Matéria sob pressão
A mesma substância pode ser sólida, líquida ou gasosa, e suas moléculas nunca param de se mover. Esta seção avalia a matéria: densidade e pressão, a (P) energia necessária para aquecer ou fundir substâncias, e o comportamento do gás ideal que relaciona pressão, volume e temperatura.
Física Edexcel International GCSE 4PH1, Seção 5 (enunciados 5.1–5.22). As unidades incluem o pascal (Pa), kelvin (K) e (P) J/kg °C.
Densidade e pressão
A densidade é medida diretamente — massa em uma balança, volume por deslocamento (sólido irregular) ou dimensões (forma regular). A pressão em um fluido em repouso atua igualmente em todas as direções, e a diferença de pressão entre duas profundidades deve-se ao peso do fluido entre elas.
Exemplo resolvido. Um mergulhador a 10 m na água ($\rho = 1000\ \mathrm{kg/m^3}$, $g = 10$ N/kg): diferença de pressão $= 10 \times 1000 \times 10 = 100\,000$ Pa sobre a pressão atmosférica.
Mudança de estado (P)
O aquecimento aumenta a energia armazenada em um sistema — seja sua temperatura sobe, ou no ponto de fusão ou ponto de ebulção a energia extra rompe ligações enquanto a temperatura permanece constante. Partículas: sólidos vibram em pontos fixos; líquidos movem-se aleatoriamente mas tocam-se; gases movem-se rápido, distantes uns dos outros, em linhas retas entre colisões. Capacidade térmica específica é a energia necessária para elevar 1 kg em 1 °C:
Exemplo resolvido. Aquecendo 2 kg de água ($c = 4200\ \mathrm{J/(kg\ °C)}$) em 30 °C: $\Delta Q = 2 \times 4200 \times 30 = 252\,000$ J.
Moléculas de gás ideal
As moléculas gasosas movem-se aleatoriamente, exercendo força — e portanto pressão — sobre as paredes em cada colisão. O zero absoluto (−273 °C) é a temperatura na qual a energia cinética molecular é mínima: K = °C + 273. Temperatura mais alta → maior velocidade média molecular, e a temperatura em Kelvin é proporcional à energia cinética média das moléculas.
Para uma massa fixa de gás: a temperatura constante, pressão × volume é constante (apertá-lo faz as moléculas baterem nas paredes com mais frequência); volume constante, pressão/T (K) é constante (moléculas mais quentes batem com mais força):
Exemplo resolvido. Um gás a 100 kPa e 300 K é aquecido (volume constante) até 450 K: $p_2 = 100 \times 450/300 = 150$ kPa. Comprimido de 2 dm³ para 0.5 dm³ a temperatura constante: $p_2 = 100 \times 2/0.5 = 400$ kPa.
Verifique você mesmo
- Um bloco de 240 g tem volume 40 cm³. Calcule sua densidade em kg/m³.
- Enuncie a equação da pressão e sua unidade.
- Calcule a pressão sob um calcanhar de bota de 500 N com área de 0.01 m².
- (P) O que permanece constante na temperatura de uma substância enquanto ela funde?
- (P) Calcule a energia para aquecer 0.5 kg de alumínio (c = 900 J/(kg °C)) em 40 °C.
- Converta 27 °C para kelvin, e 373 K para °C.
- Por que um gás exerce pressão sobre seu recipiente?
- O que acontece com a velocidade molecular média quando a temperatura aumenta?
- Um gás a 120 kPa em 3 dm³ é comprimido para 1 dm³ à temperatura constante. Encontre a nova pressão.
- Cite duas condições que fazem a pressão de um gás dobrar.
Respostas: 1 $m = 0.24$ kg, $V = 4.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{m^3}$; $\rho = 0.24/4.0\times10^{-5} = 6000\ \mathrm{kg/m^3}$; 2 $p = F/A$, em pascals (N/m²); 3 $p = 500/0.01 = 50\,000$ Pa; 4 (P) temperatura — a energia serve para romper ligações intermoleculares, não para acelerar as moléculas; 5 (P) $\Delta Q = 0.5 \times 900 \times 40 = 18\,000$ J; 6 300 K; 100 °C; 7 suas moléculas colidem com as paredes, e cada colisão exerce uma força; a força total por unidade de área é a pressão; 8 aumenta; 9 $p_2 = 120 \times 3/1 = 360$ kPa; 10 dobrar a temperatura em Kelvin a volume constante, ou reduzir pela metade o volume a temperatura constante.