Os gases

 



Variaveis de estado:

Todo gás é constituído de partículas (moléculas, átomos ou íons) que estão em contínuo movimento desordenado, por isso ocupa sempre o volume total do recipiente que o contém.
   A pressão que o gás exerce sobre uma superfície é o efeito causado pelos choques das partículas constituintes sobre essa superfície.
   Com o aumento da temperatura, a velocidade média das partículas constituintes do gás aumenta; a pressão aumenta se o recipiente que contém o gás conserva o mesmo volume.
   Sejam P (Pa), V (m3) e T (K), respectivamente, a pressão, o volume e a temperatura absoluta.    As variáveis P, V e T especificam o estado de uma dada massa gasosa; por isso são denominadas variáveis de estado.

Transformação dos gases:

Uma dada massa sofre uma transformação gasosa quando passa a um novo estado, isto é, quando ocorrem variações nas grandezas P, V e T.
   Há transformações mais simples, onde uma das grandezas é fixa, modificando-se apenas as outras duas.
   Transformação isotérmica é aquela na qual a temperatura do gás é mantida constante.


   Transformação isobárica é aquela na qual a pressão do gás é mantida constante.
 
   Transformação isométrica ou isocórica é aquela na qual o volume do gás é mantido constante.
 



 Gases perfeitos ou ideais:

  São aqueles que (só existem teoricamente) obedecem à risca a equação geral dos gases perfeitos.
   Os gases reais apresentam comportamentos que se aproximam dos ideais quanto mais baixa for a pressão e mais alta sua temperatura.

Observações:  Quando nos referimos a uma dada massa gasosa, nas transformações, isto significa que a equação geral dos gases perfeitos só se aplica para massa constante do gás, no estado inicial e final.
Ao se referir a condições normais de temperatura e pressão, abreviadamente CNTP, a temperatura considerada é 273K e a pressão de 1 atm (105 Pa).
As variáveis de estado são medidas:

T - temperatura medida no termômetro. V - volume do gás é o volume do recipiente. P - pressão medida no manômetro.

Lei de Boyle-Mariotte:  
 
Na transformação isotérmica de uma dada massa gasosa, a pressão é inversamente proporcional ao volume.
 

Energia termica-Calor

As moléculas constituintes da matéria estão em contínuo movimento, denominado agitação térmica. A energia cinética associada a esse movimento é chamada energia térmica. A energia térmica de um corpo pode variar. Assim, se colocarmos água em presença da chama de um bico de gás, o movimento de suas moléculas tornar-se-á mais intenso: a energia térmica aumentará. Se colocarmos a água em presença de gelo, ocorrerá uma diminuição do movimento molecular: a energia térmica diminuirá. Nos exemplos anteriores, há corpos quentes (o bico de gás) e corpos frios (o gelo). Observe que, ao utilizar os termos quente e frio, estamos introduzindo uma noção subjetiva de temperatura, baseada em sensações apreendidas pelo tato. Assim, dizemos que um corpo quente está a uma temperatura mais elevada que um corpo frio. A energia térmica pode transferir-se de um corpo para outro quando entre eles houver uma diferença de temperatura. A energia térmica em trânsito é denominada calor. A idéia de que o calor é uma forma de energia só foi estabelecida em Física a partir do século passado; até então entendia-se erroneamente o calor como uma substância que se incorporava aos corpos ou sistemas. Joule, no século passado, estabeleceu definitivamente que calor é energia. A medida da quantidade de calor trocada entre dois corpos é, portanto, uma medida de energia. A unidade de energia no Sistema Internacional é o joule (J). No entanto, utiliza-se, também, como medida das quantidades de calor, a caloria (símbolo cal), unidade estabelecida antes de se entender o calor como forma de energia. Sabe-se atualmente que: 1 caloria = 4,186 joules

Energia térmica ET é uma forma de energia que está diretamente associada à temperatura absoluta T de um sistema, e corresponde à soma das energias cinéticas Eci que suas partículas constituintes possuem em virtude de seus movimentos de translação, vibração ou rotação. Assume-se um referencial inercial sob o centro de massa do sistema. A energia térmica de um corpo macroscópico corresponde à soma das energias cinéticas de seus constituintes microscópicos. À transferência de energia térmica de um sistema termodinâmico a outro se dá o nome de calor.

