Como calcular o volume de ar

Imagine que você é um mergulhador e precisa calcular a capacidade de ar do seu tanque. Ou imagine que você inflou um balão até um certo tamanho e está se perguntando como é a pressão dentro do balão. Ou suponha que você esteja comparando os tempos de cozimento de um forno comum e de uma torradeira. Por onde você começa?

Todas essas questões têm a ver com o volume de ar e a relação entre pressão do ar, temperatura e volume. E sim, eles estão relacionados! Felizmente, existem várias leis científicas já elaboradas para lidar com essas relações. Você só precisa aprender como aplicá-los. Chamamos essas leis de Leis do Gás.

A Lei de Boyle define a relação entre um volume de gás e sua pressão. Pense no seguinte: se você pegar uma caixa cheia de ar e pressioná-la até a metade do tamanho, as moléculas de ar terão menos espaço para se mover e se chocarão muito mais. Essas colisões de moléculas de ar umas com as outras e com as laterais do recipiente são o que cria a pressão do ar.

A Lei de Boyle não leva a temperatura em consideração, então aa temperatura deve ser constantepara usá-lo.

​Lei de Boyleafirma que, a uma temperatura constante, o volume de uma determinada massa (ou quantidade) de gás varia inversamente com a pressão.

Na forma de equação, isso é:

onde P₁ e V₁ são o volume e pressão iniciais e P₂ e V₂ são o novo volume e pressão.

​Exemplo: Suponha que você esteja projetando um tanque de mergulho onde a pressão do ar é de 3.000 psi (libras por polegada quadrada) e o volume (ou a "capacidade") do tanque é de 70 pés cúbicos. Se você decidir que prefere fazer um tanque com uma pressão maior de 3500 psi, qual seria o volume do tanque, supondo que você o encha com a mesma quantidade de ar e mantenha a mesma temperatura?

Conecte os valores fornecidos à Lei de Boyle:

Simplifique e, em seguida, isole a variável de um lado da equação e resolva para V₂:

Portanto, a segunda versão do seu tanque de mergulho teria 18 metros cúbicos.

E a relação entre volume e temperatura? As temperaturas mais altas aceleram as moléculas, colidindo cada vez mais com as laterais do recipiente e empurrando-o para fora. A Lei de Charles fornece a matemática para essa situação.

​Lei de Charlesafirma que a uma pressão constante, o volume de uma dada massa (quantidade) de gás é diretamente proporcional à sua temperatura (absoluta).

Ou:

Para a Lei de Charles, a pressão deve ser mantida constante e a temperatura deve ser medida em Kelvin.

Agora, e se você tiver pressão, temperatura e volume juntos no mesmo problema? Também existe uma regra para isso. OLei do Gás Combinadopega as informações da Lei de Boyle e da Lei de Charles e as mescla para definir outro aspecto da relação pressão-temperatura-volume.

OLei do Gás Combinadoafirma que o volume de uma determinada quantidade de gás é proporcional à razão de sua temperatura Kelvin e sua pressão. Isso parece complicado, mas dê uma olhada na equação:

Novamente, a temperatura deve ser medida em Kelvin.

Uma equação final que relaciona essas propriedades de um gás é aLei do Gás Ideal. A lei é dada pela seguinte equação:

onde P = pressão, V = volume, n = número de moles, R é oconstante de gás universal, que é igual a 0,0821 L-atm / mol-K, e T é a temperatura em Kelvin. A fim de obter todas as unidades corretas, você precisará converter paraUnidades SI, as unidades de medida padrão dentro da comunidade científica. Para o volume, são litros; para pressão, atm; e para temperatura, Kelvin (n, o número de moles, já está em unidades do SI).

Essa lei é chamada de lei dos gases "Ideais" porque pressupõe que os cálculos tratam de gases que seguem as regras. Sob condições extremas, como calor ou frio extremo, alguns gases podem agir de forma diferente do Gás Ideal A lei sugeriria, mas em geral é seguro presumir que seus cálculos usando a lei serão correto.

Agora você conhece várias maneiras de calcular o volume de ar em várias circunstâncias.