Baixe Projeto gases-ufpa e outras Manuais, Projetos, Pesquisas em PDF para Matemática, somente na Docsity! UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE ALTAMIRA CURSO DE LICENCIATURA PLENA EM MATEMÁTICA – MODALIDADE À DISTÂNCIA DISCIPLINA: INTRODUÇÃO AS CIÊNCIAS FÍSICAS JANETE DA LUZ CARVALHO RUAS LUIZ CARLOS SUK JOSÉ RENATO PREUSS VERÔNICA PREUSS PROJETO GASES Experimentos ALTAMIRA-PA 2010 UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARÁ CAMPUS UNIVERSITÁRIO DE ALTAMIRA CURSO DE LICENCIATURA PLENA EM MATEMÁTICA – MODALIDADE À DISTÂNCIA DISCIPLINA: INTRODUÇÃO AS CIÊNCIAS FÍSICAS JANETE DA LUZ CARVALHO RUAS LUIZ CARLOS SUK JOSÉ RENATO PREUSS VERÔNICA PREUSS PROJETO GASES Experimentos Trabalho apresentado a Disciplina Introdução às Ciências Físicas, como um dos pré-requisitos para a obtenção de avaliação, orientado pelo prof. Alceu da Anunciação. ALTAMIRA PA 2010 OBJETIVO Exemplificar a equação de Clapeyron definindo o volume de um gás sobre pressão constante e diferentes temperatura MATERIAIS  Uma garrafa de vidro com um litro de volume aproximadamente.  Duas bacias plásticas pequenas.  Uma garrafa térmica com água quente (+/- 100ºC), o suficiente para cobrir um terço da altura da garrafa.  Um pouco de cubos de gelo e água fria, o suficiente para cobrir um terço da altura da garrafa.  Um balão de festa ligeiramente inflado. MONTAGEM Colocar o gargalo da garrafa no balão ligeiramente inflado e em uma bacia colocar a água quente e na outra os cubos de gelo com água fria PROCEDIMENTOS 1º - Colocar a garrafa com o balão na água quente e observar que o balão aumentará seu volume, conseqüentemente ocorrerá o mesmo com a pressão interna, ou seja, com o aumento da temperatura a pressão do gás também aumentará. 2º - Colocar a garrafa com o balão na bacia com gelo e água fria. Pedir para o aluno observar o que ocorre; elaborar hipótese e fazer comparações com o caso anterior. EXPLICAÇÃO Quando colocamos a bexiga na boca da garrafa, confinamos um volume V de gás, uma massa M numa pressão o gás não vai sair do interior do volume formado pela bexiga e pela garrafa. A temperatura do ar é T. Vamos supor T = 20º C = 293 K. Quando colocamos a garrafa na água quente, o ar lá dentro vai querer aumentar o volume ou a pressão. Como a bexiga é de borracha, material maleável, o volume aumenta e a bexiga infla, não aumenta (significativamente) a pressão. Vamos considerar o processo completamente isobárico (ISO = igual e barico = pressão). Um processo a pressão constante. Neste caso vamos usar equação de Clayperon que nos dá fundamentos para determinarmos os volumes em cada caso, aqui mais especificamente a expansão do gás gerado pelo aumento de temperatura. Na equação de Clapeyron P V = n R T, onde, P =pressão V =volume n =quantidade de matéria R= constante universal de gases ideais T =temperatura Temos várias constantes nessa expressão: P, n, R. Então podemos escrever que: V nR T P   constante. Se isso é constante, é válido para antes e depois da experiência. Considerando Vi (volume inicial) e Vf= (volume final) e o mesmo para a notação da temperatura, Ti e Tf, temos: Vi Vf Ti Tf  Conhecemos Vi, Ti, Tf. (Vamos supor Tf como o ponto de ebulição da água. Como se colocássemos em água fervente e esperasse o ar esquentar dentro da garrafa) . Tf Vf Vi Ti        Como Tf Ti essa divisão tem quociente maior que 1. Multiplicando por Vi , tem-se um volume final maior que o inicial. Então o balão enche para poder dar lugar ao volume extra. Supondo que 0 020 100Ti C eTf C  , temos: 293 373 Ti K Tf K   Logo, 1.27 Tf Ti  . O que nos mostra que o volume aumenta em 27%. PROCEDIMENTO Através do aparato experimental mostrado podemos demonstrar alguns conceitos de física e desmistificar algumas afirmações errôneas que perduram até os tempos de hoje. Com a primeira montagem podemos demonstrar o consumo do comburente armazenado dentro do copo pela chama que se apaga com o seu fim. Podemos falar da reação de substituição que ocorre dentro do copo entre o O2 e o CO2. Com a segunda montagem podemos demonstrar em caráter demonstrativo se compararmos com a experiência 1 que com a queda de temperatura o gás existente dentro do copo contrai-se deixando a água do pires entrar. E a ultima experiência serve para demonstrar que o aquecimento do ar nas redondezas da vela é a responsável pela entrada da água dentro do copo e não a idéia errônea de que a água substitui o espaço do O2 consumido pela combustão. ROTEIRO Partindo do pré-suposto que os alunos já dominem o assunto, propomos a experiência dividindo a sala de aula em grupos de no máximo 4 pessoas. Instruções quanto à montagem são impressas e passadas aos alunos. Figura 3 - Montagem experimento 3 Após a montagem do experimento pelos alunos, algumas questões referentes ao o que acontece com o