Explique por que a compressão de um gás a temperatura constante pode fazer com que ele se liquefaça.
À temperatura constante, a energia cinética média de uma coleção de partículas permanece constante. A compressão aproxima as partículas e aumenta o número de colisões entre partículas. Com mais colisões, a probabilidade de atrações intermoleculares fazendo com que as partículas se juntem (liquefação) é maior.
À temperatura constante, a energia cinética média de uma coleção de partículas permanece constante. A compressão aproxima as partículas e aumenta o número de colisões entre partículas. Com mais colisões, a probabilidade de atrações intermoleculares fazendo com que as partículas se juntem (liquefação) é maior.
Passo 1
O enunciado pede para explicar por que, em uma compressão de um gás feita à temperatura constante (processo isotérmico), esse gás pode mudar de fase e passar ao estado líquido. O conteúdo envolvido é o modelo cinético dos gases e as interações intermoleculares, e vamos usar conceitos de energia cinética média e de forças de atração entre partículas para entender o fenômeno.
Passo 2
Em um processo isotérmico, a temperatura
do gás permanece a mesma, portanto a energia cinética média de cada molécula também não varia. No modelo cinético dos gases ideais temos
onde
é a massa da partícula,
é a velocidade quadrática média e
é a constante de Boltzmann. Como
é constante, a tendência ao descolamento das moléculas (devido à energia cinética) permanece igual.
Passo 3
Ao comprimir o gás, reduzimos o volume disponível e as moléculas ficam mais próximas. Isso provoca duas coisas importantes:
- A pressão
no interior do recipiente aumenta, pois as colisões das moléculas contra as paredes ocorrem com maior frequência. - A distância média intermolecular diminui, aumentando a frequência de colisões entre as próprias moléculas.
Passo 4
Quando as moléculas se aproximam suficientemente, as forças de atração intermolecular (por exemplo as forças de van der Waals) tornam-se significativas. Se essas forças de coesão superarem a tendência das moléculas a se manterem dispersas (que vem da energia cinética), elas passam a formar associações estáveis, levando à condensação do gás em líquido. Em outras palavras, a energia potencial de atração domina e faz as partículas “grudarem”, mesmo sem reduzir
.
Resposta
A compressão isotérmica aproxima tanto as moléculas que as forças de atração intermolecular passam a vencer a energia cinética constante, levando o gás à liquefação.