Dependendo do seu trabalho ou de outros aspectos do seu estilo de vida, você pode ocasional ou regularmente trabalhar com cilindros pressurizados contendo um ou mais tipos de gás. "Gás", neste contexto, não é abreviação de "gasolina", mas, em vez disso, refere-se a qualquer substância em um estado gasoso, em oposição a sólido ou líquido. Um exemplo popular é o propano combustível de hidrocarboneto.
Ocasionalmente, pode ser necessário calcular o peso do gás dentro do cilindro. Uma maneira grosseira de fazer isso seria pesar o cilindro que contém o gás em questão, descarregar todo o gás e pesar o cilindro novamente; a diferença nos valores seria a massa do gás, assumindo que nenhum ar poderia fluir para o recipiente e adicionar massa que prejudicaria o cálculo. Isso, no entanto, seria um desperdício óbvio de recursos químicos.
Existe uma maneira melhor? Na verdade, e isso lhe ensina um pouco de física e química na barganha.
O Cilindro de Gás Padrão
O objetivo de armazenar gases comprimidos em cilindros e outros recipientes é simples: permite que mais de uma substância seja transportada e armazenada em um local físico menor volume do que seria necessário se o gás em questão pudesse se distribuir naturalmente, como fazem as moléculas de gás e outras partículas que compõem o ar na atmosfera ao redor vocês.
Isso, infelizmente, acarreta uma compensação: a compressão de gases (ou seja, a redução de seu volume) acarreta um aumento proporcional na pressão, assumindo que todas as outras variáveis, como temperatura, são mantidas constante. Isso é explorado com mais detalhes em uma seção posterior.
Os cilindros de gás, portanto, têm pressões internas mais altas do que a pressão atmosférica, que é de 14,7 libras por polegada quadrada (psi) na superfície da Terra. As substâncias que eles contêm devem ter pontos de ebulição abaixo de 20 graus Celsius (68 graus Fahrenheit) a fim de serem considerados gases, caso contrário permaneceriam sólidos acima da "temperatura ambiente" ou tão.
A Lei do Gás Ideal
A lei do gás ideal afirma que:
PV = nRT
Onde P é a pressão, V é o volume, n é o número de mols de gás presente, R é uma constante e T é a temperatura em Kelvin (K). Em uma situação em que T e n são constantes, mas P e V pode mudar, como quando uma válvula é aberta em um cilindro contendo gás, isso significa que o produto de P e V é uma constante em todo o processo. Em símbolos:
P1V1 = P2V2
Calculando o Volume de Gás Comprimido
Digamos que você tenha um cilindro de nitrogênio armazenado em temperatura normal (20 C) e pressão (14,7 psi) rotulado com um volume de 29,5 L e uma pressão interna de 2.200 psi. Qual é o volume "natural" do gás nitrogênio?
Se o gás fosse liberado, ele se dispersaria por todo o meio ambiente e sua pressão se tornaria igual à pressão atmosférica. Você pode, portanto, usar a relação derivada acima, onde P1 = 2.200 psi, V1 = 29,5 L e P2 = 14,7 psi para encontrar V2:
(2.200) (29,5) / (14,7) = V2 = 4.415 L
Calculando a massa do gás: a massa do cilindro é necessária?
Para calcular a massa desse volume de gás, você precisa saber sua densidade em condições normais. Para esta informação, consulte uma página como a dos recursos.
Nitrogênio (N2) tem uma massa molecular de 28,0 g / mol e uma densidade de 1,17 kg / m3 = 1,17 g / L a 20 C. Como a densidade é a massa dividida pelo volume, a massa é igual ao volume vezes a densidade; nesse caso:
(4,415 L) (1,17 g / L) = 5,165 g = 5,165 kg
- Isso é cerca de 11,5 libras de nitrogênio (1 kg = 2,204 libras).
E, como você pode ver, a resposta à pergunta sobre a massa do cilindro é não! Tudo que você precisa é algum conhecimento prático de química e um pouco de perseverança.
