massa de $n$ mols é $M = n M_{\text{m}}$. A massa de uma partícula é $m_{0} = M_{\text{m}} / N_{\text{A}}$.

A formulação do examinador. A constante de Avogadro é o número de átomos (ou moléculas) em um mol de uma substância — uma marca; adicionar "em $0.012\ \text{kg}$ de carbono-12" é aceito, mas não necessário. Perguntado sobre "a relação entre $N_{\text{A}}$, $R$ e $k$", escreva $k = R/N_{\text{A}}$ (ou $R = N_{\text{A}}k$).

Exemplo resolvido. Oxigênio tem massa molar de $32\ \text{g mol}^{-1}$. Encontre a massa de uma molécula de oxigênio e o número de moléculas em $8.0\ \text{g}$ de oxigênio.

$m_{0} = \dfrac{M_{\text{m}}}{N_{\text{A}}} = \dfrac{0.032}{6.02 \times 10^{23}} = 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. $8.0\ \text{g}$ é $n = 8.0/32 = 0.25\ \text{mol}$, logo $N = nN_{\text{A}} = 1.5 \times 10^{23}$ moléculas. Mantenha as massas molares em $\text{kg mol}^{-1}$ quando a resposta estiver em quilogramas — o fator de $1000$ é o erro usual.

Explorar

Laboratório de contagem de partículas de mol

partículas = n x constante de Avogadro

Altere a quantidade de matéria e observe o número de partículas escalar diretamente.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
mole/məʊl/ 摩尔 mó ěr
amount of substance/əˈmaʊnt ɒv ˈsʌbstəns/ 物质的量 wù zhì dì liàng
kelvin/ˈkelvɪn/ 开尔文 kāi ěr wén
Avogadro constant/ˌævəˈɡædrəʊ ˈkɒnstənt/ 阿伏伽德罗常量 ā fú gā dé luó cháng liàng
atom/ˈætəm/ 原子 yuán zi
monatomic/ˌmɒnəˈtɒmɪk/ 单原子 dān yuán zi
15.2

Equação de estado de um gás ideal

Programa
  1. compreender que um gás que obedece a $pV \propto T$, onde $T$ é a temperatura termodinâmica, é conhecido como gás ideal
  2. lembre-se e use a equation of state para um gás ideal expressa como $pV = nRT$, onde $n =$ quantidade de substância (número de moles) e como $pV = NkT$, onde $N =$ número de moléculas
  3. recordar que a constante de Boltzmann $k$ é dada por $k = R/N_{\text{A}}$

Fonte: Programa Cambridge International

Linhas de cilindros de gás comprimido
Cilindros de gás comprimido armazenam uma massa fixa de gás em alta pressão.

Um gás ideal 理想气体 obedece exatamente a $pV \propto T$, onde $T$ é a temperatura termodinâmica 热力学温度.

A equação de estado 状态方程 pode ser escrita de duas maneiras iguais:

$$p V = n R T \qquad\text{or}\qquad p V = N k T.$$

Aqui:

  • $p$ — pressão 压强 (Pa).
  • $V$ — volume 体积 (m³).
  • $T$ — temperatura termodinâmica em kelvin (nunca °C).
  • $n$ — número de mols; $N$ — número de moléculas.
  • $R$ — constante gasosa molar 摩尔气体常量, $R = 8.31\ \text{J mol}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.
  • $k$ — constante de Boltzmann 玻尔兹曼常量, $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J K}^{-1}$.

Como $N = n N_{\text{A}}$, obtemos $k = R/N_{\text{A}}$: $k$ é a constante do gás por molécula, assim como $R$ é por mol.

A definição de duas marcas. Um gás ideal é aquele que obedece a $pV = nRT$ (ou $pV \propto T$, com $T$ sendo a temperatura termodinâmica) em todos os valores de pressão, volume e temperatura. Ambas as marcas exigem a equação (ou a proporcionalidade com $T$ nomeada como termodinâmica) e "em todos os valores" ou "para todos os $p$, $V$ e $T$". Pedido para "declarar o significado de cada símbolo em $pV = NkT$": $p$ é a pressão, $V$ o volume, $N$ o número de moléculas, $k$ a constante de Boltzmann e $T$ a temperatura termodinâmica — um gás real é quase ideal em baixa pressão e alta temperatura, onde suas moléculas estão distantes.

