O estado gasoso

A definição mais simples de um gás é o estado da matéria que ocupa o espaço que o contém. Entre os estados da matéria é o que altamente influenciado por três variaveis principais: a pressão, a temperatura e o volume e dada suas aplicações em físico-químico, mais precisamente na termodinâmica clássica e estatistica, é um dos estados que é descrito pelo que se denomina de função de estado. Em que define-se uma função de estado, como uma equação que relaciona uma ou várias variaveis independentes entre si, particularizando para os estados dos gases, podemos expressar em um primeiro momento a pressão como função da temperatura, volume e número do mols, que defiremos como a razão entre a massa do gás e sua massa molecular, desta teremos uma função de estado para um gás:

Uma vez que as variáveis pressão, temperatura, volume e número de mols, influenciam de forma intensa o estado gasoso, faz sentido dar-se uma breve explanação sobre essas variáveis. A pressão, ente proveniente da mecânica é definida como a força aplicada sobre uma determinada área, que pode ser expressa apartir da seguinte equação:

onde p = pressão, F = força aplicada e A = área em que a força é aplicada. 

A pressão no SI (Sistema Internacional) de Unidades é expressa em bar, porém outras unidades como a atmosfera, definida como a pressão a nível do mar, Pascal (Pa) e Torricelli (Torr) também são utilizados para a mensuração da pressão, sendo as mais utilizadas a exceção do bar por ser o SI para pressão, o Pascal e atomosfera. E cujas relações de conversão são dadas abaixo:

  1 bar  = 0,98  atom = 100 kPa

 1 Torr = 760 atm

A temperatura é definida como a propriedade que mede o fluxo de energia entre uma parede rígida condutora, que é denominada de parede diatérmica. Uma vez que o fluxo de energia, requer transporte de energia, e que o fluxo provém de uma região de maior temperatura (quente) para uma região de menor temperatura (frio), deva haver uma situação em que as trocas quando de energias são iguais, ou atinjam um equilibrio e tal situação é definida como equilíbrio térmico, e nessa situação, o calor aqui definido como o fluxo de energia associado a uma mudança de temperatura é constante. A temperatura é mensurada em diversas escalas em particular a escala SI para a temperatura é a escala Kelvin (K) embora escalas como a Celsius e a Fahrenheit sejam usada, esta última particularmente nos países de língua inglesa. A base da construção das escalas termométricas são os pontos de fusão e ebulição da água, que para a escala Celsius são 0ºC e 100ºC respectivamente.  A equação que define a conversão entre as escalas Celsius e Fahrenheit são:

Leis dos gases Ideais

estudos em que um par de variaveis eram analisados foram inicialmente feitos, dando origem aos que se denomina modernamente nos livros de química de transformações particulares. A primeira transformação particular é a transformação isotérmica, ao qual é realizada mantendo a temperatura constante, nos estudos propostos por xxx fora observado que  a pressão e a volume eram inversamente proporcionais, ou seja:

Ou seja, pressão altas são encontradas em volumes baixos, e o inverso ocorre pressão baixas são encontradas em volumes alto, isto é bem claro quando analisamos a isoterma do gás, um gráfico que é construído considerando a relação Pressão (p) e volume (V) de uma gás.

Na transformação isobárica é realizada mantendo a pressão constante e tendo variações do volume e temperatura, a análise matemática mostra que as relações entre volume e temperatura de um gás são diretamente proporcionais entre si. Esta afirmação é descrita matematicamente abaixo:

Na transformação isométrica é realizada mantendo o volume constante com variações na pressão e temperatura que demostram assim como na transformação isobárica uma relação de dependência linear com essas duas variáveis, ou seja:

Sendo que para as transformações isométricas e isovolumétricas, tem-se um comportamento linear das curvas VxT, para a isométrica e PxT para a isovolumétrica.

Tem-se ainda a relação de Avogadro, que estabele que o volume de um gás é proporcional a variação do número de mols, mantendo a pressão e  temperatura constantes, assim:

A razão V/n é de suma importância não só em estudo dos gases, mas em toda a físico-química e é conhecida como volume molar, .

A junção das equações que regem as transformações particulares e a relação de avogadro para um gás, gera a forma da equação de estado de um gás ideal, que é dado por:

Esta equações fora obtida inicialmente por meio de uma relação empírica e mostra a relação entre as quatr variáveis de um gás há vários caminhos para se chegar a essa equação sendo via teoria cinética dos gases, ou mais comumente via termonidâmica estatística, através da definição de pressão, ao qual não será demonstrada por estar fora do escopo deste artigo. A constante na R, na equação refere-se a constante dos gases ideias, cujos valores variam conforme as unidades em que pressão e volume se encontram sendo os mais comuns:

Com pressão em atm e volume em :

Com pressão em Pa e volume em :

Misturas Gasosas

A equação dos gases possui várias aplicações principalmente para o cálculo das variáveis do estado de um gás em  misturas gasosas. Uma mistura gasosa por definição é homogênea, porque pelo modelo do gás ideal as partículas do estado do gás não interagem entre si, ou seja não existem forças atrativas e repulsivas, o que não é bem verdade por que mesmo o gás há interações fracas dependendo da natureza do gás, um hidrocarboneto como o metano possui interações fracas de Van der Waals que não são consideradas no desenvolvimento da equação de estado do gás.

Equação dos estados dos gases ideais para misturas:

Onde o termo corresponde ao número de mols da mistura.

Para as misturas gasosas consideramos ainda outra variáveis as caracterizam como a fração molar , dado por:

e vem também que:

Pressão parcial que corresponde a pressão que cada gás ocupa individualmente na mistura, em relação a pressão total,  P:

  (Lei de Dalton das pressões parciais)