BIO GASES ANESTÉSICOS. Um tipo de mistura de gás usado na anestesiologia é uma mistura
(por volume) de óxido nitroso
e oxigênio
, que pode ser pré-misturada e mantida em um cilindro para uso posterior. Como esses dois gases não reagem quimicamente a 2.000 psi ou abaixo disso, nas temperaturas ambientes típicas, eles formam uma única fase gasosa homogênea, que pode ser considerada um gás ideal. No entanto, se a temperatura cair para menos de
, o
pode começar a se condensar da fase gasosa. Então, qualquer gás removido do cilindro inicialmente será quase
puro; à medida que o cilindro se esvazia, a proporção de
diminui até que o gás vindo do cilindro seja quase
puro.
19.63 Em um teste dos efeitos de baixas temperaturas sobre a mistura de gás, um cilindro cheio a
e 2.000 psi (pressão manométrica) é resfriado lentamente e a pressão é monitorada. Qual é a pressão esperada a
se o gás continuar sendo uma mistura homogênea? (a) 500 psi ; (b) 1.500 psi ; (c) 1.830 psi ; (d) 1.920 psi .
19.64 Em outro teste, a válvula de um cilindro de 500 L cheio da mistura de gás a 2.000 psi (pressão manométrica) é totalmente aberta para que o gás saia do cilindro muito rapidamente. Por que algum
se condensa durante esse processo? (a) Este é
um processo isocórico em que a pressão diminui, de modo que a temperatura também diminui. (b) Por causa da rápida expansão, o calor é removido do sistema, de modo que a energia interna e a temperatura do gás diminuem. (c) Este é um processo isobárico, de modo que, quando o volume aumenta, a temperatura diminui proporcionalmente. (d) Com a rápida expansão, o gás em expansão realiza trabalho sem entrada de calor, de modo que a energia interna e a temperatura do gás diminuem.
19.65 Você tem um cilindro que contém 500 L da mistura de gás pressurizada a 2.000 psi (pressão manométrica). Um regulador define o fluxo de gás para entregar
na pressão atmosférica. Suponha que esse fluxo seja lento o suficiente para que a expansão seja isotérmica e os gases permaneçam misturados. Quanto tempo levará para que o cilindro seja esvaziado? (a) 1 hora; (b) 33 horas; (c) 57 horas; (d) 140 horas.
19.63 Em um teste dos efeitos de baixas temperaturas sobre a mistura de gás, um cilindro cheio a
19.64 Em outro teste, a válvula de um cilindro de 500 L cheio da mistura de gás a 2.000 psi (pressão manométrica) é totalmente aberta para que o gás saia do cilindro muito rapidamente. Por que algum
um processo isocórico em que a pressão diminui, de modo que a temperatura também diminui. (b) Por causa da rápida expansão, o calor é removido do sistema, de modo que a energia interna e a temperatura do gás diminuem. (c) Este é um processo isobárico, de modo que, quando o volume aumenta, a temperatura diminui proporcionalmente. (d) Com a rápida expansão, o gás em expansão realiza trabalho sem entrada de calor, de modo que a energia interna e a temperatura do gás diminuem.
19.65 Você tem um cilindro que contém 500 L da mistura de gás pressurizada a 2.000 psi (pressão manométrica). Um regulador define o fluxo de gás para entregar
Passo 1
Vou listar claramente o que cada item pede e quais dados o enunciado fornece (tudo isso é retirado do enunciado que você enviou).
-
Dado comum aos itens:
- Mistura gasosa
por volume de e . - Cilindro cheio a pressão manométrica
(isto é, acima da atmosfera). - Temperaturas e volumes indicados nos itens.
- Mistura gasosa
-
Item 19.63 pede: calcular a pressão esperada a
se o gás continuar homogêneo (ou seja, se permanecer comportamento de gás ideal e não houver condensação). Opções: (a) ; (b) ; (c) ; (d) . -
Item 19.64 pede: ao abrir rapidamente a válvula de um cilindro de
cheio a , por que algum se condensa? São dadas quatro justificativas; preciso escolher a correta entre (a), (b), (c), (d). -
Item 19.65 pede: com um cilindro contendo
da mistura a (manométrica) e um regulador que entrega à pressão atmosférica, supondo que o escoamento é suficientemente lento para ser isotérmico e a mistura permanece homogênea, quanto tempo levará para esvaziar o cilindro? Opções: (a) hora; (b) horas; (c) horas; (d) horas.
Agora começo a resolver passo a passo cada item.
Passo 2
Conceitos e fórmulas que vamos usar (aulas rápidas e claras):
-
Lei dos gases ideais e proporcionalidade com temperatura em volume constante.
