2ª série em laboratório física

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Física

EM2 Laboratório

Tema 4: Lei de Boyle O experimento trabalhado neste tema está relacionado ao conteúdo “Comportamento dos gases”, apresentado na coleção Bernoulli EM2 – Módulo A6. O estudo das transformações gasosas em escala macroscópica permite compreender, por exemplo, os motores de combustão interna de automóveis. Neste experimento é feito um estudo – analítico e gráfico – do comportamento das variáveis de estado em uma transformação isotérmica.

•

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Objetivos

Verificar experimentalmente a lei de Boyle.

• Construir e linearizar gráficos.

Materiais NecessárioS • Barômetro

• Régua milimetrada

• Termômetro

• Tubo capilar contendo ar confinado por coluna de mercúrio

Experimento: Volume e pressão em um gás confinado Procedimento

1. Meça a temperatura ambiente: t = _______ °C

2. Meça o diâmetro interno do tubo capilar: d = _______ mm

3. Meça a pressão atmosférica local (ou consulte com seu(sua) professor(a) qual é esta pressão). p0 = _______ cmHg

4. Mantendo o tubo capilar na posição vertical, meça a altura da coluna de ar, h, e a altura da coluna de mercúrio, H. Anote esses valores no local apropriado da tabela a seguir.

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Observação: Atenção para as unidades. Ângulo θ do tubo com a vertical (°)

Altura vertical da coluna de mercúrio, H (cm)

Pressão sobre a coluna de ar, p(cmHg)

Pressão sobre a coluna de ar, p(N/m2)

Altura da coluna de ar, h(m)

1 (m–1) h

0 45 90 135 180

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Tema 4

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5. Cuidadosamente, incline o tubo de um ângulo θ = 45° e meça a nova altura da coluna de ar. Anote esse resultado no local apropriado da tabela anterior.

6. Repita o procedimento 5 para os demais valores de θ constantes na tabela. Em seguida, devolva o tubo ao(à) monitor(a).

Observação: Seja cuidadoso(a) no manuseio do tubo para evitar a queda de mercúrio. Não faça movimentos bruscos com o tubo. Caso caia mercúrio na bancada ou em outro local, chame imediatamente o(a) professor(a) ou o(a) monitor(a).

7. Para cada valor do ângulo θ, determine, em cm, a componente vertical da coluna de mercúrio, H. anote os resultados no local apropriado da tabela acima.

8. Determine, em cmHg, a pressão sobre a coluna de ar para as várias posições ocupadas pelo tubo. Anote os resultados no local apropriado da tabela acima.

9. Preencha as demais colunas da tabela acima.

Observação: Use a relação 76 cmHg = 1,013 . 105 N/m2.

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10. Construa, no papel milimetrado a seguir, um gráfico da pressão do gás (em N/m2) em função da altura da coluna de ar (em m).

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11. No papel milimetrado a seguir, linearize o gráfico do procedimento 10 e determine a sua inclinação.

12. No primeiro gráfico, qual é o nome da curva obtida? A que transformação gasosa ela está associada? Qual é a relação entre a pressão do ar confinado e seu volume?

Para verificar a consistência dos resultados, são realizados os seguintes procedimentos:

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13. Determine a área interna de uma seção transversal do tubo. Com essa área, a temperatura ambiente e a inclinação obtida no procedimento 11, determine o número de mols da amostra gasosa confinada no tubo.

Dado: R = 8,314 J/mol.K.

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14. A partir do número de mols, determine o volume de ar confinado no tubo. Com base nesse resultado e na área interna do tubo, determine a altura calculada da coluna de ar.

Sugestão: considere, aproximadamente, que o ar confinado esteja nas CNTP.

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15. O resultado do procedimento 14 é razoável? Cite as principais fontes de erro nesse experimento.

Sistematização do conhecimento 1. No filme Homens de honra (Men of Honor), o mergulhador da marinha Carl Brashear (Cuba Gooding Jr.) é questionado por seu instrutor Leslie Sunday (Robert De Niro) sobre seus conhecimentos a respeito da Lei de Boyle. Mais tarde, Carl descobre que, devido a esta Lei, ele deveria submergir inspirando ar (ou soprando) e emergir expirando. Pelos seus conhecimentos, explique como a Lei de Boyle justifica o uso dessa técnica para evitar complicações clínicas.

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Tema 4

Questões Sugeridas 01.

(Faap-SP) Um recipiente que resiste até a pressão 3,0 . 105 Pa contém gás perfeito sob pressão 1,0 . 105 Pa e temperatura 27 °C. Desprezando a dilatação térmica do recipiente, calcule a temperatura máxima que o gás pode atingir.

02. (UECE) O gráfico P(atm) × V(litros) a seguir corresponde a uma isoterma de um gás ideal.

P

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10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

t = 0º C

0,5

1,0

1,5

2,0

V

Sabendo-se que a densidade do gás é μ = 2 kg/m³ a 4 atm, a massa gasosa é A) 1 g

03.

B) 10 g

C) 100 g

D) 0,5 kg

(ITA) Uma bolha de ar de volume 20 mm3, aderente à parede de um tanque de água a 70 cm de profundidade, solta-se e

começa a subir. Supondo que a tensão superficial da bolha é desprezível e que a pressão atmosférica é 1 atm, logo que alcança a superfície, seu volume é aproximadamente A) 19,2 mm3 B) 20,1 mm3 C) 20,4 mm3 D) 21,4 mm3 E) 34,1 mm3

04.

(Unifesp) Um estudante contou ao seu professor de Física que colocou uma garrafa PET vazia, fechada, no freezer de sua

casa. Depois de algum tempo abriu o freezer e verificou que a garrafa estava amassada. Na primeira versão do estudante,

o volume teria se reduzido apenas 10% do volume inicial; em uma segunda versão, a redução do volume teria sido bem maior, de 50%. Para avaliar a veracidade dessa história, o professor aplicou à situação descrita a lei geral dos gases perfeitos, fazendo as seguintes hipóteses que admitiu verdadeiras:

– a garrafa foi bem fechada, à temperatura ambiente de 27 °C, e não houve vazamento de ar.

– a temperatura no freezer era de –18 °C.

– houve tempo suficiente para o equilíbrio térmico.

– a pressão interna do freezer tem de ser menor que a pressão ambiente (pressão atmosférica).

Assim, o professor pôde concluir que o estudante

A) falou a verdade na primeira versão, pois só essa redução do volume é compatível com a condição de que a pressão interna do freezer seja menor do que a pressão atmosférica.

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B) falou a verdade na segunda versão, pois só essa redução do volume é compatível com a condição de que a pressão interna do freezer seja menor do que a pressão atmosférica.

C) mentiu nas duas versões, pois ambas implicariam uma pressão interna do freezer maior do que a pressão ambiente.

D) mentiu nas duas versões, pois é impossível a diminuição de volume da garrafa, qualquer que seja a pressão interna do freezer e a pressão ambiente.

E) mentiu nas duas versões, pois nessas condições a garrafa teria estufado ou até mesmo explodido, tendo em vista que a pressão interna do freezer é muito menos do que a pressão ambiente.

05.

(Fuvest-SP) Um cilindro metálico, fechado com tampa, contém 6,0 mol de ar à pressão de 4,0 atm e à temperatura ambiente.

Abre-se a tampa do cilindro. Depois de seu conteúdo ter entrado em equilíbrio termodinâmico com o ambiente, qual é o número de mols que permanecerão no cilindro? (A pressão atmosférica é 1,0 atm e o ar é admitido como sendo gás ideal.)

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