Transformações gasosas

Guia de estudo · Revisado em 16/09/2026

BNCC · EM13CNT101

O pneu calibrado de manhã marca mais depois da estrada sem que ninguém tenha posto ar; a lata de desodorante avisa para não deixá-la no sol; a seringa tampada devolve o dobro da força quando o êmbolo vai à metade; o balão de ar quente sobe com o envelope aberto. Em cada cena três números mudam e um fica parado: qual grandeza ficou constante, e como isso decide a conta?

O que você vai aprender

  • Descrever o estado de um gás pela trinca (p, V, T) com n fixo, converter sempre a temperatura para kelvin (T = t + 273) e distinguir variações de temperatura, iguais nas duas escalas, de razões, que só valem em kelvin.
  • Diferenciar pressão absoluta de pressão manométrica no pneu, no êmbolo com peso (p = p_atm + Mg/A) e na coluna de líquido (p = p_atm + ρgh), usando sempre a absoluta nas leis dos gases.
  • Explicar pressão e temperatura pela teoria cinética (pressão como colisões contra as paredes; temperatura absoluta proporcional à energia cinética média de translação), enunciar as hipóteses do gás ideal e reconhecer seu domínio de validade (baixa pressão, alta temperatura).
  • Aplicar a lei geral p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂ e reconhecer as transformações isotérmica (pV constante, Boyle), isobárica (V/T constante, Charles) e isocórica (p/T constante, Gay-Lussac) pelo que fica constante, com a proporção correta em cada caso.
  • Ler e desenhar as assinaturas de cada transformação nos planos p × V (hipérbole, horizontal, vertical), V × T e p × T (retas pela origem em kelvin, inclinações nR/p e nR/V), ordenar isotermas por temperatura e contar isotermas cruzadas em um caminho.
  • Obter o zero absoluto (−273 °C) pela extrapolação da reta V × t ou p × t de um gás ideal e ler, da inclinação, a pressão ou o volume do experimento, reconhecendo a extrapolação como construção do modelo.
  • Usar a equação de Clapeyron pV = nRT com R = 0,082 atm·L/(mol·K) ou 8,31 J/(mol·K), o volume molar nas CNTP (22,4 L), o princípio de Avogadro, a densidade ρ = pM/(RT) e a lei de Dalton para calcular quantidade, massa, volume e densidade de gases e misturas.
  • Reconhecer situações em que n varia (balão aberto, vazamento, válvula) e resolvê-las com pV = nRT em cada estado, em vez da lei geral, e distinguir, no plano p × V, a adiabática da isoterma pela inclinação.
  • Evitar os erros que a banca planta: Celsius numa proporção, isotérmica confundida com adiabática, p e V 'diretamente proporcionais', pressão manométrica no lugar da absoluta, lei geral em recipiente aberto, mol de gás 'do tamanho de um copo', volume 'proporcional à massa molar' e 'gás ideal existe'.

O pneu calibrado de manhã com 32 psi marca 37 psi depois de duas horas de estrada, e ninguém pôs ar nele. A lata de desodorante avisa em letras grandes “não exponha ao sol nem a temperaturas acima de 50 °C”. Tampe com o dedo a ponta de uma seringa, leve o êmbolo até um terço do curso e sinta o ar devolver o empurrão com o triplo da força. Um balão de ar quente sobe quando o queimador acende, embora o envelope esteja aberto embaixo e a pressão lá dentro seja a mesma de fora. As quatro cenas têm o mesmo enredo: um gás preso (ou quase) que muda de estado. E a pergunta que resolve todas, antes de qualquer fórmula, é uma só: o que ficou constante? No pneu, o volume; na seringa, a temperatura; no balão, a pressão; na lata ao sol, o volume de novo, e é por isso que ela pode estourar.