Usando a equação de estado

Liste as variáveis que você tem, encontre a desconhecida e escolha a forma que corresponda ao seu "quantidade" (mols → $nRT$; moléculas → $NkT$). Sempre use unidades SI: Pa, m³, K.

Exemplo resolvido. Um cilindro de volume $0.020\ \text{m}^{3}$ contém gás a $27\ ^{\circ}\text{C}$ e uma pressão de $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Quantos mols de gás existem? ($R = 8.31\ \text{J mol}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.)

Converta para kelvin: $T = 27 + 273 = 300\ \text{K}$. Então a partir de $pV = nRT$,

$$n = \frac{pV}{RT} = \frac{(2.0 \times 10^{5})(0.020)}{8.31 \times 300} \approx 1.6\ \text{mol}.$$

Se uma quantidade fixa de gás muda do estado 1 para o estado 2:

$$\frac{p_{1} V_{1}}{T_{1}} = \frac{p_{2} V_{2}}{T_{2}}.$$

Exemplo resolvido. Uma massa fixa de gás a $300\ \text{K}$ ocupa $0.50\ \text{m}^{3}$. É aquecida até $450\ \text{K}$ a pressão constante. Encontre o novo volume.

A pressão constante $V/T$ é constante, logo

$$V_{2} = V_{1}\,\frac{T_{2}}{T_{1}} = 0.50 \times \frac{450}{300} = 0.75\ \text{m}^{3}.$$

Exemplo resolvido. Um vaso selado de volume $0.0500\ \text{m}^{3}$ contém $0.0424\ \text{kg}$ de um gás ideal a $227\ ^{\circ}\text{C}$ e $1.37 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Encontre a quantidade de gás, a massa de uma molécula e a velocidade quadrática média de suas moléculas.

$T = 227 + 273 = 500\ \text{K}$. $n = \dfrac{pV}{RT} = \dfrac{1.37 \times 10^{5} \times 0.0500}{8.31 \times 500} = 1.65\ \text{mol}$. A massa molar é $0.0424/1.65 = 0.0257\ \text{kg mol}^{-1}$, logo uma molécula tem massa $0.0257/(6.02 \times 10^{23}) = 4.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. De $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, $\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3kT}{m} = \dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 500}{4.27 \times 10^{-26}} = 4.8 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$ (uma velocidade r.m.s. de cerca de $700\ \text{m s}^{-1}$).

Exemplo resolvido. Cilindro X (volume $0.0260\ \text{m}^{3}$, $0.740\ \text{mol}$) e cilindro Y (volume $0.0180\ \text{m}^{3}$, $0.320\ \text{mol}$) contêm gás ideal e estão em equilíbrio térmico entre si a $290\ \text{K}$. Encontre a pressão em cada um e explique o que acontece com o número de moléculas em cada cilindro se uma torneira que os une for aberta.

$p_{\text{X}} = \dfrac{nRT}{V} = \dfrac{0.740 \times 8.31 \times 290}{0.0260} = 6.86 \times 10^{4}\ \text{Pa}$ e $p_{\text{Y}} = \dfrac{0.320 \times 8.31 \times 290}{0.0180} = 4.28 \times 10^{4}\ \text{Pa}$. O gás flui da pressão mais alta (X) para a mais baixa (Y) até que as pressões sejam iguais; a temperatura permanece inalterada, logo a pressão final é $p = \dfrac{(n_{\text{X}} + n_{\text{Y}})RT}{V_{\text{X}} + V_{\text{Y}}} = 5.8 \times 10^{4}\ \text{Pa}$, e X termina com $n_{\text{X}} = pV_{\text{X}}/RT = 0.63\ \text{mol}$ — ele perde cerca de $0.11\ \text{mol}$ para Y.

