Pressão
O físico e matemático italiano Evangelista Torricelli [1608-1647] sugeriu que a atmosfera, constituída por gases em constante movimento, é capaz de exercer pressão sobre a superfície terrestre. Para medi-la, ele inventou um instrumento chamadobarômetrobarômetro.
O barômetro de Torricelli consiste em um longo tubo de vidro com mercúrio (Hg) dentro de uma bacia cheia do mesmo metal (que é líquido em temperatura ambiente), de tal modo que uma extremidade do tubo fica emborcada na bacia e a outra, fechada.
A tendência é que o líquido escoe para a bacia. Todavia, existe uma pressão do ar sobre o líquido que está na bacia, ou seja, as moléculas do ar exercem uma força sobre a área do líquido. Essa pressão impede que todo o mercúrio da coluna escoe para a bacia. Se essa pressão diminuir, maior quantidade de mercúrio vai escoar. Portanto, quanto menor a pressão do ar sobre a superfície do líquido encontrado na bacia, mais o mercúrio escoa e, consequentemente, menor será a coluna de mercúrio no tubo. Por outro lado, quanto maior a pressão exercida pelo ar, menos líquido vai escorrer e maior será a coluna de mercúrio.
Na época da sua invenção, o barômetro foi considerado uma descoberta de excepcional importância para a Ciência: com ele é possível fazer previsões
Você não conseguiria saber o sexo do bebê, antes do nascimento, sem aecografiaecografia.
G u s t o i m a g e s / S c i e n c e P h o t o L i b r a r y / L a t i n s t o c k C h e n W s / S h u t t e r s t o c k
As teorias são, na verdade, modelos explicativos, como os elaborados para os objetos dentro das caixas. Sendo teorias ou modelos, eles vão corresponder, em maior ou menor grau, à realidade. Algumas teorias não podem ser testadas experimentalmente, mas muitas vezes são aceitas pela sua consistência teórica. Em 1915, época em que Albert Einstein começou a estudar as galáxias (sistemas cósmicos que contêm bilhões de astros), apenas a Via Láctea era conhecida. Mesmo assim, ele trabalhou com equações que indicavam a existência de outras galáxias, que só puderam ser evidenciadas dez anos mais tarde.
É nesse imaginário mundo das teorias elaboradas pelos cientistas que vamos iniciar neste capítulo, buscando compreender diferentes modelos, que foram propostos ao longo de nossa História e que serão estudados nesta obra, para explicar o mundo invisível da matéria.
Grupo de mecânicos de uma equipe de Grupo de mecânicos de uma equipe de Fórmula 1
Fórmula 1 precisa manter os pneus ca- librados e fazer a troca destes em tempo muito curto.
O que é pressão atmosférica? Por que a pressão atmosférica va- ria com a altitude?
PARE E PENSE PARE E PENSE D I V U L G A Ç Ã O P N L D
C A P Í T U L O 3 Q u í m i c a e c i ê n c i a
de um dos fatores das condições climáticas - a pressão. Mais tarde, baseado no princípio do barômetro, seria desenvolvido o manômetro, que serve para medir a pressão de gases e líquidos. Além domanômetromanômetro de mercúrio, existem diferentes mecanismos utilizados para o mesmo fim e que recebem o mesmo nome.
Um tipo particular de manômetro, denominado esfigmomanômetro, é utilizado para medir a nossa pressão arterial. Apressãopressão é uma grandeza física que expressa a força exercida sobre um corpo por unidade de área. No caso dos gases, pressão é o resultado da força exercida em conjunto por suas partículas sobre a área do recipiente que as contém. Fisicamente, a pressão (P) é definida pela relação entre as grandezas força (F) e área (A), sendo expressa pela equação:
A pressão atmosférica varia em função de uma série de fatores, como a movimentação do ar (correntes de massas gasosas), a temperatura e a altitude. Assim, por exemplo, quanto maior a quantidade de ar que está sobre um líquido, maior será a pressão. Em elevadas altitudes, a quantidade de ar sobre a superfície terrestre é bem menor do que ao nível do mar e, por isso, na serra a pressão é menor do que na praia.