Na maioria das reações químicas expontâneas exoenergéticas a energia inicialmente armazenada na forma de energia potencial elétrica na distribuição eletrônica dos elétrons na estrutura dos reagentes é convertida em energia térmica armazenada nas partículas dos produtos, o que mantém a energia interna do sistema formado pelos reagentes e/ou produtos constante em obediência à lei da conservação da energia mas leva a um considerável aumento na temperatura absoluta do sistema como um todo. Este sistema aquecido é então utilizado como a fonte quente (fonte de calor) em uma máquina térmica que tenha por função transformar a energia térmica da fonte quente em trabalho. No processo energia térmica acaba renegada à fonte fria.
O calor na verdade é o fluxo de energia que se dá entre dois sistemas devido exclusivamente à diferença de temperatura entre esses sistemas ou corpos.
A energia térmica (e o calor) medem-se em unidade de energia: o Joule no sistema SI, ou de forma habitual a caloria.
A definição de caloria é a quantidade de calor (energia) necessária para elevar em 1 grama de água de 14,5 graus Celsius (oC) para 15,5oC.

Em linguagem matemática a energia térmica é definida como:
Etermica = Si Ec_i
Para sistemas onde vale o princípio da equipartição da energia, o que corresponde à maioria dos sistemas termodinâmicos, ela pode ser expressa por:
Etermica 
onde KB corresponde à constante de Boltzmann, N corresponde ao número de partículas no sistema, T corresponde à temperatura absoluta do sistema e r corresponde ao número de graus de liberdade por partícula do sistema, podendo r assumir valores entre r=9 (três graus de translação, três de rotação e três de vibração) para sistemas compostos por partículas mais complexas e r=3 nos sistemas tridimensionais mais simples (compostos por partículas puntuais com três graus de translação apenas)

Unidades de Calor

   Calor é energia. A unidade de calor no Sistema Internacional de Unidades (SI) é o joule (J).
   Na prática é muito usada uma outra unidade de calor, muito antiga, do tempo do calórico, a caloria.
   Por definição, uma caloria ( 1 cal) é a quantidade de calor que deve ser transferida a um grama de água para produzir a variação de temperatura de 1oC, rigorosamente, de 14,5°C  para 15,5°C.
   Em suas experiências, Joule estabeleceu a relação entre essas duas unidades, encontrando:
1 cal = 4,18 J
    A unidade quilocaloria ( kcal) é muito usada para medidas de quantidade de calor.
1 kcal = 1.000 cal = 103 cal
   A British Thermal Unit (BTU) é uma unidade técnica usada para quantidade de calor. É muito utilizada em manuais para caracterizar equipamentos e máquinas que envolvem energia térmica.
1 BTU = 252,4 cal = 1.055 J

