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Manômetro: dispositivo que mede a pressão de gases

Você saberia dizer quais são os três principais estados da matéria? Se você respondeu sólido, líquido e gasoso, você acertou! E desses três estados em que a matéria pode se apresentar, qual é o mais simples? Se você respondeu gasoso, você acertou de novo. Os gases são a matéria que conhecemos no estado gasoso. Vejamos agora como um gás se comporta e quais são as suas propriedades.

Os gases são formados por partículas, sejam moléculas ou átomos individuais, em movimento caótico, ou seja, que se movimentam de forma aleatória. Contrastam com os sólidos por não apresentarem forma definida. Diferem dos líquidos por sempre ocuparem todo o volume do recipiente que os contém. Para estudarmos o comportamento de um gás, devemos conhecer três propriedades fundamentais e como elas se relacionam entre si. São elas a pressão, o volume e a temperatura.

A pressão pode ser entendida como uma força que é aplicada sobre uma determinada área. Quanto maior a força aplicada, maior será a pressão. Porém, se a área em que a força for aplicada aumentar, a pressão vai diminuir. Um clássico exemplo dessa relação pode ser visto quando alguém deita em uma cama de pregos. Ali, a força peso da pessoa é distribuída sobre uma área expressiva, que é a soma das áreas das pontas de cada prego. Com tantos pregos, diminui a pressão exercida por cada prego sobre a pele da pessoa. Em um gás, a pressão provém do grande número de partículas colidindo com as paredes do recipiente.

O volume ocupado por uma determinada porção de matéria é a região do espaço em que ela está contida. Se uma amostra de gás está dentro de uma garrafa de dois litros, sabemos que o seu volume também será de dois litros. Podemos generalizar e dizer que o volume ocupado por um gás é o mesmo do recipiente que o contém.

Outra propriedade fundamental usada para descrever o comportamento de um gás é a temperatura. Na teoria dos gases ideais, ela se associa ao grau de agitação das partículas. Ou seja, quanto maior a temperatura, maior será o grau de agitação das partículas do gás. O estado gasoso já é aquele no qual as partículas estão mais agitadas, em comparação com os estados sólido e líquido. De fato, para uma pressão constante, o estado gasoso é aquele alcançado às temperaturas mais elevadas.

As primeiras relações entre as grandezas que essas propriedades representam foram feitas pelo filósofo e cientista irlandês Robert Boyle (1627-1691). Por meio de experimentos, ele percebeu que, à temperatura constante, o volume de um gás diminui à medida que pressão exercida sobre ele aumenta. Essa observação ficou conhecida como lei de Boyle.

Algum tempo depois, o cientista francês Jacques Alexandre César Charles (1746-1823) descobriu que, se mantida a pressão constante, o volume de um gás aumentará sempre que sua temperatura aumentar, e que, se a temperatura desse gás diminuir, o volume irá diminuir junto. Essa relação ficou conhecida como lei de Charles.

Contemporâneo de Charles e também francês, o cientista Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) percebeu uma relação parecida entre temperatura e pressão. Se mantido o volume constante, a pressão de um gás aumenta sempre que a sua temperatura aumentar. Essa é a lei das combinações volumétricas ou lei de Gay-Lussac.

A última contribuição ao estudo dos gases foi feita pelo cientista italiano Amedeo Avogadro (1776-1856) que relacionou pressão, volume e temperatura de um gás à quantidade de partículas contidas nesse mesmo gás. Essa relação ficou conhecida como princípio de Avogadro. Ela nos diz que, a uma determinada temperatura e pressão, uma quantidade definida de partículas ocupará sempre o mesmo volume, independentemente da identidade do gás.

A combinação das três leis com o princípio de Avogadro dá origem ao que hoje conhecemos como lei dos gases ideais. Essa lei mostra como cada uma dessas grandezas varia em relação a outra. Além disso, a lei usa uma constante universal, conhecida como constante universal dos gases, que é a mesma, não importa qual gás esteja sendo estudado. Essa constante é a responsável por fazer a relação entre pressão e volume com o número de partículas e a temperatura.

Entretanto, a lei dos gases ideais não pode ser usada em qualquer estudo de gases. Por quê? Porque a lei só vale irrestritamente para gases ideais. Na realidade, nenhum gás é ideal, ou seja, nenhum gás tem o comportamento tal como descrito pela lei dos gases ideais. Os gases que existem na natureza são conhecidos como gases reais.

Mesmo que não existam gases ideais, o comportamento dos gases reais pode ser previsto e estudado pela lei dos gases ideais. Mas em que situação isso acontece? Os gases reais obedecem bem a lei dos gases ideais quando sua pressão é baixa. Isso explica por que, mesmo não existindo gases ideais, foi possível construir uma equação que relaciona muito bem as variáveis pressão, temperatura e volume. Os experimentos que levaram à descoberta da lei dos gases ideais foram feitos sob baixas pressões.

Entender o comportamento dos gases permitiu o desenvolvimento de novas tecnologias. Os gases tiveram uma participação muito especial na Revolução Industrial, entre os séculos XVIII e XIX. A máquina a vapor possibilitou o aumento da produção de manufaturas, além de um grande progresso dos meios de transporte, como o navio a vapor e a locomotiva. E você, consegue pensar em mais alguma utilidade para os gases?