quarta-feira, 17 de agosto de 2011

GASES: Evolução Histórica e Teoria Cinética


GASES

       Dos estados físicos conhecidos da ateria, o estado gasoso é o mais simples. Nos sólidos e líquidos, temos interações entre as moléculas enquanto no estado gasoso, essas interações são praticamente nulas (gases ideais). No gás, as moléculas estão afastadas e sofrem um efeito maior da compressão e expansão.

EVOLUÇÃO HISTÓRICA

Robert Boyle define a propriedade elástica do ar


Em meados do século XVII, Robert Boyle fez várias pesquisas sobre o comportamento elástico do ar, culminando com a publicação de seu livro, "New Experiments Physico-Mechanicall, Touching the Spring of the Air, and its Effects", no ano de 1660.
Boyle propôs uma explicação teórica para a elasticidade do ar comparando-o a "uma pilha de pequenos corpos, caindo uns sobre os outros", onde estes corpos eram pensados como sendo molas, ou novelos de lã empilhados uns sobre os outros, porém sem movimento independente.
Usando um barômetro de mercúrio, Boyle demonstrou que estamos imersos num mar de ar, que nos comprime com uma pressão igual à de uma coluna d'água de 10 metros de altura. Ou seja, a pressão atmosférica.
Este fato deu origem ao conceito de pressão que antes não era usado, e Boyle ilustrou de forma qualitativa a existência da relação entre a pressão e o volume de ar (o termo gás não era usado na época) contido num recipiente como sendo inversamente proporcional.
Outra contribuição de Boyle para o estudo dos gases, que passaram a ser chamados de fluidos elásticos, foi a constatação que a viscosidade de um gás não depende de sua densidade, ao contrário do que acontece com os líquidos. Tal constatação foi esquecida por muito tempo, até que Clausius conseguiu obter uma explicação teórica para ela.

Uma teoria para explicar a repulsão das partículas é proposta por Newton
Apesar de ter encontrado a relação entre pressão e volume, Boyle não conseguiu descobrir de que forma é a força que existe entre os átomos.
Contudo, logo após Boyle ter publicado suas pesquisas, Isaac Newton usou a relação entre pressão e volume para obter uma hipótese sobre as forças interatômicas.
Para Newton, havia uma força repulsiva com intensidade inversamente proporcional à distância que separa os átomos. Ao supor que o ar era composto por partículas que se comportavam como molas, o termo fluido elástico foi usado até que o conceito de moléculas em movimentos desordenados tomasse lugar.
Isaac Newton (1643-1727), físico e matemático inglês, fundou as bases da mecânica clássica e criou o cálculo diferencial e integral. Newton foi o primeiro cientista a receber o título de Sir (cavalheiro) da rainha da Inglaterra.

A teoria cinética inicia-se com os trabalhos de Bernoulli
Contrário à hipótese de que os átomos são como molas ligadas entre si, Daniel Bernoulli propôs uma teoria para explicar a pressão que um gás exerce. Esta teoria baseia-se na comparação dos átomos com esferas rígidas (bolas de bilhar) que se chocam continuamente por estarem em movimento, sendo que a sucessão de choques contra as paredes de um recipiente é que produz a pressão.
A suposição de Bernoulli que calor é nada mais que movimento de átomos não foi aceita pelos cientistas de sua época, pois estes acreditavam na existência do éter e discordavam da idéia de que os átomos pudessem voar livremente pelo espaço.
Devido ao fato das idéias de Newton sobre a interação entre átomos serem aceitas até por volta do século XIX, a teoria cinética proposta por Bernoulli foi quase esquecida. Somente quando a física alcançou um estágio de desenvolvimento em que os conceitos antigos foram derrubados é que a teoria cinética dos gases ressurgiu.

A teoria cinética dos gases renasce com Clausius
Foi a derrubada da teoria do calórico e sua substituição pela teoria dinâmica do calor que criou a situação favorável ao ressurgimento da teoria cinética dos gases.
Rudolf Clausius foi um dos físicos notáveis do século XIX. Suas contribuições mais importantes foram a formulação da segunda lei da termodinâmica e o desenvolvimento da teoria mecânica do calor sobre as bases do conceito de entropia. Seu primeiro artigo sobre a teoria cinética foi publicado em 1857, onde o conceito de átomos comportando-se como esferas rígidas foi usado para então obter a pressão e a temperatura do gás em função da velocidade das moléculas.
Em um segundo artigo, Clausius introduziu o conceito do caminho livre médio com a finalidade de dar um tratamento matemático ao fenômeno da condução de calor em gases. Este conceito também foi usado para derrubar as objeções que eram feitas contra a teoria cinética.

Maxwell descreve a distribuição das velocidades das moléculas de um gás e funda as bases da mecânica estatística
Assim como Clausius, muitos cientistas acreditavam que as moléculas, depois de sucessivos choques, adquiriam uma velocidade comum entre elas. Porém James Clerk Maxwell discordava desta afirmação e propôs uma hipótese na qual as numerosas colisões entre as moléculas no gás, ao invés de igualar as velocidades de todas as moléculas, produziria uma distribuição estatística de velocidades na qual todas as velocidades poderiam ocorrer, com uma probabilidade conhecida.
As pesquisas de Maxwell sobre a teoria cinética, além de ajudarem a estabelecer as bases para a mecânica estatística moderna, concluíram que a viscosidade de um gás independe de sua densidade, convertendo muitos cientistas que ainda não haviam aceito a teoria cinética dos gases.

TEORIA CINÉTICA DOS GASES IDEAIS

            O estado gasoso apresenta um comportamento especial e, para explicar esse comportamento, vários cientistas buscaram elaborar teorias. A que mais simplificadamente o explica é a Teoria Cinética dos Gases. Segundo essa teoria: 

  • O gás é constituído por um número muito grande de moléculas em movimento desordenado.
  • O volume próprio das moléculas é desprezível frente ao volume do recipiente.
  •  As forças intermoleculares são desprezíveis, exceto nas colisões mútuas e com as paredes do recipiente. 
  • As colisões são perfeitamente elásticas e de duração desprezível.
A característica mais importante desse modelo é que as moléculas, na maior parte do tempo, não exercem forças umas sobre as outras, exceto quando colidem.
Essa teoria consegue explicar, por exemplo, a diferença de velocidade molecular dos gases e explica, também as diferenças de densidade encontradas.
A velocidade depende da massa molecular do gás; gases mais leves apresentam velocidades, maiores, isso ocorre porque as forças de interação entre os gases mais leves são praticamente nulas.
A densidade, pelo contrário, depende diretamente da massa, ou seja, quanto maior a massa molecular, maior a densidade do gás.

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