Um diagrama de pressão-volume de um ciclo: estado X a pressão 2p e volume V, resfriado a volume constante até Y a pressão p, aquecido a pressão constante até Z a volume 2V, depois comprimido de volta a X; as temperaturas em X, Y e Z são T, T/2 e T
Um ciclo em um diagrama $p$–$V$: uma linha vertical é volume constante, uma linha horizontal é pressão constante, e $pV/T$ é o mesmo em todos os estados

Exemplo resolvido. Uma quantidade fixa de gás ideal a temperatura $T$ está no estado X, com pressão $2p$ e volume $V$. É resfriado a volume constante até o estado Y, onde sua pressão é $p$; depois aquecido a pressão constante até o estado Z, onde seu volume é $2V$; depois retornado a X. Encontre as temperaturas em Y e Z e descreva como a energia interna muda ao redor do ciclo.

X para Y é a volume constante, logo $p/T$ é constante: dobrar a pressão reduz pela metade a temperatura, $T_{\text{Y}} = T/2$. Y para Z é a pressão constante, logo $V/T$ é constante: dobrar o volume dobra a temperatura, $T_{\text{Z}} = T$. A energia interna de um gás ideal depende apenas da temperatura, logo cai de X para Y (por $\tfrac{3}{2}nR \cdot T/2$), sobe pela mesma quantidade de Y para Z, e permanece inalterada de Z de volta a X. Leia cada segmento no diagrama antes de escrever uma equação: vertical significa $V$ constante, horizontal significa $p$ constante.

Casos especiais:

  • temperatura constante (Lei de Boyle 玻意耳定律): $p_{1} V_{1} = p_{2} V_{2}$.
  • pressão constante (Lei de Charles 查理定律): $V / T = \text{constant}$.
  • volume constante (lei da pressão dos gases 气体压强定律): $p / T = \text{constant}$.

Um erro comum é usar °C em vez de K — $pV \propto T$ só vale com $T$ em kelvin.

Duas curvas de pressão-volume: a temperatura constante, pV é constante, então cada gráfico é uma hipérbole; uma temperatura mais alta resulta em uma curva mais distante da origem
Lei de Boyle: a temperatura constante $pV$ é constante, então um gráfico de $p$–$V$ é uma hipérbole
Um gráfico do volume de um gás contra a temperatura em graus Celsius à pressão constante: uma linha reta que passa pelos pontos medidos, estendida para trás como uma linha tracejada até encontrar o volume zero em aproximadamente
À pressão constante, o volume de um gás aumenta linearmente com a temperatura, atingindo zero no zero absoluto (Lei de Charles)
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O gás ideal (Boyle)

p = k / V

A temperatura constante p ∝ 1/V — comprima o volume e a pressão aumenta.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
volume/ˈvɒljuːm/ 体积 tǐ jī
molar gas constant/ˈməʊlə ɡæs ˈkɒnstənt/ 摩尔气体常量 mó ěr qì tǐ cháng liàng
Boltzmann constant/ˈbɒltsmən ˈkɒnstənt/ 玻尔兹曼常量 bō ěr zī màn cháng liàng
mean-square speed/miːn skweə spiːd/ 均方速率 jūn fāng sù lǜ
internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ 内能 nèi néng
Boyle's law/bɔɪlz lɔː/ 玻意耳定律 bō yì ěr dìng lǜ
Charles's law/ˈtʃɑːlzɪz lɔː/ 查理定律 chá lǐ dìng lǜ
pressure law/ˈpreʃə lɔː/ 气体压强定律 qì tǐ yā qiáng dìng lǜ
kinetic theory/kɪˈnetɪk ˈθɪəri/ 分子动理论 fèn zǐ dòng lǐ lùn
random motion/ˈrændəm ˈməʊʃn/ 无规则运动 wú guī zé yùn dòng
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15.3

Teoria cinética dos gases

Programa
  1. enunciar as premissas básicas da teoria cinética dos gases
  2. explicar como o movimento molecular causa a pressão exercida por um gás e deduzir e usar a relação $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$, onde $\langle c^2 \rangle$ é a velocidade quadrática média (um modelo simples considerando colisões unidimensionais e depois estendendo para três dimensões usando $\frac{1}{3}\langle c^2 \rangle = \langle c_x^2 \rangle$ é suficiente)
  3. compreender que a velocidade quadrática média $c_{\text{r.m.s.}}$ é dada por $\sqrt{\langle c^2 \rangle}$
  4. compare $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$ com $pV = NkT$ para deduzir que a average translational kinetic energy de uma molécula é $\frac{3}{2}kT$, e lembre-se e use esta expressão

Fonte: Programa Cambridge International

Teoria cinética: pressão de um gás
Um mergulhador de apneia subaquático
Um mergulhador de apneia respira gás comprimido; sua pressão, volume e temperatura estão todos interligados.