Esta página é o mapa dessas mudanças. Primeiro os quatro números que descrevem um gás e a escala de temperatura que a prova exige; depois o retrato microscópico que dá sentido a esses números (a teoria cinética); depois a lei geral p1V1/T1=p2V2/T2p_1V_1/T_1 = p_2V_2/T_2 e suas três filhas com nome próprio, cada uma com sua assinatura num gráfico; a reta que, prolongada, cai no zero absoluto; a equação de Clapeyron pV=nRTpV = nRT, que entra em cena quando é preciso saber quanto gás há; e o caso em que o gás entra ou sai, o balão aberto e o pneu que vaza. O que acontece com calor, trabalho e energia interna durante essas transformações é a página vizinha da primeira lei da termodinâmica; como se lê pressão numa coluna de líquido é hidrostática; e a fronteira em que o gás vira líquido pertence a mudanças de estado físico. Aqui essas ideias entram só pelo nome.

O estado de um gás em quatro grandezas

Um gás não tem forma nem volume próprios: ocupa o recipiente inteiro. Descrever a situação em que ele se encontra exige medir quatro coisas: a força por área com que ele pressiona as paredes, o espaço que lhe foi dado, o grau de agitação de suas partículas e a quantidade de partículas presentes.

As variáveis de estado e a escala que a lei dos gases exige
grandeza símbolo unidades de prova o que é
pressão pp pascal (Pa), atmosfera (atm), kPa, psi força por área sobre as paredes; 1 atm=101 325 Pa≈1,0×105 Pa≈14,7 psi=760 mmHg1\ \text{atm} = 101\,325\ \text{Pa} \approx 1{,}0 \times 10^5\ \text{Pa} \approx 14{,}7\ \text{psi} = 760\ \text{mmHg}
volume VV litro (L), metro cúbico (m³), mL o volume do recipiente; 1 m3=1 000 L1\ \text{m}^3 = 1\,000\ \text{L}, 1 L=10−3 m3=1 000 mL1\ \text{L} = 10^{-3}\ \text{m}^3 = 1\,000\ \text{mL}
temperatura TT kelvin (K), sempre T(K)=t(°C)+273T(\text{K}) = t(°\text{C}) + 273
quantidade de matéria nn mol quantos mols de partículas há; num recipiente fechado, não muda

Enquanto o recipiente estiver fechado, nn é um número fixo, e o que caracteriza o gás é o terno (p,V,T)(p, V, T): esse terno é o estado. Qualquer alteração em um dos três valores configura uma transformação. Guarde os pares que mais aparecem na prova: 27 °C→300 K27\ °\text{C} \to 300\ \text{K}, 127→400127 \to 400, 227→500227 \to 500, 327→600327 \to 600; e 0 °C→273 K0\ °\text{C} \to 273\ \text{K}, −73 °C→200 K-73\ °\text{C} \to 200\ \text{K}.

A escala kelvin não é capricho. A escala Celsius planta seu zero num ponto escolhido por conveniência, a fusão do gelo; a escala kelvin planta o zero num limite da natureza, o estado em que a agitação térmica das partículas seria a menor possível. Só uma escala com zero físico serve para proporções: “dobrar a temperatura” só tem sentido em kelvin. Intervalos, por outro lado, coincidem nas duas escalas, porque o grau Celsius e o kelvin têm o mesmo tamanho: esquentar algo em 30 °C é esquentá-lo em 30 K. Já um quociente entre duas temperaturas só é legítimo em kelvin. Essa distinção decide metade dos itens de gases da prova, e a banca sabe disso: ela fornece os dados em graus Celsius e espera que você converta antes de dividir.

Exemplo resolvido (o terno do pneu). Um pneu de 35 L é calibrado numa manhã fria, a 17 °C, com 2,5 atm. Primeiro passo, sempre: T=17+273=290 KT = 17 + 273 = 290\ \text{K}. Estado inicial: (2,5 atm; 35 L; 290 K)(2{,}5\ \text{atm};\ 35\ \text{L};\ 290\ \text{K}). Depois de duas horas de estrada, o ar dentro do pneu está a 46 °C, ou seja, 319 K319\ \text{K}; o pneu é rígido, então continua com 35 L. A única grandeza que se alterou foi TT, e a razão entre o valor novo e o antigo é 319/290=1,10319/290 = 1{,}10; a pressão, como a seção da lei geral vai mostrar, acompanha na mesma razão: 2,5×1,10=2,75 atm2{,}5 \times 1{,}10 = 2{,}75\ \text{atm}. Quem dividisse as temperaturas em Celsius, 46/17≈2,746/17 \approx 2{,}7, chegaria a quase 7 atm, e teria de explicar por que o pneu não explodiu na estrada. Conferência: 29 K a mais sobre 290 K são 10 %, e a pressão subiu 10 %.