Uma vez que a pressão atmosférica varia de acordo com a altitude, definiu-se, inicialmente, como unidade de medida de pressão aatmosfera (atm)atmosfera (atm), a qual corresponde à pressão que equilibra uma coluna de mercúrio de 760 mm de altura a 0 °C e a 0 m de altitude (a referência é o nível do mar). Essa unidade de medida corresponde no SI a 101 325 pascals (Pa). H e l y D e m u t t i H e l y D e m u t t i
Esfigmomanômetro Barômetro Manômetro
L u i z C l a u d i o M a r i g o / O p ç ã o B r a s i l I m a g e n s
Diferentes aparelhos permitem a medida de pressão. Oesfigmomanômetroesfigmomanômetro mede a pressão arterial; obarômetrobarômetro, um tipo de manômetro, a pres- são atmosférica; e outrosmanômetrosmanômetros, como o da foto da direita acima, medem a pressão de líquidos ou gases em sistemas fechados.
Apressão do arpressão do ar sobre o líquido na bacia impede que o mercúrio da coluna escoe. mercúrio atmosfera atmosfera J . Y u j i
UNIDADES DE MEDIDA DA GRANDEZ
UNIDADES DE MEDIDA DA GRANDEZA PRESSÃOA PRESSÃO
Grandeza
Grandeza Unidade deUnidade de medida
medida Símbolo da unidadeSímbolo da unidade
Relação da unidade Relação da unidade com o SI com o SI Pressão Pressão (P) (P) pascal (SI) Pa milímetro de mercúrio mmHg 760 mm de Hg = 101 325 Pa
atmosfera atm 1 atm = 101 325 Pa
Com os dados do quadro acima podemos fazer algumas conversões de unidade de pressão. Vejamos um exemplo:
Na cidade de Brasília, a uma altitude de 1 200 metros, um boletim meteorológico anunciou uma pressão atmosférica de 99 602 Pa. Qual é a pressão em milímetros de mercúrio?
Usando o fator de conversão, estabeleça a relação entre unidades começando pela fornecida. Teremos:
101 325 Pa = 760 mmHg 101 325 Pa 101 325 Pa = 760 mmHg 101 325 Pa 1 = 760 mmHg 101 325 Pa Então, P = 99 602 Pa ·760 mmHg 101 325 Pa =747 mmHg.
Como funciona o barômetro de
Torricelli? Por que a coluna de mer-
cúrio (Hg) não escoa totalmente
para o recipiente de baixo?
PARE E PENSE PARE E PENSE D I V U L G A Ç Ã O P N L D
1 2 3 4 5 6 7
UNIDADES DE MEDIDA MAIS UTILIZADAS UNIDADES DE MEDIDA MAIS UTILIZADAS
PARA A GRANDEZA TEMPERATURA PARA A GRANDEZA TEMPERATURA
G
Grraannddeezzaa UUnniiddaadde e dde e mmeeddiiddaa Símbolo daSímbolo daunidadeunidade Relação da unidade com o SI*Relação da unidade com o SI*
Temperatura Temperatura T Kelvin (SI) K t Grau Celsius °C T/K = (t/°C) + 273,15 θ θ Grau Fahrenheit °F T/K = [( θθ/°F – 32)/1,8] + 273,15
Volume
Volume
Ovolumevolume é uma grandeza que mede o espaço ocupado por um determinado corpo. O cálculo do volume para objetos regulares, como um cubo e um cilindro, é dado por área · altura. No caso:
V (cubo) = A · h e V (cilindro) = · r2 · h
A unidade de medida no SI da grandeza volume é o metro cúbico (m3).
O quadro a seguir apresenta outras unidades utilizadas para medir volume. Apesar de a unidade de volume do SI ser o metro cúbico, os químicos usam, na maioria das vezes, as unidades litro (L) e mililitro (mL), pois o metro cúbico (equivalente a 1 000 L) é uma quantidade muito grande para se trabalhar.
V (cilindro) V (cilindro) = · r2 · h · r 2 h J . Y u j i J . Y u j i A h V (cubo) V (cubo)= A · h
UNIDADES DE MEDIDA MAIS UTILIZADAS PARA A GRANDEZA VOLUME UNIDADES DE MEDIDA MAIS UTILIZADAS PARA A GRANDEZA VOLUME
G
Grraannddeezzaa UUnniiddaadde e dde e mmeeddiiddaa SSíímmbboollo o dda a uunniiddaaddee RReellaaççãão o dda a uunniiddaadde e ccoom m o o SSII
Volume (V) Volume (V)
metro cúbico (SI) m 3
litro L 10= L 1 –3 m3 (1 mL = 1 cm3)
galão (EUA) galão 1 galão = 3,785 · 10 –3 m3
*No Brasil, a escala comumente utilizada é a Celsius (°C). Ela é baseada nas temperaturas de fusão e de ebulição da água. A primeira recebe valor arbitrário igual a zero (temperatura de fusão da água = 0 °C) e a segunda, valor igual a cem (temperatura de ebulição da água = 100 °C).