A teoria cinética 分子动理论 explica o comportamento macroscópico de um gás a partir do movimento aleatório 无规则运动 de suas moléculas.

Suposições

Para um gás ideal:

  1. um grande número de moléculas idênticas em movimento aleatório contínuo.
  2. o próprio volume das moléculas é muito pequeno para ser relevante em comparação com o do recipiente.
  3. o tempo de cada colisão é muito curto para ser relevante em comparação com o tempo entre colisões.
  4. forças intermoleculares 分子间 são ignoradas exceto durante as colisões (as moléculas se movem em linhas retas entre elas).
  5. colisões (com as paredes e entre si) são elásticas — uma colisão elástica 弹性碰撞 não perde energia cinética, então o gás não esfria por si só.
  6. as leis de Newton se aplicam.
Moléculas se movendo em linhas retas dentro de uma caixa, rotuladas com as suposições da teoria cinética: muitas moléculas idênticas em movimento aleatório, volume próprio desprezível, sem forças entre colisões e colisões elásticas
As principais suposições da teoria cinética de um gás ideal

Essas suposições tornam-se imprecisas a pressões muito altas (o volume molecular torna-se relevante) ou temperaturas muito baixas (forças intermoleculares tornam-se relevantes).

Conforme a prova pergunta. "Enuncie duas (ou três) suposições básicas da teoria cinética": escolha entre as moléculas estão em movimento aleatório contínuo; o volume das moléculas é desprezível em comparação com o volume do gás; não há forças entre as moléculas exceto durante as colisões; as colisões são perfeitamente elásticas; o tempo de uma colisão é desprezível em comparação com o tempo entre colisões. "O que significa uma colisão elástica": uma na qual a energia cinética total é conservada (além do momento). "Use as suposições para sugerir por que o gás na superfície de uma estrela, a uma pressão muito alta, não é ideal": as moléculas estão tão próximas que seu próprio volume não é desprezível em comparação com o volume do gás, e forças intermoleculares atuam entre elas — as duas suposições que falham quando um gás é comprimido.

Exemplo resolvido. Um balão contém $0.40\ \text{mol}$ de hidrogênio ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$ por molécula) em $9.8 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. Estime a separação média das moléculas, a força gravitacional entre moléculas vizinhas e comente sobre qual suposição da teoria cinética isso testa.

$N = 0.40 \times 6.02 \times 10^{23} = 2.4 \times 10^{23}$ moléculas, então cada uma ocupa $V/N = 4.1 \times 10^{-26}\ \text{m}^{3}$ e a separação média é $d = (V/N)^{1/3} = 3.4 \times 10^{-9}\ \text{m}$. A força gravitacional entre duas moléculas é $F = \dfrac{Gm^{2}}{d^{2}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times (3.34 \times 10^{-27})^{2}}{(3.4 \times 10^{-9})^{2}} = 6 \times 10^{-47}\ \text{N}$ — algumas $10^{20}$ vezes menor que o peso próprio de uma molécula ($mg = 3.3 \times 10^{-26}\ \text{N}$). As forças entre moléculas realmente são desprezíveis exceto durante as colisões, conforme a teoria assume.

Pressão de um gás — esboço da derivação

Considere uma caixa cúbica de lado $L$ com $N$ moléculas, cada uma de massa $m$. Observe uma molécula se movendo ao longo do eixo $x$ com velocidade $u_{1}$.

