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Tecnologias de Ensino e Aprendizagem
Um gás é chamado gás ideal ou perfeito quando sua pressão P, volume V e temperatura T obedecem à equação de Clapeyron
PV=NRT
onde N é o número de moles contido na amostra de gás e R é a constante universal dos gases perfeitos, que nas unidades adotadas no Graxaim/LVT vale R= 0.0820574587 (atm L)/(mol K).
Além desta equação, a energia interna U dos gases ideais é dada por:
U=cNRT
onde a constante adimensional c assume o valor de 3/2 para gases monoatômicos, 5/2 para o caso de gases ideais diatômicos ou 7/2 para gases diatômicos com graus de liberdade vibracionais ativados.
Termodinamicamente esta duas equações definem o que é um gás ideal. Experimentalmente verifica-se que qualquer substância gasosa pura se comporta como um gás ideal se a temperatura for suficientemente alta e a densidade suficientemente baixa. Uma amostra de gás hélio nas condições normais de temperatura e pressão satisfaz estes critérios e se comporta como um gás ideal monoatômico (c=3/2). Uma amostra de hidrogênio nestas mesmas condições se comportará como um gás ideal diatômico (c=5/2). Porém se esta mesma amostra for aquecida haverá uma temperatura tal que os átomos que formam cada molécula de hidrogênio começarão a vibrar um em relação ao outro e a amostra de hidrogênio de comportará como um gás ideal de c=7/2.
O fato da energia interna U de um gás ideal depender apenas da temperatura e não do volume é uma condição suficiente para caracterizar o gás como tendo comportamento de gás ideal. Portanto gases ideais são os únicos que não diminuem sua temperatura quando se expandem livremente. (Lembre-se em uma expansão livre, o volume do gás aumenta por difusão sem que haja qualquer troca de energia, logo a energia interna do gás permanece constante).
A duas equações acima podem ser combinadas de forma que
U = cPV
Esta equação mostra como a energia interna depende do volume V e da pressão P. Note que não há contradição alguma com o que escrevemos anteriormente. Na expressão acima, de fato há uma dependência da energia interna com o volume mas a outra variável é a pressão e não a temperatura.
Nesta primeira parte, o laboratório virtual está equipado com dois cilindros com pistões móveis, gás A e gás B, contendo gases distintos. Só um destes gases se comporta como um gás ideal. Há ainda dois corpos termodinâmicos, C1 e C2, que trocam energia somente na forma de calor e dois dispositivos mecânicos, M1 e M2, capazes de manter uma pressão constante sobre os gases. A pressão exercida por estes dispositivos pode variar de um dispositivo para o outro.
O laboratório virtual também contém instrumentos que medem temperatura (em kelvin), pressão (em atmosferas), volume (em litros) e energia (em atmosfera-litro). Você pode imaginar que os três primeiros instrumentos são equipamentos normalmente encontrados em laboratórios (termômetro, manômetro, um recipiente com graduação de volume). O instrumento que mede a energia E é capaz de medir a energia armazenada nos dispositivos mecânicos mas não nos gases. Você pode imaginar que a energia armazenada nos dispositivos mecânicos é a energia de uma bateria elétrica recarregável. Conhecendo as características desta bateria, é possível determinar a energia nela acumulada pela medida da tensão em seus polos. Desta forma, o medidor de energia seria uma espécie de multímetro. Esta analogia, também explica por que este instrumento não consegue medir a energia interna do gás.
Note que o manômetro também é capaz de medir a pressão dos dispositivos mecânicos.
(Dica: em um processo em que o gás interage apenas como o dispositivo mecânico, a sua variação de energia é igual ao negativo da variação de energia do dispositivo mecânico.)
O laboratório virtual dessa segunda parte possui um cilindro contendo um gás ideal, três corpos termodinâmicos e três dispositivos mecânicos, além dos quatro instrumentos de media já descritos na etapa I.
Nesta segunda etapa você deve realizar um experimento virtual em que o gás é submetido a um processo termodinâmico composto das quatro etapas sucessivas descritas abaixo. Note que o estado final de uma etapa deve ser o estado inicial da seguinte (no objeto de aprendizagem você não deve pressionar os botões reajustar ou reiniciar entre cada etapa).
