O que é a lei dos gases ideais?

Rhett Allain

Você deveria se preocupar com os gases porque vive em um - o ar ao seu redor é um gás. Compreender como os gases se comportam também é útil ao lidar com coisas como airbags, balões de borracha, bombas de bicicleta e até mesmo esportes subaquáticos como mergulho. Mas vamos ser honestos. Você não está aqui para balões de festa ou bombas de bicicleta. Você provavelmente está aqui porque está em um curso introdutório de química, e a lei dos gases ideais é muito confusa, então você a pesquisou no Google.

(Ou talvez você esteja aqui apenas para diversão científica. Nesse caso, incrível.)

Então, qual é a lei dos gases ideais? A resposta super curta é que é uma relação entre pressão, volume, temperatura e número de partículas para um determinado gás. A equação fica assim:

Esses cinco termos são: pressão (P), volume (V), número de moles (n), uma constante (R) — com um valor de 8,3145 joules por kelvin-mol — e temperatura (T). Você não pode entender a lei dos gases ideais sem saber o que cada um desses termos descreve.

Há outra versão dessa equação que os físicos gostam:

Equipe WIRED

Brenda Stolyar

Will Knight

Medeia Jordânia

Existem duas diferenças nesta versão. Em vez de n para o número de moles, temos N para o número total de partículas de gás. Além disso, a constante R é substituída por k, a constante de Boltzmann, com um valor de 1,380649×10−23 joules por kelvin.

Vamos explicar cada um desses termos.

Imagine que o ar ao seu redor é feito de um monte de bolinhas. Essas bolas são tão pequenas que você não pode vê-las, mas elas se movem em todas as direções. Um gás é exatamente isso: ele é feito de muitas moléculas que viajam em diferentes velocidades e em diferentes direções. No caso do ar que você respira, essas moléculas são principalmente nitrogênio molecular (dois átomos de nitrogênio unidos), mas também há algum oxigênio molecular (dois átomos de oxigênio). Essas moléculas não são realmente bolas minúsculas, mas, para esse modelo, imaginar uma forma de bola será suficiente.

Se você colocar esse gás dentro de uma caixa, algumas dessas bolas colidirão com suas paredes. Aqui está um diagrama de uma dessas colisões:

Agora precisamos de um pouco de física. Suponha que você tenha um objeto em movimento, como uma bola de boliche. Se não houver uma força atuando sobre a bola, ela simplesmente continuará se movendo com velocidade e direção constantes. Então, se ele mudar de direção – como quando colide com uma parede – então deve haver uma força empurrando-o. Mas como as forças são sempre uma interação entre duas coisas, se a parede empurra a bola, então a bola também tem que empurrar a parede.

A mesma coisa acontece com objetos muito pequenos, como as moléculas de um gás. Cada vez que uma dessas pequenas bolas de gás colide com a parede do recipiente, ela exerce uma pequena força na parede.

Definimos pressão como a força por área. Como equação, fica assim:

Equipe WIRED

Brenda Stolyar

Will Knight

Medeia Jordânia

F é a força e A é a área. A força de uma única colisão depende tanto da velocidade da molécula quanto de sua massa. Pense desta forma: você pode jogar uma bola de golfe de massa baixa em uma velocidade muito alta ou pode rolar uma bola de boliche muito grande em uma velocidade lenta. É possível que a bola de golfe rápida tenha o mesmo impacto que a bola de boliche lenta se sua velocidade compensar sua massa menor.

A força total na parede de um recipiente contendo um gás dependerá da velocidade e da massa das moléculas, mas também de quantas delas colidem com a parede. Para um determinado intervalo de tempo, o número de colisões com a parede depende de duas coisas: a velocidade das moléculas e a área da parede. Moléculas em movimento mais rápido produzirão mais colisões. O mesmo acontecerá com uma área de parede maior. Para determinar a pressão na parede, você divide essa força de colisão pela área. Então, no final, a pressão de um gás depende apenas da massa e da velocidade das moléculas.

É fácil entender a ideia de pressão quando as moléculas de um gás estão colidindo com a parede de um recipiente. No entanto, é importante lembrar que essas moléculas ainda se movem – e ainda têm pressão – mesmo quando não estão contidas por nada. Na física, deixamos a pressão ser um atributo do gás, não de suas colisões com a parede.