Temperatura
Temperatura
ATemperaturaTemperatura é definida, de forma simplificada, como a quantidade de calor de um material, substância ou corpo, assunto este que será estudado com mais profundidade no volume 2 desta coleção. A quantidade de calor, no caso, está relacionada ao grau de agitação das partículas. Assim como acontece com outras grandezas, existem várias unidades de medidas de temperatura. As escalas mais usadas são apresentadas no quadro a seguir.
A conversão da escala de temperatura Fahrenheit (θ) para a temperatura Celsius (°C) é: t/°C = (θ/°F – 32)/1,8. D I V U L G A Ç Ã O P N L D
C A P Í T U L O 3 Q u í m i c a e c i ê n c i a
Nos Estados Unidos e na Europa, utiliza-se a escala FahrenheitFahrenheit (°F), que é definida de forma similar à escala Celsius, com a diferença de que foi convencionado 32 °F como temperatura de fusão da água e 212 °F como temperatura de ebulição. O zero dessa escala corresponde à temperatura de fusão de uma mistura de água, gelo picado, cloreto de sódio e amônia. A variação de 1 °C equivale à variação de 1,8 °F.
A escala oficial de temperatura do Sistema Internacional de Unidades é a termodinâmica
termodinâmica, também denominada temperaturtemperatura a termodinâmicatermodinâmica . O significado dessa escala será discutido mais adiante neste capítulo. Ela é similar à escala Celsius, com a diferença de que a temperatura de fusão da água é 273,15 K, e a de ebulição é 373,15 K. Quando há variação de 1 °C, também há variação de 1 K.
Com base nos dados do quadro anterior, podemos fazer algumas conversões de unidade de temperatura. Vejamos os exemplos a seguir.
a) Em um hospital europeu, foi constatado que uma pessoa estava com temperatura igual a 104 graus Fahrenheit. Essa pessoa está com febre ou não?
Considerando a relação entre unidades: t/°C = (θ /°F – 32)/1,8, teremos: t
°C =
(104 °F / °F – 32)
1,8 = 40 t = 40 °C Logo, a pessoa está com febre.
Observe que as unidades °C e °F estão presentes no fator de conversão, de forma que na resolução se obtenha a unidade correta.
b) Num dia muito quente de verão, os termômetros estavam marcando 41 °C. Qual será a temperatura no SI?
Considerando a relação entre unidades: T/K = (t/°C) + 273,15 T
K = 41 °C
°C + 273,15 = 314,15 T = 314,15 K c) Converta 110 °F em temperatura na escala Kelvin.
Considerando a relação entre unidades: T/K = [(t/°F – 32) /1,8] + 273,15, teremos:
T K =
(110 °F / °F – 32)
1,8 + 273,15 = 314,15 T = 316,48 K
FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO. FAÇA NO CADERNO. NÃO ESCREVA EM SEU LIVRO.
Exercícios
Exercícios
O termômetro é importante pa- ra conferir a temperatura sempre que existirem sintomas de doenças que pro- vocam febre. Otermômetro de mer-termômetro de mer- cúrio
cúrio ainda é o mais usado entre nós.
O termômetro digital termômetro digitalnos permite ler o valor da tempera- tura corporal na tela.
40.
40.Por que medidores de cozinha não poderiam ser usados em um laboratório de análises científicas?
41.
41.Em um experimento científico, é recomendável que todas as medidas de uma grandeza sejam feitas pela mesma pessoa. Justifique.
42.
42.Qual é a diferença entre precisão e exatidão?
43.
43.Na atividade de construção do conhecimento da página (108), foram analisadas várias caixas com diferentes obje- tos, dos quais foram elaborados modelos sobre o que exis- tia dentro. Qual a diferença do modelo que você elaborou para um modelo científico?
44.
44.Sabemos que a Terra é bastante antiga e muitos dos ani- mais e vegetais existentes nos primórdios do planeta já não existem mais. Porém, é comum vermos em dese- nhos, filmes e alguns parques modelos de dinossauros que apresentam riquezas de detalhes. Exp lique, com suas palavras, como os cientistas chegaram a esses modelos tão perfeitos.
45.
45.Por que todas as grandezas devem ser seguidas de uma unidade?
46.
46.Sabendo que a densidade do chantili é muito menor do que a do creme de leite, explique por que o primeiro é vendido em unidade de volume e o segundo em unidade de massa.