- A lei dos gases ideais pode ser escrita como
, onde: -
é a pressão absoluta do gás, -
é o volume ocupado pelo gás, -
é o número de mols, -
é a constante universal dos gases, -
é a temperatura absoluta em kelvin.
-
- Se o volume
e a quantidade permanecem constantes (cilindro fechado, sem condensação), então e podemos usar a relação em forma de razão:
- A lei dos gases ideais pode ser escrita como
-
Importante: pressão manométrica (gauge) precisa ser convertida em pressão absoluta para usar a lei dos gases ideais.
- Pressão absoluta é
. - Vou usar
(valor conhecido da pressão atmosférica padrão).
- Pressão absoluta é
-
Conversão de temperatura Celsius para Kelvin:
-
.
-
-
Para o tempo de esvaziamento isotérmico e lento (item 19.65):
- A quantidade de gás no cilindro é proporcional à
. - A quantidade de gás entregue por minuto à pressão atmosférica equivale a um volume por minuto medido à pressão
. - Portanto o volume equivalente à pressão atmosférica que existe no cilindro é:
- Tempo de esvaziamento
.
- A quantidade de gás no cilindro é proporcional à
Passo 3
Resolvendo 19.63 passo a passo (pressão esperada a
mantendo fase gasosa homogênea).
-
Converter temperaturas para kelvin:
-
. -
.
-
-
Converter pressão manométrica inicial para pressão absoluta:
-
. -
. -
-
-
Aplicar a relação
(volume constante do cilindro): -
-
Calcular numericamente (faço as contas explicadas):
- Primeiro a razão de temperaturas:
- Portanto
- Primeiro a razão de temperaturas:
-
Mostrar pressão manométrica (o que aparecem nas opções): subtrair a pressão atmosférica para voltar ao valor gauge:
-
- Arredondando para os três algarismos e comparando com as alternativas, isso corresponde a aproximadamente
, isto é a alternativa (c).
-
Passo 4
Resolver 19.64 (por que algum
se condensa quando a válvula é aberta rapidamente).
-
Entender o cenário físico: abertura rápida permite que o gás saia e o gás no interior do cilindro se expande rapidamente; há pouco tempo para troca de calor com o ambiente (processo rápido ≈ adiabático). A expansão rápida faz com que o gás realize trabalho ao empurrar o fluxo para fora e acelerar o jato; se não entra calor suficiente para repor a energia, a energia interna do gás dentro do cilindro diminui e a temperatura cai.
-
Comparar as opções dadas:
- (a) afirma que é processo isocórico com pressão diminuindo — contraditório: isocórico significa volume constante; aqui o gás livre dentro do cilindro sai e efetivamente a pressão interna cai devido à expansão/saída, não é justo chamar de isocórico.
- (b) diz que “por causa da rápida expansão, o calor é removido do sistema” — isso implica transferência de calor para fora; mas o correto para um processo rápido é que não há tempo para transferência de calor significativa com o ambiente (não é que calor seja removido ativamente).
- (c) diz que é isobárico — falso, pressão não se mantém constante durante esvaziamento rápido.
- (d) diz que “com a rápida expansão, o gás em expansão realiza trabalho sem entrada de calor, de modo que a energia interna e a temperatura do gás diminuem.” — isto descreve um processo adiabático (ou aproximadamente adiabático) onde o gás faz trabalho e arrefece, o que pode levar à condensação do componente com ponto de condensação mais alto (
). Essa explicação é fisicamente correta.
-
Conclusão: a alternativa correta é (d). Em palavras mais amigáveis: o gás se expande rápido, faz trabalho para sair e não recebe calor suficiente do ambiente durante esse tempo, então sua temperatura cai — e como
tem ponto de condensação relativamente alto, parte dele pode condensar.
Passo 5
Resolver 19.65 (tempo para esvaziar o cilindro com fluxo lento isotérmico e mistura homogênea).
-
Dados:
- Volume físico do cilindro:
. - Pressão manométrica inicial:
. - Pressão absoluta inicial:
. - Pressão atmosférica:
. - Vazão entregue pelo regulador medida à pressão atmosférica:
. - Processo lento isotérmico → o gás sai sem condensação e cada porção de gás dentro do cilindro pode ser contabilizada pela relação dos volumes equivalentes à pressão atmosférica.
- Volume físico do cilindro:
-
Volume equivalente à pressão atmosférica que está “armazenado” no cilindro:
- Usando a proporcionalidade
e convertendo para o volume que esse gás ocuparia à pressão atmosférica,
- Usando a proporcionalidade
-
Calcular a razão de pressões:
-
-
Calcular
: -
-
Tempo para esvaziar com vazão
: -
- Converter para horas:
-
-
Arredondando e comparando com as alternativas, isso é aproximadamente
, ou alternativa (d).
Resposta
19.63 (c)
19.64 (d)
19.65 (d)
19.64 (d)
19.65 (d)