nível da água no pires e no copo; a chama da vela e a reação de combustão são realizadas. EXPLICAÇÃO Existem pelo menos três formas de se obter energia térmica: Combustão: transformação de energia química em energia térmica. Atrito: transformação de energia mecânica em energia térmica. Resistência elétrica: transformação de energia elétrica em energia térmica. Para que um material queime é necessária a presença de duas substâncias. Um combustível (Ex.: gasolina) e um comburente (Ex.: gás oxigênio). Para as substâncias reagirem é necessário que haja condições ambientais favoráveis. Uma das condições é a temperatura. Por isso é necessário uma fagulha de fogo para iniciar uma combustão, pois essa fagulha irá aumentar a temperatura de uma pequena parte das substâncias, possibilitando que haja uma reação química entre as substâncias combustível e comburente. Essa primeira reação química libera calor que aquece o resto da substância permitindo sua reação. Em termos bem simples, o que acontece dentro do copo é uma substituição de uma molécula de O2 por uma de CO2 o que fará com que o volume do gás permaneça constante. A vela aquece o ar das suas vizinhanças e o copo ao ser colocado sobre a vela vai armazenar uma certa quantidade de ar aquecido. Efetivamente, a vela durante a combustão vai transformando o oxigênio em gás carbônico e quando esse estoque de oxigênio está praticamente esgotado a combustão cessa e a vela deixa de fornecer calor para o gás no interior do copo. Assim a temperatura cai o gás contrai-se e a água penetra no copo. Essa é a razão da água subir no copo. Todavia, muitas vezes, a quantidade de água que entra no copo parece ocupar aproximadamente 20% do volume do copo. Essa é mais uma razão pela qual muitas pessoas justificam que o oxigênio desaparece sem que nada apareça em seu lugar. Para refutar essa hipótese é que colocamos a queima de duas velas. Neste caso a água sobe mais que os 20%. Por fim, para provar de maneira mais concludente ainda, que é o calor o responsável pelo fenômeno, foi proposta a queima da vela fora. No caso, o ar do copo, depois de aquecido é capaz de fazer com que a água suba no copo. EXPERIMENTO III INTRODUÇÃO O experimento consiste em promover a difusão de um odor agradável conhecido pelos alunos. OBJETIVO Exemplificar a difusão de gases MATERIAIS:  Um frasco com uma essência conhecida pelos alunos  Chumaço de algodão tampa plástica é identificada como a partícula de fumaça e as bolas representam as moléculas do gás. O aluno há de convir que o movimento da tampa (partícula de fumaça) é decorrente das colisões com as bolas (moléculas) muito menores. A tampa ziguezagueia ao redor devido aos impactos desiguais sobre seus lados. A observação do movimento caótico da tampa (ou disco plástico colorido) dá uma noção qualitativa e sensorial do modelo proposto pela Teoria Cinética dos Gases apesar da discrepância que existem entre essa última e o nosso modelo, a começar pelo fato deste ser bidimensional, dos choques não serem perfeitamente elásticos e do 'tamanho' das moléculas estar muito exagerado. EXPERIMENTO V: MOVIMENTO CAÓTICO DAS MOLÉCULAS DOS GASES O movimento browniano propicia uma das mais importantes evidências da validade da teoria cinética dos gases. A teoria assume que as moléculas invisíveis do gás, que causam o movimento irregular das partículas de fumaça, estão elas próprias, em movimento completamente irregular, um movimento caótico. Esse experimento - 2 explora mais a fundo a natureza do movimento molecular de um gás, conhecido como movimento randômico. Colocam-se 12 bolas de vidro (ou discos plásticos) no cercado e ajusta-se o MMH para uma velocidade média. Observe atentamente o ‘movimento molecular projetado na tela e descreva em detalhes o que está acontecendo. Suas observações deverão com certeza ser algo assim: Algumas moléculas estão se movendo mais rápidas que outras. As moléculas colidem entre si e com as paredes. Geralmente há um espaço relativamente grande entre elas, exceto por ocasião das colisões. Não há regularidade no movimento, pelo contrário, um louco e desordenado tipo de movimento — o movimento randômico. Para que você possa se concentrar no movimento de uma determinada bola, coloque entre as de vidro uma de aço de raio maior. Já que prestou bastante atenção, responda: a. A compressibilidade de um gás vem a favor de que idéia básica posta pela teoria cinética? b. Você pode sugerir alguma experiência bem simples para evidenciar a compressibilidade de um gás? Descreva-a: c. Que argumento você utilizaria para explicar, nos moldes da teoria cinética, o fato de que um gás ocupa todo o volume do recipiente que o contém? d. As moléculas de um gás movem-se aleatoriamente em todas as direções, resultando disso colisões entre si e com as paredes. Quando elas