O manômetro mede o excesso; a lei dos gases quer a pressão absoluta

O calibrador do posto marca 32 psi, mas o ar dentro do pneu não está a 32 psi: está a 32 psi acima da pressão atmosférica. Todo manômetro comum, o do pneu, o do botijão, o da panela de pressão, mede a diferença entre a pressão do gás e a pressão do ar em volta, porque o ar de fora empurra o instrumento pelo outro lado. Essa leitura é a pressão manométrica (ou relativa, ou efetiva). A pressão que entra em qualquer lei dos gases é a absoluta: a manométrica somada à atmosférica.

Pressão absoluta e pressão manométrica

pabsoluta=patm+pmanomeˊtricap_{\text{absoluta}} = p_{\text{atm}} + p_{\text{manométrica}}

Três maneiras de a prova apresentar a mesma conta:

  • Pneu, botijão, panela: o mostrador dá a manométrica. Pneu a 32 psi: 32/14,7≈2,2 atm32/14{,}7 \approx 2{,}2\ \text{atm} acima da atmosfera; absoluta ≈1,0+2,2=3,2 atm\approx 1{,}0 + 2{,}2 = 3{,}2\ \text{atm}.
  • Êmbolo com peso: um pistão de área AA e um bloco de massa MM apoiados sobre o gás, em equilíbrio. O gás empurra para cima com pApA; para baixo agem a atmosfera, patmAp_{\text{atm}}A, e o peso, MgMg. Logo p=patm+Mg/Ap = p_{\text{atm}} + Mg/A.
  • Coluna de líquido (tubo em U): um ramo ligado ao gás, o outro aberto; o líquido fica hh mais baixo do lado do gás. Então p=patm+ρghp = p_{\text{atm}} + \rho g h, a mesma conta da hidrostática. Referências: 76 cm de mercúrio valem 1 atm; cerca de 10 m de água valem 1 atm.

Um manômetro que marca zero diz que o gás está à pressão atmosférica, não que está sem pressão. E pressão manométrica negativa (vácuo parcial) é possível; absoluta negativa, não.

Três painéis. À esquerda, um pneu com manômetro marcando 32 psi e a conta: 32 psi equivalem a 2,2 atm acima da atmosférica; pressão absoluta igual a 1 mais 2,2, igual a 3,2 atm. No centro, um cilindro com gás sob um êmbolo de área A que sustenta um bloco de massa M; setas indicam a pressão atmosférica e o peso sobre o êmbolo e a pressão do gás por baixo; fórmula p igual a p atmosférica mais M g sobre A. À direita, um tubo em U com líquido, um ramo ligado a um recipiente de gás e o outro aberto; o líquido está h mais baixo do lado do gás; fórmula p igual a p atmosférica mais rô g h. Uma faixa inferior diz que a leitura do manômetro é p menos p atmosférica e que dobrar a temperatura absoluta dobra a pressão absoluta, não a leitura.
Três manômetros, uma regra: a pressão absoluta é a atmosférica mais o que o medidor mostra. No pneu, 32 psi de leitura são 3,2 atm absolutas; no êmbolo, p=patm+Mg/Ap = p_{\text{atm}} + Mg/A; na coluna, p=patm+ρghp = p_{\text{atm}} + \rho g h. Diagrama autoral.
Dobrar a temperatura não dobra a leitura do manômetro

Um pneu marca 32 psi (absoluta 3,2 atm) a 290 K. Se, num pneu rígido e fechado, a temperatura absoluta subisse 10 %, a pressão absoluta iria a 3,2×1,1=3,52 atm3{,}2 \times 1{,}1 = 3{,}52\ \text{atm} e o mostrador subiria de 32 para cerca de 37 psi. Quem aplica o fator 1,1 diretamente sobre a leitura acha 35,2 psi e erra, porque tratou a pressão manométrica como se fosse a absoluta. A ordem é sempre a mesma: leitura → absoluta → lei dos gases → absoluta → leitura. Quando o enunciado dá “pressão de 2,0 atm” sem falar em manômetro, tome-a como absoluta; quando fala em “leitura”, “indicação”, “manômetro” ou “calibragem”, some a atmosférica.