Um cubo de gás de lado  com uma molécula mostrada se movendo com um componente de velocidade  direcionado perpendicularmente a uma face
A derivação da pressão considera um componente de velocidade $u_x$ de uma única molécula normal a uma face de um cubo de gás
  • uma colisão com a parede direita: a velocidade inverte para $-u_{1}$, mudança no momento 动量 $\Delta p_{x} = -2 m u_{1}$. Pela terceira lei de Newton, a parede recebe um impulso 冲量 de $+2 m u_{1}$.
  • tempo entre hits nessa parede: percorre $2L$ ida e volta, então $\Delta t = 2L/u_{1}$.
  • força média desta molécula: $F_{1} = \Delta p / \Delta t = m u_{1}^{2} / L$.
  • somar sobre todas as moléculas: $F = (Nm/L)\langle u_{x}^{2} \rangle$, onde $\langle u_{x}^{2} \rangle$ é o quadrado médio 均方 da velocidade ⟨⟩-$x$.
  • pressão: $p = F/L^{2} = N m \langle u_{x}^{2} \rangle / V$.

Em 3-D, por simetria $\langle u_{x}^{2} \rangle = \tfrac{1}{3} \langle c^{2} \rangle$, onde $\langle c^{2} \rangle$ é a velocidade quadrática média 均方速率. Então

$$p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$

"Explique como o movimento molecular causa a pressão exercida por um gás (3 pontos)." As moléculas se movem aleatoriamente e colidem com as paredes do recipiente; em cada colisão, o momento de uma molécula muda (ela reflete), então pela segunda lei de Newton a parede exerce uma força sobre ela, e pela terceira lei ela exerce uma força igual na parede; os muitos colisões por segundo produzem uma força total estática na parede, e a pressão é essa força por unidade de área. A frase do programa "um modelo simples considerando colisões unidimensionais" refere-se à derivação acima: basta seguir uma molécula quicando entre duas faces opostas e depois fazer a média.

A forma da densidade. Já que $Nm$ é a massa total do gás e $Nm/V$ é sua densidade $\rho$, o mesmo resultado lê-se $p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ — a versão a usar quando uma questão fornece uma densidade em vez de $N$ e $m$.

Exemplo resolvido. Um gás ideal a uma pressão de $1.6 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ tem uma densidade de $1.9\ \text{kg m}^{-3}$. Mostre que a velocidade r.m.s. de suas moléculas é cerca de $500\ \text{m s}^{-1}$.

$\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3p}{\rho} = \dfrac{3 \times 1.6 \times 10^{5}}{1.9} = 2.53 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$, então $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{2.53 \times 10^{5}} = 503\ \text{m s}^{-1} \approx 500\ \text{m s}^{-1}$. Em um "mostre que", mantenha uma figura extra ($503$) antes de comparar com o valor dado.

Velocidade quadrática média

A raiz quadrada de $\langle c^{2} \rangle$ é a velocidade quadrática média 均方根 (r.m.s.):

$$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle c^{2} \rangle}.$$

É uma medida única útil de quão rápido as moléculas se movem, ligeiramente maior que a velocidade média (elevar ao quadrado pondera mais as moléculas rápidas).

Velocidade quadrática média construída em quatro passos: pegue as velocidades, eleve cada uma ao quadrado, tire a média dos quadrados, depois tire a raiz quadrada
Velocidade quadrática média: eleve cada velocidade ao quadrado, tire a média, depois a raiz quadrada
A distribuição de Maxwell-Boltzmann das velocidades moleculares: a uma temperatura mais baixa a curva é alta e estreita; a uma temperatura mais alta ela é mais larga e deslocada para velocidades maiores. A velocidade quadrática média está marcada
A dispersão das velocidades moleculares: uma temperatura mais alta alarga a curva e desloca-a para velocidades mais rápidas
Dois gráficos esquemáticos: quadrado médio da velocidade contra a temperatura termodinâmica é uma linha reta pela origem, mais íngreme para um gás mais leve; velocidade r.m.s. contra a temperatura é uma curva pela origem crescendo como a raiz quadrada de T
Os dois gráficos que a prova pede para esboçar: $\langle c^{2}\rangle \propto T$ é uma linha reta pela origem, então $c_{\text{r.m.s.}}$ cresce como $\sqrt{T}$
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Lei de Boyle

p ∝ 1/V

A temperatura constante, a pressão é inversamente proporcional ao volume — esprema o gás e a pressão aumenta.

Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
molecule/ˈmɒlɪkjuːl/ 分子 fèn zǐ
molar mass/ˈməʊlə mæs/ 摩尔质量 mó ěr zhì liàng
equation of state/ɪˈkweɪʒn ɒv steɪt/ 状态方程 zhuàng tài fāng chéng
ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/ 理想气体 lǐ xiǎng qì tǐ
pressure/ˈpreʃə/ 压强 yā qiáng
thermodynamic temperature/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪk ˈtemprɪtʃə/ 热力学温度 rè lì xué wēn dù
intermolecular/ˌɪntəməˈlekjʊlə/ 分子间 fèn zǐ jiān
elastic collision/ɪˈlæstɪk kəˈlɪʒn/ 弹性碰撞 tán xìng pèng zhuàng
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 动能 dòng néng
momentum/məʊˈmentəm/ 动量 dòng liàng
impulse/ˈɪmpʌls/ 冲量 chōng liàng
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15.3

Energia cinética translacional média

Compare as duas expressões para $pV$:

$$p V = N k T \quad\text{and}\quad p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$

Igual-as, cancele $N$ e multiplique por $\tfrac{3}{2}$:

$$\tfrac{3}{2} k T = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle.$$

O lado direito é a energia cinética translacional média 平动动能 $\langle E_{\text{k}} \rangle$ de uma molécula. Então

$$\langle E_{\text{k}} \rangle = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle = \tfrac{3}{2} k T.$$

Este é um resultado chave: a energia cinética translacional média de uma molécula de gás ideal depende apenas da temperatura termodinâmica, não do tipo de gás ou de sua pressão.

Uma linha reta pela origem de energia cinética média contra a temperatura, mostrando que a KE média é proporcional à temperatura termodinâmica
A energia cinética molecular média é proporcional à temperatura termodinâmica: $\langle E_k \rangle = \tfrac32 kT$

Exemplo resolvido. Encontre a velocidade r.m.s. de moléculas de oxigênio a $300\ \text{K}$. (Massa de uma molécula $\text{O}_{2}$ $= 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$, $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J K}^{-1}$.)

De $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, o quadrado médio da velocidade é $\langle c^{2}\rangle = 3kT/m$:

$$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\frac{3kT}{m}} = \sqrt{\frac{3 (1.38 \times 10^{-23})(300)}{5.3 \times 10^{-26}}} \approx 480\ \text{m s}^{-1}.$$

Exemplo resolvido. A superfície da Lua atinge cerca de $400\ \text{K}$ à luz do sol. Calcule a velocidade rms das moléculas de hidrogênio ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) a essa temperatura, e use a velocidade de escape da Lua de $2.4\ \text{km s}^{-1}$ para sugerir por que a Lua não tem atmosfera de hidrogênio.

$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\dfrac{3kT}{m}} = \sqrt{\dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 400}{3.34 \times 10^{-27}}} = 2.2 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}$. Esta velocidade r.m.s. está próxima da velocidade de fuga, e as velocidades estão amplamente dispersas em torno dela, então uma grande fração das moléculas se move mais rápido que $2.4\ \text{km s}^{-1}$ em qualquer momento e escapa; com o tempo, o hidrogênio é perdido.

Exemplo resolvido. O gás na superfície de uma estrela é principalmente átomos de hidrogênio ($m = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) com uma velocidade r.m.s. de $9300\ \text{m s}^{-1}$. Encontre a temperatura da superfície.

$T = \dfrac{m\langle c^{2}\rangle}{3k} = \dfrac{1.67 \times 10^{-27} \times 9300^{2}}{3 \times 1.38 \times 10^{-23}} = 3.5 \times 10^{3}\ \text{K}$.

