De acordo com a teoria molecular cinética, um gás consiste em um grande número de moléculas minúsculas, todas em movimento aleatório constante, colidindo umas com as outras e com o recipiente que as contém. A pressão é o resultado líquido da força dessas colisões contra a parede do recipiente, e a temperatura define a velocidade geral das moléculas. Vários experimentos científicos ilustram as relações entre temperatura, pressão e volume de gás.
Balão em nitrogênio líquido
O nitrogênio líquido é um gás liquefeito barato, disponível na maioria dos distribuidores de soldagem industrial; sua temperatura extremamente baixa permite demonstrar dramaticamente vários princípios da teoria molecular cinética. Embora seja relativamente seguro, trabalhar com ele requer o uso de luvas criogênicas e óculos de segurança. Obtenha alguns litros de nitrogênio líquido e um recipiente de isopor aberto, como uma caixa térmica para piquenique. Encha um balão de festa e amarre-o. Despeje o nitrogênio líquido no recipiente e coloque o balão em cima do líquido. Em alguns momentos, você verá o balão encolher perceptivelmente até esvaziar completamente. O frio extremo retarda as moléculas do gás, o que também reduz a pressão e o volume. Remova cuidadosamente o balão do recipiente e coloque-o no chão. À medida que aquece, ele se expandirá para seu tamanho anterior.
Pressão e volume com temperatura constante
Se você alterar o volume de um recipiente de gás lentamente, a pressão também muda, mas a temperatura se mantém estável. Para demonstrar isso, você precisa de uma seringa hermética marcada em mililitros e um manômetro. Primeiro, retire a seringa de forma que o pistão esteja em sua marca mais alta. Observe a leitura da pressão e o volume da seringa. Pressione o pistão da seringa em 1 mililitro e anote a pressão e o volume. Repita o processo algumas vezes. Ao multiplicar o volume pela pressão de cada leitura, você deve obter o mesmo resultado numérico. Este experimento ilustra a Lei de Boyle, que diz que quando a temperatura é constante, o produto da pressão e da temperatura também são constantes.
Compression Igniter
Um dispositivo de ignição por compressão é um dispositivo de demonstração que consiste em um pistão dentro de um cilindro transparente fechado. Se você colocar um pedaço de papel de seda no cilindro e aparafusar a tampa e, em seguida, bater na alça do pistão com a mão, a ação comprime rapidamente o ar interno. Isso produz uma condição chamada aquecimento adiabático: repentinamente confinado em um espaço menor, o ar se torna quente o suficiente para inflamar o papel.
Estimando Zero Absoluto
Um aparelho de volume constante consiste em um bulbo de metal com um manômetro acoplado. O bulbo contém ar a uma pressão de 14,7 PSI. Usando este dispositivo, você pode estimar a pressão quando a temperatura é zero absoluto. Para fazer isso, você precisará de três recipientes: um contendo água fervente, outro contendo água gelada e um terceiro contendo nitrogênio líquido. Mergulhe o bulbo de metal no banho de água quente e espere alguns minutos para que a temperatura se estabilize. Anote a pressão indicada no manômetro, junto com a temperatura em Kelvins - 373. Em seguida, coloque a lâmpada no banho de água gelada e observe novamente a pressão e a temperatura, 273 Kelvin. Repita com o nitrogênio líquido em 77 kelvins. Usando papel milimetrado, marque os pontos registrados, com pressão no eixo y e temperatura no eixo x. Você deve ser capaz de traçar uma linha razoavelmente reta através dos pontos que cruzam o eixo y, indicando a pressão quando a temperatura é zero Kelvin.