A energia dos alimentos

Alimentação e nutrição são coisas distintas. Alimentação consiste em ingerir alimentos, de forma consciente e voluntária, estando nas nossas mãos e critério a forma, freqüência, preferência, qualidade e quantidade com que tal ato é efetuado, assim como incorporar-lhe as mais diversas modificações.
É evidente que a qualidade da alimentação depende de fatores econômicos e culturais. Nutrição, por outro lado, consiste no conjunto de processos fisiológicos pelos quais o organismo recebe, transforma e utiliza as substâncias químicas contidas nos alimentos. É um processo involuntário e inconsciente que depende da atividade orgânica da digestão (que inclui a absorção e o transporte dos nutrientes dos alimentos para os tecidos).
O estado de saúde de uma pessoa depende da qualidade da nutrição das células constituintes dos seus tecidos. Como é impossível para a quase totalidade dos seres humanos atuar voluntariamente nos processos de nutrição, a melhoria do estado de saúde (= nutrição) não se poderá verificar sem a sã modificação dos hábitos alimentares.
Para levar a cabo todos os processos que nos permitem estar vivos, o organismo humano necessita de um fornecimento contínuo dos materiais que devemos ingerir: os nutrientes. O número de nutrientes que o ser humano pode utilizar é limitado: existem muito poucas substâncias, em comparação com a grande quantidade de compostos, que nos servem como combustível ou para incorporar as nossas próprias estruturas. Estes nutrientes não se ingerem diretamente, mas através dos alimentos, e a ampla variedade de alimentos existentes não são mais do que as múltiplas combinações em que a natureza oferece os diferentes nutrientes.
Pode fazer-se uma primeira distinção entre os componentes de qualquer alimento com base nas quantidades em que estão presentes:
- os macro–nutrientes (macro=grande), que são os que ocupam a maior proporção dos alimentos, e que são as proteínas, os glucídios (ou hidratos de carbono) e os lipídeos (ou gorduras). Também se poderia incluir a fibra e a água, que estão presentes em quantidades consideráveis na maioria dos alimentos, mas como não fornecem calorias não costumam considerar-se nutrientes;
e os - micro–nutrientes (micro=pequeno), que apenas estão presentes em pequeníssimas proporções, e onde se encontram as vitaminas e os minerais. São imprescindíveis para a manutenção da vida, apesar das quantidades de que necessitamos se medirem em milésimas, ou inclusive milionésimas de grama. (elementos vestígio ou oligoelementos).
Outra classificação dos nutrientes é quanto à função que realizam no metabolismo:
- nutrientes energéticos – correspondem a um primeiro grupo, formado pelos compostos que se usam normalmente como combustível celular. Coincidem praticamente com o grupo dos macro–nutrientes. Deles se obtém a energia, ao se oxidarem (queimarem) no interior das células, com o oxigênio que o sangue transporta. A maior parte dos nutrientes que consumimos utiliza-se com este fim;
- nutrientes plásticos – correspondem a um segundo grupo, formado pelos nutrientes que utilizamos para construir e regenerar o nosso próprio corpo. Pertencem, a maior parte, ao grupo das proteínas, ainda que também se utilizem pequenas quantidades de outros tipos de nutrientes.
- vitaminas e minerais – correspondem a um terceiro grupo, composto pelos nutrientes que atuam facilitando e controlando as funções bioquímicas que têm lugar no interior dos seres vivos. Têm funções de regulação.
- água – corresponde a um quarto grupo que atua como dissolvente de outras substâncias, participa nas reações químicas mais vitais e é o meio de eliminação dos produtos desaproveitados do organismo.

O valor enegetico dos alimentos

O valor energético ou valor calórico de um alimento é proporcional à quantidade de energia que pode proporcionar ao queimar-se na presença de oxigênio.
Mede-se em calorias (sendo uma caloria a quantidade de calor necessária para aumentar um grau à temperatura de um grama de água. Como o seu valor é muito pequeno, em dietética toma-se como medida a kilocaloria (1Kcal = 1000 calorias). Por vezes, a Kilocaloria é representada com o termo Caloria (com letra maiúscula), o que está errado e não deve fazer-se. Quando ouvirmos dizer que um alimento tem 100 Calorias, na realidade devemos interpretar que esse alimento tem 100 Kilocalorias por cada 100 gr. de peso.
 As dietas dos seres humanos adultos contêm entre 1000 e 5000 Kilocalorias por dia. Cada grupo de nutrientes energéticos – glucídios, lipídeos e proteínas – tem um valor calórico diferente e mais ou menos uniforme em cada grupo. Para facilitar os cálculos do valor energético dos alimentos tomam-se uns valores standarizados para cada grupo: um grama de glucídios ou de proteínas liberta ao queimar-se umas quatro calorias, enquanto um grama de gordura produz nove. Daqui que os alimentos ricos em gordura tenham um teor energético muito maior do que os formados por glucídios ou proteínas.
De fato, toda a energia que acumulamos no organismo, como reserva a longo prazo armazena-se na forma de gorduras. Recordemos que nem todos os alimentos que ingerimos se queimam para produzir energia, pois uma parte deles é usada para reconstruir as estruturas do organismo ou facilitar as reações químicas necessárias para a manutenção da vida. As vitaminas e os minerais, assim como os oligoelementos, a água e a fibra, segundo se considera, não fornecem calorias. Na maioria das tabelas de composição dos alimentos, além dos teores de macro e micronutrientes, encontramos uma referência aproximada da densidade ou valor energético de cada alimento.

