O estudo dos gases teve início com Torricelli, quando mediu sua pressão e apresentou adequadas explicações sobre o fenômeno. O termo gás vem do grego significa espaço vazio, sendo assim, o gás tem como característica principal ocupar totalmente o volume do recipiente que o hospeda, independentemente de sua quantidade (HALLIDAY, 1996). Isso acontece porque os gases se comportam de forma desordenada em virtude do grau de liberdade que possuem, ocupando totalmente o volume do recipiente a ele oferecido. Outra característica dos gases é sua grande capacidade de compressão.
A pressão de um gás exerce uma força média nas paredes do recipiente que o contém, assim, a pressão é resultante do movimento das partículas em choque com as paredes do recipiente (HALLIDAY, 1996). O cálculo da pressão é definido como:
Onde P é a pressão, F a força, e A a área do recipiente. As unidades de medida para a pressão atmosférica medida ao nível do mar são: 1 atm = 760 mmHg = 101 325 Pa = 1,01325 bar .
1.2.1 Gases Ideais
Um gás ideal é formado de um número muito grande de pequenas partículas, as moléculas, que tem um movimento rápido e aleatório, sofrem colisões perfeitamente elásticas, de modo a não perder quantidade de movimento. Além disso, a energia de interação entre as moléculas é desprezível (HALLIDAY, 1996). A variável temperatura, pressão e densidade, conhecidas como variáveis de estado são relacionadas nos gases pela chamada lei dos gases ideais.
A lei dos gases afirma que a pressão exercida por um gás é proporcional a sua densidade e temperatura absoluta. Assim, um acréscimo na temperatura ou na densidade causa um aumento na pressão, se a outra variável (densidade ou temperatura) permanece constante. Por outro lado, se a pressão permanece constante, um decréscimo na temperatura resulta em aumento na densidade e vice versa (COSTA, 2006). Através da equação de Clapeyron é possível obter uma lei que relaciona os gases ideais, chamada de Lei Geral dos Gases Perfeitos, expressa pela equação:
onde, P é a pressão do gás, V é o volume do gás, n é o numero de moles do gás, R é a constante universal dos gases com valor de 0,082 atm.l/mol.K, e T é a temperatura do gás (COSTA , 2006).
Quando as medidas de pressão, volume molar e temperatura não admitem a relação prevista pela Equação de Clayperon, dentro da exatidão das medidas, o gás desvia-se da idealidade, ou seja, apresenta um comportamento não ideal (COSTA, 2006).
1.2.2 Gases Reais
Um gás real existe sob a maioria das condições de temperatura e pressão e é constituído por partículas materiais dotadas de movimento caótico, sujeitas às forças de atração à longa distância e forças de repulsão à curta distância (COSTA, 2006). Portanto, o gás real é formado por partículas que possuem massa m > 0, volume V > 0 e força de interação entre partículas f ≠ 0.
É de suma importância o conhecimento da faixa de massa específica em que a equação dos gases perfeitos pode predizer o comportamento de um gás real com boa precisão, assim os gases com baixa massa específica apresentam comportamento próximo daquele dos gases perfeitos. Percebe-se, porém um desvio no comportamento de um gás real para do gás ideal, a uma dada pressão e temperatura(COSTA, 2006). Pode-se observar esse desvio na figura 12. O parâmetro avaliado para o gás real e para o gás ideal foi a pressão, tendo esta sido calculada para uma quantidade de matéria equivalente a 1,0 mol de gás à temperatura de 25 ºC. O gás utilizado nesse comparativo foi o argônio (Ar).
Figura 1.4: Diagrama P x V para o desvio de um gás real em relação ao gás ideal. (Fonte: Costa, 2006)
A avaliação de comportamento para um gás real pode ser feita por meio da equação de estado de van der Waals, a qual leva em conta forças intermoleculares através de dois parâmetros empíricos (a e b) que refletem as forças atuantes em cada gás. A equação de van der Waals, é dada por:
( )
na qual a e b são as constantes característica de cada gás, P a pressão, V o volume, T a temperatura e R a constante universal dos gases.
1.2.3 Gás Oxigênio
O oxigênio é o elemento mais abundante na crosta terrestre, em torno de 46,6% em peso, sendo assim, o mais conhecido e difundido dos gases. Na sua forma molecular, o oxigênio, é um gás a temperatura ambiente, solúvel na água, incolor, inodoro, insípido, altamente oxidante e não inflamável, cuja presença foi verificada no ar há cerca de duzentos anos, por Lavoisier (SANTOS 2002). O oxigênio em seu estado líquido e sólido tem uma ligeira coloração azulada. Constitui-se em um gás indispensável à respiração, sendo encontrado na atmosfera misturado a outros gases a cerca de 21%.
O oxigênio não é inflamável, porém acelera rapidamente a combustão, no entanto para que ocorra a combustão é necessário que haja o chamado “triângulo do fogo”, formado por um combustível + comburente + fonte de calor (SANTOS, 2002). Neste caso, é importante evitar o contato do oxigênio (na forma líquida ou gasosa) com materiais como o álcool, éter, gasolina, óleo, graxa, madeira, que servirão como combustíveis. Esta associação quando na presença de uma chama, faísca ou atrito, poderá causar o fogo.
As propriedades químicas e termodinâmicas do gás oxigênio, que é o foco principal deste estudo, encontram-se nas tabelas 1.2, 1.3.
Tabela 1.2: Propriedades químicas e termodinâmicas do oxigênio.
Símbolo químico
Número atômico 8
Massa molecular 32 g/mol
Ponto de ebulição (a 1 atm) -183 ºC
Ponto de fusão (a 1 atm) -218,8 ºC
Temperature crítica -118,4 ºC
Pressão crítica 50,1 atm
Fonte: (LEITE, 2006)
Tabela 1.3: Propriedades termodinâmicas do elemento químico O2.
Densidade do líquido (1 atm) 1141 kg/m³
Densidade do gás (a 20ºC e 1 atm) 1,33 kg/m³
Peso específico do gás (a 20ºC e 1 atm) 1,10
Peso específico do líquido (1 atm) 1,14
Volume específico (a 20ºC e 1 atm) 0,75 m³/kg
Calor latente de vaporização 1630 kcal/mol
Coeficiente de expansão (20ºC) 1 para 857
Solubilidade em água (a 25ºC e 1 atm) 3,16% em volume Fonte: (LEITE, 2006)
O oxigênio é amplamente utilizado na medicina, mantendo vidas pelo auxílio de respiração natural, além disso, também tem grande importância em usinas siderúrgicas e fundição, em indústrias automobilísticas e mecânicas e em diversos setores. Logo, o oxigênio, quando para o uso terapêutico, segundo a farmacopeia americana, deve possuir uma concentração mínima de 99,5% (SANTOS, 2002).