O retrato microscópico: partículas, colisões e agitação

Alguém frita bacon na cozinha e, pouco depois, o cheiro chega ao quarto do fundo, de porta fechada e janela sem corrente de ar: moléculas saíram da frigideira e percorreram a casa por conta própria. Encha de ar um pneu de bicicleta com uma bomba manual e repare em dois detalhes: quanto mais cheio o pneu, mais difícil fica empurrar, e o corpo da bomba vai esquentando. Nenhuma dessas observações cabe num modelo de gás como substância contínua e parada. Cabem todas num modelo em que o gás é uma multidão de partículas minúsculas, quase todo vazio entre elas, cada uma correndo em linha reta até trombar com outra ou com uma parede. Esse modelo chama-se teoria cinética, e é ele que explica o que a pressão e a temperatura da seção anterior realmente medem.

Os postulados da teoria cinética e o gás ideal
  1. Movimento perpétuo e caótico. As partículas (moléculas ou átomos) nunca param; cada uma segue em linha reta até a próxima colisão, e as separações entre elas são imensas se comparadas ao tamanho de cada partícula.
  2. Pressão vem de choques. Cada partícula que atinge a parede transfere a ela um pouco de quantidade de movimento; a soma de bilhões desses choques por segundo, dividida pela área, é a pressão. Choques mais frequentes ou mais fortes, pressão maior.
  3. Temperatura mede energia cinética. A temperatura absoluta é, a menos de uma constante, a energia cinética média que as partículas carregam em seu movimento de translação: ⟨Ec⟩=32kBT\langle E_c \rangle = \tfrac{3}{2} k_B T, com kB=R/NA=1,38×10−23 J/Kk_B = R/N_A = 1{,}38 \times 10^{-23}\ \text{J/K} (a 300 K, cerca de 6×10−216 \times 10^{-21} J por partícula). Se dois gases distintos estão na mesma temperatura, suas partículas têm, em média, a mesma energia cinética, o que não quer dizer a mesma velocidade: para carregar a mesma energia, uma molécula leve precisa correr mais. A velocidade quadrática média é vrms=3RT/Mv_{rms} = \sqrt{3RT/M}; hidrogênio (M=2M = 2 g/mol) e oxigênio (M=32M = 32 g/mol) à mesma temperatura têm vH2/vO2=32/2=4v_{H_2}/v_{O_2} = \sqrt{32/2} = 4.

Gás ideal é a versão mais simples desse retrato: o volume das partículas é tratado como nulo diante do volume do recipiente, elas não se atraem nem se repelem a distância, e cada colisão conserva a energia cinética. Como não há energia de interação, toda a energia interna é a soma das energias cinéticas, e por isso ela é função da temperatura e de nada mais. Gás ideal de verdade não existe, mas o ar da sala, o CO₂ de um refrigerante aberto e o vapor de uma chaleira obedecem a esse modelo com erro pequeno enquanto a pressão for da ordem de 1 atm e a temperatura não for muito baixa, que é o cenário de quase todos os itens.

Três recipientes lado a lado com o mesmo número de partículas, doze em cada. No primeiro, gás frio a 300 K em volume V: partículas com setas curtas de velocidade e três setas de pressão na parede direita. No segundo, o mesmo volume aquecido a 600 K: setas de velocidade mais longas e seis setas de pressão; legenda: pressão 2p, batidas mais rápidas e mais frequentes. No terceiro, a mesma temperatura de 300 K em metade do volume: setas de velocidade curtas como no primeiro, partículas mais próximas e seis setas de pressão; legenda: pressão 2p, mesmas batidas, metade do caminho e da área. Uma faixa inferior resume: pressão igual a colisões por segundo por área; temperatura absoluta proporcional à energia cinética média; gás ideal sem interações e com volume próprio desprezível.
Mesmas doze partículas, três situações. Aquecer a volume fixo deixa os choques mais rápidos e mais frequentes; comprimir a temperatura fixa mantém os choques como eram, mas os concentra em menos parede e encurta o trajeto entre duas paredes. Nos dois casos a pressão dobra; nada inchou, nada foi criado. Diagrama autoral.