Wisanu Boonra wd/Shutterstock
E v g e n y S H C H / S h u t t e r s t o c k D I V U L G A Ç Ã O P N L D
1 2 3 4 5 6 7 47.
47.Embora tenha sido pioneiro na adoção do sistema métri- co, o Brasil ainda hoje convive com mais de um sistema de unidades. Por exemplo, no comércio compramos ferro na unidade barra e tinta na unidade galão, e na lavoura os agricultores usam unidades como arroba e saca. Por que ainda são usados esses diferentes sistemas de unidade? Utilizando as relações indicadas nos quadros das páginas 106, resolva os exercícios a seguir.
48.
48.De quantos minutos é constituído um ano?
49.
49.Converta os valores de comprimento das medidas a seguir na unidade de base do SI:
a) 6,8 Å. c) 48 pés.
b) 75,3 polegadas. d) 3,5 léguas.
50.
50.Converta os valores de massa das medidas a seguir na unidade de base do SI:
a) 750 libras. b) 8 235⋅⋅ 109 dáltons.
51.
51.Em um filme, um guarda de trânsito para um motorista que dirigia a 70 milhas/h. Esse motorista seria multado por excesso de velocidade em uma rodovia no Brasil cuja velocidade máxima é 110 km/h?
52.
52.A pressão atmosférica medida em uma cidade foi de 912 mmHg. Calcule o valor dessa pressão em: a) Atmosferas (atm). b) Pascals (Pa).
53.
53.Onde a pressão atmosférica é maior: em Brasília (a aproxi- madamente 1 050 m de altitude) ou no Rio de Janeiro (ao nível do mar)? Justifique.
54.
54.Qual é a relação existente entre a altura da coluna demercúrio e a pressão atmosférica?
55.
55.O balão meteorológico, conhecido como balão-sonda, é munido de aparelhagem para observar as condições do tempo. Ele tem 21 700 L de gás. Converta seu volume em metros cúbicos.
56.
56.A pressão atmosférica varia em função de uma série de fatores, como a movimentação do ar (correntes de massas gasosas), a temperatura e a altitude. No gráfico abaixo, estão relacionadas a altitude de algumas cidades e sua respectiva pressão atmosférica. Com base nessas infor- mações responda: 760 600 480 300 170 120 100 0 0 1 2 3 4 5 6 8 9 1 0 Altitude (km) Pressão atmosférica (mm Hg) II IIII IIIIII IVIV
I – Campinas – I – Campinas – São Paulo São Paulo – altitude 640 m– altitude 640 m
II – La Paz – Bolívia – altitude 3 650 II – La Paz – Bolívia – altitude 3 650 mm III – Aconcágua – Argentina –
III – Aconcágua – Argentina – Pico mais alto da América do Pico mais alto da América do SulSul IV – Everest – montanha mais alta do mundo – fronteira entre IV – Everest – montanha mais alta do mundo – fronteira entre
Nepal e o Tibete – altitude 8 850 m Nepal e o Tibete – altitude 8 850 m
a) Em qual cidade a pressão atmosférica corresponde a 0,99 atm?
b) Qual a relação entre a altitude e a pressão atmosférica? c) A pressão atmosférica é menor em qual cidade?
57.
57.Qual é a referência do ponto zero na escala de temperatura de termodinâmica proposta por Kelvin?
58.
58.Dois enfermeiros aferiram a temperatura de diferentes pa- cientes e preencheram as fichas anotando os seguintes valores, sem unidade: 311,15 e 96,8.
a) Qual a unidade d e medida que cada enfermeiro utilizou? b) Com base nesses valores, qual a temperatura de cada
paciente na escala Celsius?
59.
59.Converta as temperaturas abaixo em graus Celsius: a) 25 °F. b) 135 °F. c) 270 K. d) 350 K.
60.
60.Converta as temperaturas abaixo em temperatura absoluta (K):
a) 37 °C. c) 100 °F. b) –25 °C. d) 15 °F.
61.
61.Leia o texto a seguir:
“Nova York registrou nesta quinta-feira um recorde de calor histórico para um 24 de dezembro, com uma temperatura de 71,96 °F na véspera de Natal e em pleno inverno. O recordo precedente foi de 62,96 °F em 1996. O último inverno em Nova York foi um dos mais duros dos últimos tempos, com nevascas constantes e temperaturas abaixo de 273,15 K durante muitos dias.”
Disponível em: <www.uol.com.br>. Acesso em 17 de mar. 2016.
