Biología

Lei de Boyle: relação entre pressão e volume do gás

Lei de Boyle


Quanto mais fundo um mergulhador vai, mais o volume do ouvido diminui devido à pressão.
Volume de ar do ouvido diminui mergulho autônomo

Johnny Dalton tem um grande dia pela frente. Ele está de férias na Ilha Ideal, onde todos os gases se comportam de maneira ideal. Johnny e sua família vão começar a manhã mergulhando pela ilha. Enquanto seguimos Johnny durante seu mergulho, estaremos prestando muita atenção ao papel que os gases desempenham nesta atividade. Mais especificamente, veremos como a Lei de Boyle nos ajuda a explicar e prever alguns dos comportamentos dos gases.

Johnny veste a roupa de neoprene e o tanque e pula na água. Conforme ele se abaixa sob a superfície da água, ele sente um pouco de pressão nos ouvidos, então tapa o nariz e engole para equalizá-los. A razão pela qual ele está sentindo essa pressão é porque a água ao redor está pressionando seu ouvido. Quanto mais fundo ele vai, mais água empurra seus ouvidos, o que faz com que ainda mais pressão seja colocada em seus ouvidos. À medida que a pressão aumenta na parte externa da orelha, o ar dentro da orelha é comprimido e o volume interno diminui. O ar não vai a lugar nenhum, apenas fica comprimido, o que causa aquela sensação desagradável que ele tinha antes de equalizar. Quando um mergulhador desce, ele precisa deixar um pouco do ar de dentro da orelha sair, o que reduz a pressão. Isso geralmente é feito apertando as narinas e tentando soprar suavemente pelo nariz. Se você tentar agora, poderá ouvir um pequeno som de estouro. É o som do ar entrando ou saindo do seu ouvido!

Outra coisa que Johnny nota enquanto desce é que seu compensador de flutuabilidade (que é apenas um colete cheio de ar) está ficando cada vez menor! Até sua roupa de mergulho está encolhendo! O quê está causando isto? Bem, um cientista chamado Robert Boyle descobriu que a pressão em um gás e seu volume são inversamente proporcionais entre si. Isso funciona para qualquer sistema fechado de gás, como a parte interna da orelha, o compensador de flutuação ou mesmo as milhares de pequenas bolhas embutidas em uma roupa de neoprene. Se a temperatura for mantida constante, a pressão de um gás aumenta à medida que seu volume diminui. O contrário também é verdade; conforme a pressão de um gás diminui, seu volume aumenta. Esta é a Lei de Boyle .


Robert Boyle descobriu como a pressão e o volume estão relacionados.
Diagrama e retrato de Boyle

Agora, enquanto Johnny estava mergulhando na água, todos aqueles pequenos ‘recipientes’ de gás ficaram menores. A razão pela qual eles fizeram está na Teoria Molecular Cinética, que abordamos anteriormente. Uma coisa que a teoria cinética molecular afirma é que as partículas de gás estão muito distantes umas das outras. Essa distância permite a compressão de gases. Se as partículas estiverem distantes, elas terão espaço para se aproximarem. Se as partículas já estiverem próximas (como estariam em um líquido ou sólido), há muito pouco espaço para compressão. Agora também sabemos que as partículas de gás se movem aleatoriamente e rapidamente e, cada vez que colidem com as paredes do recipiente, aplicam um pouco de pressão. Se mantivermos o mesmo número de partículas em um recipiente, todas com a mesma energia cinética, mas diminuirmos o tamanho do recipiente, as partículas irão atingir com mais frequência as paredes daquele recipiente, fazendo com que a pressão aumente.

Exemplos da lei de Boyle

Assim como na Lei de Avogadro, isso pode ser representado na forma de uma equação: P 1 V 1 = P 2 V 2. Usamos 1s e 2s para indicar o status antes e depois de uma alteração ter ocorrido. Além disso, as unidades de pressão e volume não importam, desde que sejam as mesmas para pressão e para volume. Então, digamos que você tenha um balão de 1 litro ao nível do mar (que tem 1 atmosfera). Se soltássemos o balão e permitíssemos que flutuasse até uma altitude em que experimentasse apenas 0,5 atmosfera, o que aconteceria com o volume? Bem, podemos pensar nisso de forma lógica: se a pressão diminuir pela metade, o volume dobrará. Ou podemos inserir números nesta equação. Nossa pressão inicial é de 1 atmosfera e nosso volume inicial é de 1 litro. A pressão final é de 0,5 atmosferas. Então, se resolvermos para V 2 – o volume final – isso nos dá 2 litros.


A equação para calcular a relação entre pressão e volume
Equação da Lei de Boyles

Vamos tentar outro exemplo. Se o colete de mergulho cheio de ar de Johnny retém 1,43 litros de ar a 1,03 atmosferas de pressão, que volume de ar ele reterá a 10 metros de profundidade, o que equivale a cerca de 2,03 atmosferas? Para resolver isso, começaremos com nossa equação. A pressão inicial vezes o volume inicial é igual à pressão final vezes o volume final. Nossa pressão inicial é de 1,03 atmosferas e nosso volume inicial é de 1,43 litros. Nossa pressão final é de 2,03 atmosferas e nosso volume final é desconhecido. Se isolarmos V 2 , descobriremos que é igual a (1,03 * 1,43) / 2,03, que é igual a 0,726 litros! Isso deve fazer sentido porque a pressão aumentou, então o volume deve diminuir.

Resumo da lição

Como Johnny está terminando sua aventura de mergulho, ele precisa se certificar de que não prenderá a respiração ao subir. Se ele não deixar um pouco de ar sair de seus pulmões enquanto nada para a superfície, ele pode danificar seus pulmões. Isso ocorre porque há menos pressão em seus pulmões conforme ele se move em direção à superfície. Conforme a pressão nos pulmões diminui, o volume de gás nos pulmões aumenta, o que pode causar uma situação perigosa. Tudo isso se aplica à Lei de Boyle , que estabelece que, enquanto a temperatura for mantida constante, a pressão e o volume de um gás são inversamente proporcionais entre si. Ou seja, se um aumenta, o outro diminui. Muitas vezes, a equação P 1 V 1 = P 2 V 2 é usado para fazer cálculos envolvendo a Lei de Boyle.

Resultados de Aprendizagem

Ao final deste vídeo, você será capaz de:

  • Explique a Lei de Boyle
  • Aplique a equação da Lei de Boyle para resolver problemas de pressão e volume