Os postulados explicam as três cenas da abertura antes de qualquer conta. Seringa comprimida à temperatura constante: cada partícula continua com a mesma velocidade, mas o trajeto de uma parede à outra encolheu, e ela volta a bater na mesma parede em menos tempo; reduzir o volume a um terço triplica a frequência de choques em cada centímetro quadrado, e a pressão triplica junto. Pneu aquecido a volume constante: choques mais rápidos e mais frequentes, pressão maior. Balão aquecido a pressão constante: para as batidas mais violentas darem a mesma pressão, o gás precisa se espalhar por uma área maior (expandir) ou perder partículas (no balão aberto, as duas coisas). E o corpo da bomba de bicicleta esquenta por uma razão mecânica: a partícula que atinge o êmbolo em avanço sai do choque mais rápida do que entrou, exatamente como uma bola rebatida por um taco que vem de encontro a ela; a energia cinética média sobe, a temperatura sobe, e nenhum calor precisou entrar. Esse balanço é a página da primeira lei.

"As partículas se dilatam quando o gás esquenta"

Não se dilatam. O que aumenta com a temperatura é a agitação, não o tamanho das partículas; a pressão sobe porque as colisões ficam mais rápidas e mais frequentes. Esse erro transplanta a dilatação dos sólidos, um fenômeno macroscópico, para dentro do modelo cinético. Item que atribua a pressão ao “tamanho” das moléculas, ao “peso” do gás sobre o fundo do recipiente ou à “energia armazenada nas ligações” está errado: pressão é colisão, temperatura é energia cinética média de translação.

Onde o gás ideal termina. Levante um botijão de cozinha pela metade e incline-o: dá para sentir um líquido balançando lá dentro. Na saída da válvula o GLP é gás, mas no interior do cilindro, a 5 a 8 atm, a maior parte dele está condensada; é assim que 13 kg cabem em 30 L, quando a mesma massa em forma de gás a 1 atm encheria uns 6 mil litros. O gás natural vira líquido a −162 °C para viajar de navio, com o volume reduzido umas 600 vezes; o hélio só liquefaz a 4 K. Um gás ideal jamais faria isso: sem atração entre as partículas, não há o que as mantenha juntas num líquido. Nos gases reais a atração está sempre lá, fraca; o que decide se ela importa é o quanto as partículas ficam ao alcance umas das outras e por quanto tempo. Duas situações favorecem a atração, e costumam vir juntas: comprimir o gás (as partículas se aproximam) e resfriá-lo (as partículas desaceleram e passam mais tempo perto de cada vizinha). É nessa região, pressão alta e temperatura baixa, que pV=nRTpV = nRT começa a errar e o modelo ideal perde o sentido. Na região oposta, gás rarefeito e quente, as partículas quase nunca se “veem”, e o modelo funciona, e é nesse território que a prova trabalha. O que acontece na fronteira, a liquefação e a natureza das forças intermoleculares, está em mudanças de estado físico.

A lei geral: um só critério para as três transformações

Pense em três experimentos de cozinha e de farmácia. Na panela de pressão fechada e no fogo, o espaço do gás é o mesmo do início ao fim; o que sobe é a pressão, acompanhando a temperatura. Numa seringa tampada e comprimida devagar, a temperatura não sai da temperatura ambiente; pressão e volume trocam de lugar, um sobe quando o outro desce. Numa seringa destampada por um êmbolo solto e deixada ao sol, a pressão de dentro é sempre a de fora, e o volume cresce com a temperatura. Em cada experimento duas grandezas se movem e uma fica travada, e as três situações obedecem a uma única equação.