O texto acima mostra como usar diferentes escalas para medir a temperaturas pode gerar dúvidas. Sendo assim, transforme todas as temperaturas para a escala Celsius.
62.
62.O tungstênio é um metal que possui diversas aplicações. Uma das mais importantes é a participação em filamen- tos de lâmpadas incandescentes. Essa aplicação é possível graças ao seu elevado ponto de fusão (3 422 °C) e capa- cidade de formar fios muito finos. Os pontos de fusão do tungstênio representados nas escalas Kelvin e Fahrenheit são, respectivamente: a) 3 275,15 K e 6 111,6 °F. b) 3 695,15 K e 6 191,6 °F. c) 3 422,75 K e 4 591,15 °F. d) 3 695,15 K e 5 692,9 °F. e) 6 191,6 K e 3 695,15 °F. D I V U L G A Ç Ã O P N L D
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7
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Propriedades dos gases Propriedades dos gases
V
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ocê sabia que a atmosfera da Antártida sofre um processo de degradação, embora praticamente não haja atividade humana no local? É que as moléculas dos gases estão em constante movimento e dispersam-se por toda a atmosfera. A dispersão atenua os efeitos de alguns gases tóxicos em determinadas regiões, mas não elimina o problema e se globaliza. É por esse motivo, que o acidente nuclear de Chernobyl contaminou vários países da Europa. É por isso também que o fenômeno de chuvas ácidas, provocado pela produção de gases de enxofre em usinas termelétricas no Sul do Brasil, afeta o Paraguai. Portanto, uma propriedade básica dos gases, como a dispersão, é um dos motivos que tornam a poluição atmosférica um problema de caráter mundial, envolvendo aspectos políticos e econômicos.Para buscar soluções para tais problemas, é preciso compreender bem as propriedades dos gases. Por isso, vamos estudá-las.
Com base na observação de vários fenômenos, elaboraremos um modelo científico, ou seja, uma representação do mundo real, que nos permitirá compreender o comportamento dos gases e, de forma geral, da matéria.
Gases de enxofre produzidos pelasusi-usi- nas termelétricas no Sul do Brasil nas termelétricas no Sul do Brasil são responsáveis pela chuva ácida que atinge o Paraguai. Usina termelétrica a gás de Araucá- ria (PR), 2008.
Por causa da dispersão dos gases, até a atmosfera daAntártidaAntártida está em processo de degradação. Via de Leverett Glacier, na Antártida, 2009.
P a u l T h u r / N a t i o n a l S c i e n c e F o u n d a t i o n
O movimento dos balões está relacionado às propriedades dos gases propriedades dos gases .
Por que os gases sofrem difusão? Por que o volume de um gás se altera quando aumentamos ou di- minuímos a temperatura? PARE E PENSE PARE E PENSE t o p s e l l e r / S h u t t e r s t o c k A l e R u a r o / P u l s a r I m a g e n s D I V U L G A Ç Ã O P N L D
1 2 3 4 5 6 7 Tes
Teste do êmbolo: te do êmbolo: ele se move sozinho?ele se move sozinho?
Este experimento pode ser feito individualmente ou em grupo, na própria sala de aula ou em sua casa, ou de forma demonstrativa pelo seu professor.
Materiais Materiais Duas seringas de 10 mL Lamparina Procedimento Procedimento 1.
1. Em uma das seringas, coloque água até a marca de 7 mL. Com uma lampa- rina, aqueça a sua ponta, lacrando-a. Deixe esfriar.
2.
2. Encha a outra seringa com ar até a marca de 7 mL e aqueça a ponta para lacrá-la. Deixe esfriar.
3.
3. Agora, tente empurrar os êmbolos e observe o comportamento de cada
seringa.
Destino dos resíduos. Destino dos resíduos.
Esta atividade não gera resíduos. As seringas devem ser guardadas para
serem utilizadas por outras turmas.
Análise de dados Análise de dados
1.
1. O que você observou?
2.
2. Em qual das seringas foi mais fácil para você empurrar o êmbolo?
3.
3. Proponha um modelo, por meio de desenhos, para os constituintes (partículas) dos materiais contidos em cada seringa.
4.
4. Cite exemplos do seu cotidiano, em que você observa o comportamento dos gases similar ao do experimento e expli- que-os com base nesse modelo que você propôs.
5.
5. De acordo com o modelo de partículas, explique por que os sólidos e os líquidos não são compressíveis como os
gases, desenhando como estariam as partículas da matéria em cada estado de agregação.