atingem as paredes do recipiente, elas exercem forças sobre a mesma. Que conceito deriva disso? EXPERIMENTO VI: PRESSÃO NOS GASES Sempre que uma molécula do gás atinge uma parede ela exerce um pequeno empurrão nessa região da parede. A força média total sobre uma dada área define a pressão do gás. Em um recipiente fechado, qualquer que seja sua forma, um gás exerce pressão igual em todos os pontos. Vamos enxergar isso com nosso MMH, onde o cercado vibrante representa as paredes do recipiente e seis (6) bolas de vidro simularão as moléculas. Ligamos o aparelho à uma velocidade média. Observe bem os acontecimentos; fixe sua atenção na sombra retangular sobre uma das paredes do cercado. a. Tente contar quantas colisões ocorre nessa região, em 30 segundos. A soma desses empurrões nessa área define a pressão que as bolas exercem nas paredes do cercado. b. Responda: O que impede um balão de borracha, cheio de ar, murchar? c. Vejamos outro procedimento para bem visualizar o efeito das colisões numa parede e a conseqüente pressão: Incline o MMH, girando-o pela aresta mais próxima da tela; coloque o bloco de madeira de uns 2 cm de altura sob a aresta levantada para calçá-la, de modo que MMH fique inclinado. Coloque 12 bolas de vidro no cercado; obviamente elas se concentrarão na parte mais baixa do plano inclinado. Coloque o 'pistão' que participa dos acessórios (uma simples barra plástica) aprisionando as esferas na região inferior do cercado. Ligue o aparelho e vá, gradualmente, aumentando a velocidade, até que o pistão se desloque para cima sob a ação dos impactos das bolas. Experimente vários ângulos de inclinação do MMH para obter aquele cujo efeito é o mais desejável. Pressão é definida como a razão da intensidade da força pela área (P = FIA). Embora as colisões de uma única molécula contra as paredes do recipiente sejam intermitentes, há tantas moléculas envolvidas no processo que o número médio de colisões mantém a pressão constante. Indicando-se por r e r' número de bolas pequenas e grandes que passam pela abertura da barra de difusão em um minuto e por m e m' as massas das bolas pequenas e grandes, encontra-se experimentalmente: EXPERIMENTO IX: EXPANSÃO LIVRE O cercado vibrante é dividido em dois 'compartimentos' ligados por um orifício. As bolas (ou discos) são colocados em um dos compartimentos. Aos poucos, decorrente da agitação, as bolas vão passando ao outro compartimento até que o sistema entre em equilíbrio térmico, quando então o número de bolas nos dois lados do cercado é essencialmente o mesmo. EXPERIMENTO X: LIVRE PERCURSO MÉDIO Pode-se verificar qualitativamente que o livre percurso médio (l) depende do número de 'moléculas' por unidade de volume (variando-se o número de bolas no cercado) e do diâmetro (d) da 'molécula' (variando-se o diâmetro das bolas). EXPERIMENTO XI: LEI DE BOYLE A lei de Boyle nos oferece uma relação quantitativa entre a pressão que o gás exerce e o volume que ele ocupa. E usualmente apresentada na forma Pressão x Volume = constante, ou, a pressão de um gás varia inversamente com seu volume, desde que a temperatura mantenha-se constante. Uma apresentação visual efetiva é possível com nosso MMH, para mostrar que efeito tem uma mudança de volume sobre as moléculas de um gás, quando a temperatura permanece constante. Entre os acessórios há uma barra de alumínio, parecida com aquela da difusão, porém sem o recorte central. Coloque essa barra, pelos encaixes, sobre as paredes opostas do cercado, dividindo-o em duas partes iguais. Coloque doze (12) bolas de vidro, todas de um mesmo lado da barreira. Desse mesmo lado da barreira, e encostado em uma das paredes do cercado, colocamos uma fita engomada de uns 2 cm, para referenciar uma área dessa parede (uma pedaço de fita isolante colado sobre o vidro, nessa região, resolve o problema). A sombra projetada na tela mostra isso perfeitamente. Ligue o aparelho a uma velocidade média. Após observara ação geral dos movimentos, conte quantos impactos ocorrem na região da sombra, em um minuto. Cada aluno da sala deve fazer sua própria contagem. Esse número de impactos traduz a pressão média naquela parede, naquela temperatura e com aquele volume limitado (metade do total). Feito isso, retire rapidamente a barreira, interferindo o mínimo possível no sistema (é bom treinar isso até antes de colocar as bolas!). Retirada a barreira faça novamente a contagem do número de impacto naquela mesma região da sombra projetada, agora com novo volume (o dobro do anterior!) e na mesma temperatura (não mexemos na velocidade de vibração). Compare as duas contagens para concluir a relação entre as pressões e os volumes. AVALIAÇÃO A avaliação ocorrerá durante a realização dos experimentos através de: levantamento de hipóteses, anotação e comparação de resultados.