Gases (Física): Definição, Propriedades e Exemplos

O ar que respiramos e percorremos diariamente, o hélio em nossos balões de aniversário e o metano usado para aquecimento doméstico são exemplos comuns de gases. O gás é um dos três principais estados da matéria, junto com os sólidos e os líquidos.

Os estados da matéria diferem de acordo com o quão compactadas as partículas estão - uma consequência de quanta energia cinética elas possuem - o que resulta em características distintas.

Em seu estado sólido, a matéria é o mais compactado. As moléculas em um sólido são mantidas juntas por ligações atômicas e atrações. Como resultado, eles vibram no lugar em vez de fluir livremente. Os sólidos têm formas e volumes definidos e não são facilmente comprimidos; isto é, eles mantêm sua forma razoavelmente bem.

Em seu estado líquido, a matéria é menos compactada do que em um sólido, graças a ligações inter-moleculares mais fracas. Quando na presença de um campo gravitacional, um líquido tomará a forma de seu recipiente; na ausência de gravidade, ele assume formas esféricas.

Em seu estado gasoso, a matéria experimenta interações fracas consigo mesma. As partículas podem se mover livremente. Como resultado, os gases assumem a forma e o volume de qualquer recipiente em que estejam. Abra o forno depois de assar um bolo, e o gás que estava dentro se espalhará por toda a casa para que o bolo possa ser sentido em todos os cômodos.

O mais novo estado da matéria conhecido pelos físicos é o plasma, uma condição na qual os próprios átomos que constituem a matéria estão se decompondo. O plasma ocorre apenas em temperaturas e pressões extremas, como aquelas encontradas no centro do sol. Como os elétrons são retirados dos átomos nessas condições, um plasma acaba sendo uma mistura de elétrons livres, os íons carregados positivamente restantes e os átomos neutros. Em termos de comportamento, um plasma atua como um gás, mas por causa das cargas envolvidas, ele também tem propriedades eletromagnéticas.

A matéria pode mudar de um estado para outro dependendo das condições de pressão e temperatura. Essa transformação é conhecida como um mudança de fase. Por exemplo, água sólida na forma de gelo, quando aquecida até seu ponto de ebulição, derrete-se em água líquida, que por sua vez evapora em vapor d'água com ainda mais calor adicionado.

O oposto da evaporação é a condensação. Quando um gás se condensa, ele se torna um líquido.

Um sólido pode fazer a transição diretamente para um estado gasoso da matéria, submetendo-se sublimação. A sublimação acontece quando um sólido está em uma pressão particular abaixo de seu ponto triplo em um diagrama de fase. Por exemplo, gelo seco (dióxido de carbono sólido) sublima quando aquecido em uma atmosfera, ao contrário do gelo "normal" (água) que simplesmente derrete em líquido quando aquecido em uma atmosfera.

A descrição física formal de um gás é uma substância que não tem um volume definido (também chamado de volume fixo) ou uma forma definida. Em vez disso, um gás assumirá a forma de seu recipiente porque as moléculas de gás podem se mover livremente umas pelas outras.

Um famoso problema hipotético criado pelo eminente físico de partículas Enrico Fermi ajuda a ilustrar isso. Fermi pediu a seus alunos para aproximarem quantas moléculas do último suspiro de César um ser humano pode esperar encontrar com cada uma de suas inalações. Assumindo que o último suspiro do imperador romano foi distribuído uniformemente ao redor do globo até agora (e não foi reabsorvido pelo oceano ou plantas), os cálculos mostram que os seres vivos de hoje respiram cerca de uma molécula de seu último suspiro com cada um de deles.

Embora um líquido também possa assumir a forma de seu recipiente, um líquido não muda de volume sem ajuda. Mas um gás sempre se espalhará para encher seu recipiente e, inversamente, ele pode ser comprimido em um recipiente menor.

Uma medida importante para descrever um gás é pressão. A pressão de um gás é a força por unidade de área que o gás exerce em seu recipiente. Mais pressão leva a mais força e vice-versa.

Por exemplo, um pneu de bicicleta bombeado até uma alta pressão parece desgastado e duro por fora. Um pneu de baixa pressão, por outro lado, exerce menos força para fora e, como resultado, parece mais flexível e macio.

Outra característica fundamental de um gás é a sua temperatura. A temperatura de um gás é definida como uma medida da energia cinética média por molécula do gás. Como todas as moléculas vibram, todas têm alguma quantidade de energia cinética.

Tanto a pressão quanto a temperatura são necessárias para determinar se o estado da matéria é gasoso. Alguns materiais são gases apenas em altas temperaturas, enquanto outros são gases em baixas temperaturas ou à temperatura ambiente. Enquanto isso, alguns materiais são apenas gases em altas temperaturas e baixas pressões. Um diagrama de fase mostra o estado da matéria para uma dada substância em várias combinações de temperatura e pressão.

Gases abundam no mundo ao nosso redor. O dióxido de carbono, um gás de efeito estufa comum, é liberado durante a queima de combustível para abastecer muitas das atividades atuais da humanidade. Quando a água líquida evapora, ela se torna vapor ou vapor d'água - um processo que ocorre em fogões e em poças sob o sol.

A mistura de gases conhecida como ar - que é normalmente 78 por cento de nitrogênio, 21 por cento de oxigênio e 1 por cento outros gases - envolve todas as criaturas terrestres e troca com seus corpos através do sistema respiratório sistema. Ao respirar, muitos animais extraem oxigênio do ar e eliminam o dióxido de carbono de seus corpos, enquanto muitas plantas fazem o oposto, absorvendo dióxido de carbono e liberando oxigênio.

Para ajudar a explicar melhor o comportamento dos gases, os físicos gostam de aproximar como os gases se comportariam se fossem feitos de muitos partículas pontuais movendo-se em linhas retas e não experimentando forças intermoleculares - em outras palavras, sem interagir com uma outro.

Claro, nenhum gás é realmente ideal, mas considerando como um gás seria De acordo com essa descrição, os físicos são capazes de combinar várias leis simples sobre propriedades gasosas em uma só: a lei dos gases ideais.

• A lei do gás ideal é PV = nRT, Onde P é pressão, V é o volume, n é o número de mols do gás, R é a constante do gás e T é a temperatura.

Especificamente, a lei dos gases ideais é derivada de quatro leis dos gases mais simples que mostram partes das relações na lei dos gases combinados. Eles são:

• Lei de Boyle: a pressão de um gás é inversamente proporcional ao seu volume a uma temperatura e quantidade de gás constantes.
• Lei de Charles: O volume e a temperatura de um gás são proporcionais quando a pressão é mantida constante.
• Lei de Avogadro: O volume de um gás é proporcional à quantidade de gás quando a pressão e a temperatura são constantes.
• Lei de Amonton: a pressão e a temperatura de um gás são proporcionais, desde que a quantidade e o volume do gás sejam mantidos constantes.