As necessidades energeticas do ser humano

As necessidades de energia de qualquer ser vivo calculam-se pela soma de vários componentes. À energia requerida pelo organismo em repouso absoluto e à temperatura constante, chama-se Taxa de Metabolismo Basal (TMB), que é a energia mínima que necessitamos para nos mantermos vivos. Normalmente consome a maior parte das calorias dos alimentos que ingerimos. Calcula-se que a taxa de metabolismo basal para um homem médio se situa em torno dos 100W, o que equivale ao consumo de umas 21 gr. de glucídios (ou 9,5 de gorduras) por cada hora.
A taxa metabólica depende de fatores como o peso corporal, a relação entre massa de tecido magro e gordo, a superfície externa do corpo, o tipo de pele e inclusivamente a temperatura ambiental externa.
As crianças têm taxas metabólicas muito altas (maior relação entre superfície e massa corporal), enquanto os idosos a têm mais reduzida. Também é um pouco mais baixa nas mulheres do que nos homens (maior quantidade de gordura na pele).
Por outro lado, se nos submetemos a uma dieta pobre em calorias ou a um jejum prolongado, o organismo faz descer notavelmente a energia consumida em repouso para fazer durar mais tempo as reservas energéticas disponíveis, mas se estamos submetidos a stress, a atividade hormonal faz com que o metabolismo basal aumente.
Existem fórmulas complexas que dão o valor das necessidades calóricas em função da altura, do peso e da idade, e para facilitar a tarefa de calcular a nossa Taxa de Metabolismo Basal, existem recursos tecnológicos, como programas informáticos que nos permitem chegar aos resultados desejados mediante a digitalização dos dados que são solicitados num formulário. Vejamos um exemplo para determinação do índice ou taxa metabólica basal.

A condução termica

Em transferência de calor, condução térmica ou difusão térmica (ou ainda condução ou difusão de calor) é a transferência de energia térmica entre átomos e/ou moléculas vizinhas em uma substância devido a um gradiente de temperatura. Noutras palavras, é um modo do fenômeno de transferência térmica causado por uma diferença de temperatura entre duas regiões em um mesmo meio, ou entre dois meios em contato, e sem perceber-se movimento global da matéria (na escala macroscópica) em oposição a convecção que é outra forma de transferência térmica.[1]pg 153
Isso sempre ocorre a partir de uma região de maior temperatura para uma região de baixa temperatura, e atua equalizando as diferenças de temperatura. Genericamente, ocorre a propagação de calor sem transporte da substância formadora do sistema, ou seja, através de choques entre suas partículas integrantes ou intercâmbios energéticos dos átomos, moléculas, e elétrons. A condução térmica pode ser interpretada como a transmissão passo a passo de agitação térmica: um átomo (ou uma molécula) transfere parte de sua energia cinética ao átomo vizinho, sendo assim um fenômeno de transporte de energia interna devido à heterogeneidade da agitação molecular, sendo assim um fenômeno termodinamicamente irreversível.
Condução ocorre em todas as formas de matéria, sólidos, líquidos, gases e plasmas, mas não requer qualquer movimento de massa da matéria. Em sólidos, é devido à combinação das vibrações das moléculas em um retículo cristalino e o transporte de energia por elétrons livres.[2] Os elétrons suscetíveis de mover denominam-se elétrons de condução no modelo do elétron livre.[3]
Em fluidos (líquidos e gases) o transporte de energia é resultante da não-uniformidade do número de choques por unidade de volume, durante seu movimento aleatório, semelhante ao fenômeno da difusão[1]pg 158. Em sólidos, a condução de calor é fornecida conjuntamente por condução de elétrons e vibração da rede cristalina (fônon)[1]pg 160.
Os metais e suas ligas, sejam sólidos ou líquidos, devido à elevada condutividade térmica, são excelentes meios de propagação de calor, normalmente associada à condutividade elétrica.[4] Os gases e alguns sólidos, que possuem baixa condutividade térmica, são considerados péssimos meios de propagação de calor, sendo definidos como isolantes térmicos.
Calor pode ser transferido por radiação e/ou convecção, e frequentemente mais que um destes processos ocorrem em uma dada situação.

A convecção termica

Convecção é o movimento de moléculas em fluidos (i.e. líquidos, gases e rheids). Ele não pode ter lugar em sólidos, uma vez que nem os fluxos de correntes de massa ou difusão significativos podem ocorrer em sólidos. A convecção térmica é soma de dois fenômenos físicos, a condução de calor (ou difusão de calor) e a advecção de um meio fluido (líquidos e gases).