Exemplo resolvido. Para uma amostra fixa de gás, um gráfico de $pV$ contra $kT$ é uma linha reta pela origem de inclinação $7.2 \times 10^{22}$. Quando $pV = 270\ \text{J}$ a velocidade r.m.s. das moléculas é $1900\ \text{m s}^{-1}$. Encontre o número de moléculas e a massa de uma molécula em u.

De $pV = NkT$ a inclinação é $N = 7.2 \times 10^{22}$. De $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$: $m = \dfrac{3pV}{N\langle c^{2}\rangle} = \dfrac{3 \times 270}{7.2 \times 10^{22} \times 1900^{2}} = 3.1 \times 10^{-27}\ \text{kg} = \dfrac{3.1 \times 10^{-27}}{1.66 \times 10^{-27}} = 1.9\ \text{u}$ — moléculas de hidrogênio, dentro do arredondamento.

Comparando gases e amostras. À mesma temperatura, todo gás tem a mesma energia cinética média por molécula, então $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$: hidrogênio ($M_{\text{m}} = 2$) e oxigênio ($M_{\text{m}} = 32$) têm $\dfrac{c_{\text{H}}}{c_{\text{O}}} = \sqrt{\dfrac{32}{2}} = 4$. Duas amostras à mesma $T$ — X com $N$ moléculas de massa $m$ em volume $V$, Y com $2N$ moléculas de massa $2m$ em volume $2V$ — têm a mesma pressão ($p = NkT/V$ e ambas $N$ e $V$ dobram), a mesma energia cinética média por molécula, mas as moléculas de Y têm metade da velocidade quadrática média ($3kT/2m$) e Y tem o dobro da energia interna (o dobro de moléculas).

Consequências

  • dobrar a temperatura absoluta dobra a KE média de cada molécula, então $\langle c^{2} \rangle$ dobra e $c_{\text{r.m.s.}}$ cresce em $\sqrt{2}$.
  • para dois gases à mesma temperatura, o gás mais leve tem um $\langle c^{2} \rangle$ maior. Moléculas de hidrogênio se movem mais rápido em média que moléculas de oxigênio na mesma sala.
  • KE translacional total de $N$ moléculas: $\tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T$.

Energia interna de um gás ideal

Para um gás ideal, as moléculas são partículas pontuais sem energia potencial intermolecular e (neste modelo simples) sem rotação ou vibração. Então a energia interna 内能 é apenas a energia cinética 动能 total:

$$U = \tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T.$$

Portanto, a energia interna de um gás ideal é proporcional à temperatura termodinâmica — dobrar $T$ dobra $U$.

Conforme a prova pede. "Use uma das premissas básicas para explicar o que pode ser deduzido sobre a energia potencial das moléculas": não há forças entre as moléculas (exceto em colisões), portanto não há energia potencial associada à sua separação — a energia de movimento aleatório é inteiramente cinética. "Explique por que a energia interna de um gás ideal é diretamente proporcional à temperatura termodinâmica" (2 pontos): a energia interna é a soma das energias cinéticas e potenciais das moléculas; a energia potencial é zero (não há forças intermoleculares), e a energia cinética média de uma molécula é $\tfrac{3}{2}kT$, proporcional a $T$; logo, o total, $U = \tfrac{3}{2}NkT$, é proporcional a $T$. "Derive $\tfrac{3}{2}kT$" (2 pontos): iguale $pV = NkT$ com $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$, cancele $N$ e reorganize para $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$ — mostre o cancelamento e o fator de $\tfrac{3}{2}$.

Exemplo resolvido. Uma amostra de $0.26\ \text{m}^{3}$ de um gás ideal está a $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ e $290\ \text{K}$. Encontre o número de moléculas, a energia cinética translacional média de uma molécula e a energia interna do gás.

$N = \dfrac{pV}{kT} = \dfrac{2.0 \times 10^{5} \times 0.26}{1.38 \times 10^{-23} \times 290} = 1.3 \times 10^{25}$. $\langle E_{\text{k}}\rangle = \tfrac{3}{2}kT = 1.5 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 290 = 6.0 \times 10^{-21}\ \text{J}$. $U = N\langle E_{\text{k}}\rangle = 1.3 \times 10^{25} \times 6.0 \times 10^{-21} = 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$ — ou diretamente $U = \tfrac{3}{2}pV = 7.8 \times 10^{4}\ \text{J}$, uma verificação elegante.

