Lição do Teach
Pressão e volume de um gás: cápsula pequena, pressão grande
Experimente com um modelo de gás ideal para dimensionar uma câmara selada de amostra e depois aplique a relação a um caso novo. Trabalha a lei de Boyle. Só no navegador: sem laboratório nem materiais de sala de aula.
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Objetivos de aprendizagem
Usar um modelo de gás ideal para prever como a pressão muda quando o volume muda a temperatura fixa.
Justificar uma relação entre pressão e volume com leituras escolhidas do modelo.
Escolher e justificar um projeto que cumpra várias condições numéricas.
Aplicar a relação a um novo ponto de partida e dizer o que um modelo não consegue estabelecer sobre gases reais.
Visualização da atividade do estudante
Conteúdo da atividade
Apenas visualização. Em uma sessão de aula, os estudantes podem preencher respostas e entregar o trabalho ao professor.
A missão
Versão em texto da investigação
Um drone de pesquisa precisa trazer uma amostra de ar selada, mas a câmara é grande demais para o compartimento de retorno. Encontre o menor volume, em mililitros inteiros, que cumpra as regras de pressão da missão.
Todos os números desta lição vêm de um modelo de gás ideal. Nada aqui é medido em um equipamento real. Você pode experimentar com o modelo e usá-lo para tomar uma decisão, mas os valores dele não conseguem mostrar que os gases reais obedecem à regra com que o modelo foi construído.
Esta versão tem as mesmas perguntas da versão interativa e funciona sem gráficos. Responda a cada pergunta antes de continuar a leitura: nada nesta página impede você de ler adiante, e seu professor pode ver que você usou esta versão.
1. Preveja antes de observar
3 min
A câmara selada começa com 60 mL e 100 kPa de pressão absoluta. Uma capa térmica mantém o gás a 293 K (cerca de 20 °C).
Primeira previsão
A 30 mL, que pressão você prevê? Por quê? Explique o que reduzir o volume à metade poderia mudar.
Montagem de teste justo
Qual montagem isola o efeito do volume?
Confira sua montagem
Mantenha a vedação fechada e a temperatura fixa. Abrir a válvula muda a quantidade de gás; aquecer muda a temperatura. Qualquer uma das duas impediria você de isolar o efeito do volume.
2. Teste sua ideia de forma justa
4 min
Valores do modelo ideal, calculados e não medidos
Escolha pelo menos quatro leituras, incluindo 60 mL e 30 mL, que formem dois saltos iguais de volume. Copie-as na tabela.
- 60 mL → 100,0 kPa
- 55 mL → 109,1 kPa
- 50 mL → 120,0 kPa
- 45 mL → 133,3 kPa
- 40 mL → 150,0 kPa
- 35 mL → 171,4 kPa
- 30 mL → 200,0 kPa
São valores já estabilizados para uma quantidade fixa de gás a 293 K. Em uma compressão real rápida, o gás pode esquentar por um momento; este modelo não mostra isso.
Suas leituras do modelo (modelo ideal, não medidas)
Registre as leituras que você escolheu, uma por linha. Deixe as outras linhas vazias.
| Volume mL | Pressão do modelo kPa |
|---|---|
Dois saltos iguais
Quando o volume diminui em dois saltos iguais, quanto a pressão sobe em cada um? O que isso diz sobre a sua previsão?
3. Do padrão à previsão
4 min
Relação proposta
Qual grandeza você acha que se mantém constante?
Sua justificativa
Justifique sua relação com duas observações registradas.
Previsão a 24 mL
Use sua relação: que pressão você prevê a 24 mL, além dos volumes que você testou?
Explicação com partículas
Por que a pressão sobe à mesma temperatura?
Confira seu raciocínio
A 24 mL, o modelo dá 250 kPa: P × V se mantém em 6000 kPa·mL para a mesma quantidade de gás e a mesma temperatura. P + V muda (100 + 60 = 160, 200 + 30 = 230), e P ÷ V também.
As partículas colidem com cada região da parede com mais frequência. Elas não encolhem e, a temperatura fixa, mantêm a mesma velocidade média.
Aqui a pressão é absoluta: medida a partir do vácuo, não a partir do ar ao redor.
4. Até onde dá para comprimir?
4 min
Escolha o menor volume inteiro que cumpra as três regras. Estes limites pertencem a este desafio de projeto fictício.
- O compartimento da amostra comporta no máximo 40 mL.
- O limite de pressão absoluta é 180 kPa.
- Deixe pelo menos 10 kPa de margem abaixo desse limite.
Calcule P = 6000 ÷ V e depois margem = 180 − P. Anote cada tentativa.
Seu volume
Qual é o menor volume inteiro que cumpre as três regras?
Por que um volume menor não serve
Por que um volume menor, em mL inteiros, não serviria? Use os números deste desafio.
Confira seu projeto
36 mL dá 166,7 kPa e 13,3 kPa de margem. 35 mL dá 171,4 kPa e só 8,6 kPa de margem. Estas são regras de projeto para a sala de aula, não uma certificação de segurança para qualquer equipamento.
5. O que este modelo pode e não pode dizer
2 min
Você usou uma relação inversa para tomar uma decisão. O modelo foi construído com P × V constante, então experimentar com ele não podia testar essa regra com um gás real. Uma seringa real poderia. Seu professor pode propor a lição Boyle da LabsLand, em que você trabalha com medições gravadas em um equipamento real.
Reflexão
Que observação faria você duvidar deste modelo? (Opcional)
Uma última pergunta
3 min
Esta pergunta é sobre uma seringa real, não sobre o modelo. Ela não tem dicas nem retorno automático. Seu professor lê o seu raciocínio.
Uma seringa real começa a 86 kPa com 60 mL de ar selado, a uma temperatura fixa.
Leitura esperada a 30 mL
Que leitura você espera a 30 mL?
Leitura esperada a 45 mL
Que leitura você espera a 45 mL?
Seu raciocínio
Explique como você chegou a essas leituras.
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