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Gay-Lussac: a importância da escala kelvin
Observe um ensaio real e compare o que acontece quando P/T usa a temperatura em graus Celsius e em kelvin.
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Learning Outcomes
Converter temperaturas em graus Celsius para kelvin usando dados reais do laboratório.
Calcular e comparar vários valores de P/T(K).
Explicar por que a razão usada na lei dos gases exige temperatura absoluta.
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Activity Content
Preview only. In a class session, students can fill in responses and submit their work to the teacher.
A escala muda o significado
5 min
Um gás a 40 °C está “duas vezes mais quente” que um gás a 20 °C? Não. A escala Celsius coloca 0 °C em um ponto relacionado à água; deslocar esse zero não mudaria o estado físico do gás. Na verdade, 20 °C e 293,15 K descrevem exatamente a mesma temperatura.
Essa diferença importa quando usamos uma razão. Na lei de Gay-Lussac, comparamos pressão e temperatura por meio de P/T. Para que essa razão tenha significado físico, a temperatura deve ser medida a partir de um zero que não seja apenas uma escolha convencional. A escala kelvin começa no limite inferior da temperatura, 0 K. Assim, ela permite comparar temperaturas absolutas, enquanto “o dobro de graus Celsius” não significa o dobro da temperatura absoluta.
Agora, duas equipes analisarão o mesmo recipiente aquecido. Uma calculará a razão usando graus Celsius, e a outra, kelvin. Você verificará quanto cada resultado varia e usará os dados do laboratório para decidir qual escala representa melhor a relação entre pressão e temperatura.
De graus Celsius para kelvin
Use a figura para lembrar a conversão. Cada par de marcas representa a mesma temperatura nas duas escalas. Na tabela, use K = °C + 273,15.
No modelo ideal, P/T(K) seria constante. O que você prevê para as leituras reais?
Justifique sua escolha em uma frase. Você pode mencionar o modelo ideal ou a incerteza das medições reais.
Observe de onde vêm os dados
12 min
Abra o laboratório e observe o aquecimento da mesma amostra de etanol em volume fixo. Antes de iniciar, prepare duas linhas, em uma folha ou anotação, com colunas para tempo, temperatura e pressão. Perto de 00:30 e de 03:30, registre a temperatura em °C e a pressão em kPa e, depois, converta as duas temperaturas para kelvin. A atividade também traz linhas do mesmo ensaio para comparação.
Abrir o laboratório de Gay-Lussac
A amostra fechada contém sempre a mesma quantidade total de etanol, e o recipiente mantém o volume fixo. O modelo ideal também considera fixa a quantidade na fase gasosa; o laboratório registra temperatura e pressão, não a quantidade presente em cada fase.
Abra o laboratório pelo botão desta atividade.
Na tela de configuração, escolha a única amostra disponível: 0,014 mol de etanol. A interface pode mostrar
0.014 moles ethanol #1.Inicie uma observação, que leva cerca de 4 minutos. Durante o ensaio, registre valores aproximados de temperatura e pressão nos instantes indicados na tabela a seguir.
Volte ao TEACH e complete a tabela antes de continuar a análise.
Leituras do laboratório
Os tempos já estão preenchidos. Copie as leituras observadas para as colunas de °C e kPa; as unidades aparecem nos cabeçalhos. Depois, converta cada temperatura para K e arredonde para uma casa decimal. Por fim, calcule cada P/T(K) e mantenha quatro casas decimais.
| Tempo do ensaio (min:s) | Temperatura °C | Pressão kPa | Temperatura K | P/T(K) kPa/K |
|---|---|---|---|---|
Depois de completar a tabela, o que você observa ao comparar os dois valores de P/T(K)?
Compare as razões
13 min
A lista traz três pontos de referência já calculados, todos do mesmo ensaio. Primeiro, as temperaturas em graus Celsius foram arredondadas para uma casa decimal; depois, somou-se 273,15 e o valor em kelvin foi arredondado para uma casa decimal. P/T aparece com quatro casas decimais. Use a lista como referência. Suas duas razões continuam sendo aquelas que você calculou com as leituras do laboratório.
Dados de referência
- Medição 1: T = 23,9 °C = 297,1 K; P = 87,76 kPa; P/T = 0,2954 kPa/K.
- Medição 41: T = 34,9 °C = 308,1 K; P = 91,36 kPa; P/T = 0,2965 kPa/K.
- Medição 61: T = 44,6 °C = 317,8 K; P = 95,48 kPa; P/T = 0,3004 kPa/K.
Cálculo em graus Celsius. Complete este formato: Razão inicial = ___ kPa/°C; razão final = ___ kPa/°C; variação relativa = ___ %. Use 87,76 / 23,9, 95,48 / 44,6 e |último − primeiro| / primeiro × 100. Arredonde as razões para duas casas decimais e a porcentagem para uma casa decimal.
Variação em kelvin. Use a primeira e a última razão da lista de referência para calcular |último − primeiro| / primeiro × 100. Mostre a operação e a porcentagem, arredondada para uma casa decimal.
Qual escala de temperatura produz a razão calculada mais estável?
Justifique a escolha anterior comparando a variação relativa calculada em graus Celsius com a calculada em kelvin a partir da lista de referência. Não refaça os cálculos.
Decida qual escala representa melhor a relação
8 min
Você calculou razões usando duas escalas que representam as mesmas temperaturas, mas colocam o zero em pontos diferentes. Use a estabilidade das razões e a posição do zero de cada escala para construir sua conclusão. Limite a resposta à comparação entre escalas de temperatura; pequenas diferenças entre leituras reais significam que você não deve afirmar que a razão é exatamente constante.
Conclusão. Em duas ou três frases, indique qual escala é adequada para a lei e explique por que seu zero físico é importante. Use pelo menos uma porcentagem como evidência.
Compare o resultado das suas duas razões P/T(K) com a previsão inicial. O que você faz com a previsão?