A lei geral dos gases e as três transformações particulares

Enquanto a amostra for a mesma (nn fixo, recipiente fechado), um gás ideal obedece, em qualquer estado por que passe, a

p VT=constante,\frac{p\,V}{T} = \text{constante},

com TT obrigatoriamente em kelvin. Entre dois estados quaisquer isso se escreve p1V1T1=p2V2T2\dfrac{p_1 V_1}{T_1} = \dfrac{p_2 V_2}{T_2}: o produto pVpV dividido pela temperatura absoluta é uma quantidade que a transformação não altera; calcule-a no começo, calcule-a no fim, os dois valores coincidem. Travando uma das três grandezas, a lei se reduz a uma relação entre as outras duas, e cada um desses casos recebe o nome da grandeza que ficou parada:

transformação o que fica constante o que sobra da lei geral como variam nome histórico
isotérmica temperatura p1V1=p2V2p_1 V_1 = p_2 V_2 pp e VV inversamente proporcionais (produto constante) lei de Boyle–Mariotte
isobárica pressão V1/T1=V2/T2V_1/T_1 = V_2/T_2 VV e TT diretamente proporcionais (razão constante) lei de Charles (ou de Gay-Lussac, conforme o livro)
isocórica (isovolumétrica, isométrica) volume p1/T1=p2/T2p_1/T_1 = p_2/T_2 pp e TT diretamente proporcionais lei de Gay-Lussac (ou de Charles)

A quarta transformação que aparece nos ciclos, a adiabática, não é caso da lei geral (nela as três grandezas mudam ao mesmo tempo); ela é definida pelo que não acontece, troca de calor, e volta no fim desta página só como comparação de gráfico.

Os nomes dizem o que fica parado, não o sentido do processo. Uma isobárica pode ser aquecimento (o gás expande) ou resfriamento (contrai); uma isocórica pode aquecer ou esfriar o gás; uma isotérmica pode ser compressão ou expansão. E os nomes históricos variam de livro para livro: alguns chamam a isobárica de lei de Charles e a isocórica de lei de Gay-Lussac, outros trocam; a prova não cobra o sobrenome, cobra a proporção.

Gráfico da pressão em kPa, de 0 a 400, contra o volume em litros, de 0 a 8. Três hipérboles cinzas são as isotermas de 300, 450 e 600 K, com pV igual a 400, 600 e 800 kPa·L. O ponto A, a 4 L e 100 kPa, está sobre a isoterma de 300 K. Uma seta horizontal leva A ao ponto B, a 6 L e 100 kPa, sobre a isoterma de 450 K: a isobárica. Uma seta vertical leva A ao ponto C, a 4 L e 150 kPa, também sobre a isoterma de 450 K: a isocórica. Uma seta curva leva C a B ao longo dessa isoterma: a isotérmica.
As três transformações no plano p×Vp \times V para a mesma amostra. Isobárica: horizontal (A → B, VV e TT crescem 50 %). Isocórica: vertical (A → C, pp e TT crescem 50 %). Isotérmica: sobre a hipérbole (C → B, VV cresce 50 % e pp cai a 2/3). Quanto mais afastada da origem a isoterma, maior a temperatura: pVpV cresce com TT. Diagrama autoral.

Exemplo resolvido (três cenas, três contas). Pneu (isocórica): de (2,5 atm; 290 K)(2{,}5\ \text{atm};\ 290\ \text{K}) para 319 K a volume constante. p2=p1×T2/T1=2,5×319/290=2,75 atmp_2 = p_1 \times T_2/T_1 = 2{,}5 \times 319/290 = 2{,}75\ \text{atm}, os mesmos 10 % da razão das temperaturas. Seringa tampada (isotérmica): 30 mL de ar a 1 atm comprimidos devagar, para dar tempo de trocar calor com a mão, até 10 mL. p1V1=p2V2⇒1×30=p2×10⇒p2=3 atmp_1 V_1 = p_2 V_2 \Rightarrow 1 \times 30 = p_2 \times 10 \Rightarrow p_2 = 3\ \text{atm}; um terço do volume, triplo da pressão. Seringa ao sol com êmbolo livre (isobárica): dentro e fora a pressão é a mesma, e permanece a mesma enquanto o êmbolo puder deslizar; 30 mL a 290 K vão a 319 K. V1/T1=V2/T2⇒30/290=V2/319⇒V2=33 mLV_1/T_1 = V_2/T_2 \Rightarrow 30/290 = V_2/319 \Rightarrow V_2 = 33\ \text{mL}. Conferência: em cada caso a grandeza que variou junto com TT cresceu 10 %; a que variou contra VV na isotérmica caiu na proporção inversa. A pergunta que abre a conta é sempre “o que ficou constante?”, e a que fecha é “o sentido da mudança faz sentido físico?”.