Irradiação termica

        A irradiação ou radiação é o processo mais importante de propagação de calor, pois é através dele que o calor do Sol chega até a Terra. Sem esse processo não haveria vida na Terra.
        A irradiação é o processo de transferência de calor através de ondas eletromagnéticas, chamadas ondas de calor ou calor radiante.
        Enquanto a condução e a convecção ocorrem somente em meios materiais, a irradiação ocorre também no vácuo.
        De um modo geral podemos dizer que, em diferentes quantidades, todos os corpos emitem energia radiante devido a sua temperatura. Estas radiações, ao serem absorvidas por outro corpo, provocam, nele, uma elevação de temperatura.
        Quando uma pessoa está próxima de um corpo aquecido, em geral, recebe calor pelos três processos: condução, convecção e irradiação. Quanto maior for a temperatura do corpo aquecido, maior será a quantidade de calor transmitida por radiação.
        Absorção e reflexão
        A radiação térmica ao incidir em um corpo tem uma parte absorvida e outra refletida pelo corpo. Corpos escuros absorvem a maior parte da radiação que incide sobre eles, enquanto os corpos claros refletem quase totalmente a radiação térmica incidente. É por isso que um corpo preto, quando colocado ao Sol, tem sua temperatura sensivelmente elevada, ao contrário dos corpos claros, que absorvem pouco calor.

A garrafa termica

Uma garrafa térmica ou, simplificado, termo ou termos[1], é um recipiente portátil que tem como objetivo evitar a troca de calor entre o conteúdo que está em seu interior e o ambiente, mantendo sua temperatura temporariamente constante. Foi inventada em 1892 pelo físico-químico escocês James Dewar.
A garrafa térmica é construída de forma a dificultar as três formas de tranferência de calor: convecção, condução e irradiação. Portanto, é constituída por uma ampola com duas paredes de vidro (por ser um mau condutor de calor) muito delgado, com a forma do recipiente; entre essas paredes, é formado um ar rarefeito, que se assemelha ao vácuo, o que serve para evitar a convecção e a condução. Essas paredes também são espelhadas tanto no lado de fora quanto no de dentro, por isso consegue retardar a irradiação. Esta ampola é protegida por um invólucro exterior, que pode ser de metal ou plástico, para proteger a ampola e facilitar a sua portabilidade. As ampolas também podem se apresentar confeccionadas em material sintético ou aço inoxidável.

Capacidade termica

Capacidade térmica ou capacidade calorífica é a grandeza física que determina o calor que é necessário fornecer a um corpo para produzir neste determinada temperatura / variação térmica. A unidade usada no SI é J/K (Joule por Kelvin).
A capacidade térmica caracteriza o corpo, e não a substância que o constitui. Dois corpos de massas e de substâncias diferentes podem possuir a mesma capacidade térmica. Dois corpos de massas diferentes e de mesma substância possuem capacidades térmicas diferentes.
A grandeza que caracteriza uma substância é o calor específico.
A capacidade calorífica está também relacionada com as interacções intermoleculares, a estabilidade de uma fase, a condutividade térmica e a capacidade de armazenar energia.

O calor especifico de uma substancia

Calor específico é uma grandeza física que define a variação térmica de determinada substância ao receber determinada quantidade de calor. Também é chamado de capacidade térmica mássica. É constante para cada substância em cada estado físico. Pode-se dizer que o calor específico caracteriza uma substância (em determinado estado físico).
A unidade no SI é J/(kg.K) (joule por quilogramas por Kelvin). Uma outra unidade mais usual para calor específico é cal/(g.°C) (caloria por grama por grau celsius).
 Fórmulas
É possível calcular o calor específico de uma substância () a partir da capacidade térmica de u corpo composto por ela () e da massa desse corpo ().

Também é possível determinar o calor específico de uma substância a partir da quantidade de calor cedida a um corpo dessa substância (), da massa desse corpo, e da variação térmica () que ele sofre (temperatura final - temperatura inicial).

A tabela abaixo apresenta o calor específico de algumas substâncias à pressão constante de 1 atm.veja abaixo

O calor sensivel

Calor sensível é aquele que provoca apenas uma variação de temperatura dos corpos, diferenciando-se do calor latente, que muda a estrutura física dos mesmos. O calor específico determina a quantidade de calor que uma unidade de massa precisa perder ou ganhar para que aconteça uma redução ou elevação de uma unidade de temperatura sem, contudo, alterar sua estrutura. Assim, se o corpo é sólido, continua sólido, se é líquido continua líquido e, se é gasoso, continua gasoso.
O calor sensível é medido em cal/g.Cº. Essa medição irá nos informar a quantidade de calor (cal) que uma quantidade de massa (g) leva para aumentar ou diminuir sua temperatura (ºC). O calor sensível também é chamado de calor específico e se refere a uma unidade de massa, portanto não depende da massa do material considerado.