Alterando a pressão a temperatura constante

Dobrar $p$ a $T$ constante (espremendo o gás até metade do volume) não altera $\langle E_{\text{k}} \rangle$ — isso depende apenas de $T$. Há mais colisões na parede por segundo, mas cada molécula tem a mesma energia cinética média.

15.3

Definições aceitas pelo examinador

Uma questão de definição é avaliada contra wording fixo. Aprenda estas exatamente, e dê apenas uma resposta.

Termo Definição
mol a quantidade de matéria contendo um número de partículas igual à constante de Avogadro
constante de Avogadro o número de átomos ou moléculas em um mol de uma substância, $6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}$
gás ideal um gás que obedece a $pV = nRT$ (equivalente a $pV \propto T$, $T$ termodinâmico) em todos os valores de $p$, $V$ e $T$
constante de Boltzmann a constante dos gases por molécula, $k = R/N_{\text{A}}$
colisão elástica colisão em que a energia cinética total é conservada
velocidade quadrática média a média dos quadrados das velocidades das moléculas, $\langle c^{2}\rangle$
velocidade eficaz (root-mean-square) a raiz quadrada da velocidade quadrática média, $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle c^{2}\rangle}$
energia cinética translacional média de uma molécula $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, dependendo apenas da temperatura termodinâmica
energia interna de um gás ideal a energia cinética total de suas moléculas, $\tfrac{3}{2}NkT$, pois não há energia potencial
Vocabulário Treinar
Inglês Chinês Pinyin
mean square/miːn skweə/ 均方 jūn fāng
root-mean-square/ruːt miːn skweə/ 均方根 jūn fāng gēn
average translational kinetic energy/ˈævrɪdʒ trænˈsleɪʃənl kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 平动动能 píng dòng dòng néng
translational kinetic energy/trænˈsleɪʃənl kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 平动动能 píng dòng dòng néng
15.3

Dicas de prova

  • Use $pV = nRT$ ($n$ em mol) ou $pV = NkT$ ($N$ moléculas), com temperatura em kelvin e volume em $\text{m}^{3}$ ($1\ \text{cm}^{3} = 10^{-6}\ \text{m}^{3}$).
  • Memorize as premissas da teoria cinética palavra por palavra (movimento aleatório, volume molecular desprezível, sem forças intermoleculares exceto em colisões, colisões elásticas, tempo de colisão desprezível) e saiba quais duas falham em alta pressão.
  • Energia cinética translacional média $= \frac{3}{2}kT$ — ela depende apenas da temperatura; na mesma $T$, uma molécula mais leve é mais rápida, $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$.
  • Para um "mostre que" sobre pressão, apresente a cadeia: colisões com a parede, variação de momento linear, força (segunda e terceira leis de Newton), força por unidade de área.
  • $p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ quando uma densidade é dada; $U = \tfrac{3}{2}NkT = \tfrac{3}{2}pV$ quando se pede a energia interna.

Erros comuns

  • Usar °C em $pV = nRT$ ou em $\langle E_{\text{k}}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$. Converta primeiro; uma razão de temperaturas só funciona em kelvin.
  • Definir um gás ideal como "que obedece a $pV = nRT$" isoladamente. Adicione "em todos os valores de $p$, $V$ e $T$".
  • Confundir $n$ (moles) com $N$ (moléculas), ou $R$ com $k$. $N = nN_{\text{A}}$ e $k = R/N_{\text{A}}$.
  • Dar "as moléculas se movem aleatoriamente" como razão para a pressão. O ponto é atribuído à variação de momento linear na parede e à força resultante por unidade de área.
  • Desenhar $c_{\text{r.m.s.}}$ contra $T$ como uma linha reta. $\langle c^{2}\rangle$ é linear em $T$; $c_{\text{r.m.s.}}$ aumenta conforme $\sqrt{T}$.
  • Dizer que a energia cinética de uma molécula muda quando a pressão é dobrada a temperatura constante. Apenas o número de colisões por segundo muda.

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