Celsius dentro de uma proporção

O erro que a banca planta neste assunto tem endereço fixo. “Aquecer de 20 °C para 40 °C dobra a pressão” é falso: em kelvin, 293→313293 \to 313, um aumento de 313/293−1≈6,8 %313/293 - 1 \approx 6{,}8\ \%, não de 100 %. “Resfriar de 20 °C para 10 °C reduz a pressão à metade” é falso: 293→283293 \to 283, queda de 3 %; para cair à metade seria preciso ir a 146,5 K, ou −126,5 °C. Diante de um item que compare temperaturas por quociente, a sequência é inegociável: converter para kelvin, e só depois dividir. O segundo endereço é a suposta proporção direta entre pp e VV. Na isotérmica, essas duas grandezas variam em sentidos opostos; proporcionalidade direta existe entre pp e TT, ou entre VV e TT, nunca entre pp e VV.

Na prova. A lei geral, sozinha, rendeu o tipo C de Química da 2.ª etapa de 2024, num bloco sobre a água de um rio da Amazônia (item 88): “Se, anualmente, as queimadas na Amazônia produzem uma emissão de 14.000 litros de CO₂ por metro quadrado, então, considerando que o CO₂ se comporte como um gás ideal, o volume de CO₂ formado quando a temperatura subir de 28 °C para 34 °C após a queima de um metro quadrado na Amazônia será” A) inferior a 5.000 L; B) entre 5.000 e 10.000 L; C) entre 10.000 e 15.000 L; D) superior a 15.000 L. Antes de pegar o lápis, pense no sentido: gás aquecido com a pressão fixa ocupa mais espaço, logo o resultado tem de ser maior que 14 000 L, o que já descarta A e B. A conta decide entre as duas restantes: V2=14 000×307/301≈14 280 LV_2 = 14\,000 \times 307/301 \approx 14\,280\ \text{L}, opção C. A alternativa D não está ali por acaso: quem monta a razão em graus Celsius, 34/2834/28, encontra 17 000 L, cai nela e sai da prova convencido de que acertou. E na 2.ª etapa de 2016, dentro do bloco da panela de pressão que explodiu, o item 97 dizia que a pressão de uma panela fechada “não aumentaria se ela fosse colocada para esquentar no fogão, fechada, sem nenhum líquido ou sólido no seu interior, pois, nesse caso, não haveria vapor de água dentro da panela”: E. A panela “vazia” está cheia de ar, e ar aquecido a volume constante tem a pressão subindo em proporção à temperatura absoluta; o vapor apenas faz a pressão subir muito mais depressa, porque acrescenta matéria à fase gasosa.

Cada gráfico tem uma assinatura

Um mesmo processo pode ser desenhado em três planos: p×Vp \times V, V×TV \times T e p×Tp \times T. Ler o gráfico é reconhecer a assinatura de cada transformação em cada plano, e a prova gosta de perguntar isso sem número nenhum.

As assinaturas nos três planos
plano isotérmica isobárica isocórica
p×Vp \times V hipérbole (pVpV = constante) segmento horizontal segmento vertical
V×TV \times T (kelvin) segmento vertical reta pela origem, inclinação nR/pnR/p segmento horizontal
p×Tp \times T (kelvin) segmento vertical segmento horizontal reta pela origem, inclinação nR/VnR/V

No plano p×Vp \times V, as isotermas formam uma família de hipérboles: quanto mais afastada da origem, mais quente (pV=nRTpV = nRT cresce com TT). Um caminho que cruza isotermas muda de temperatura; um caminho que acompanha uma isoterma é isotérmico. No plano V×TV \times T, a mesma amostra sob pressão menor dá reta mais íngreme (inclinação nR/pnR/p); no plano p×Tp \times T, a mesma amostra em volume menor dá reta mais íngreme (inclinação nR/VnR/V). As retas passam pela origem só quando TT está em kelvin; em Celsius elas cortam o eixo em −273 °C, e essa é a próxima seção.

Dois gráficos lado a lado, ambos com a temperatura absoluta em kelvin, de 0 a 600, no eixo horizontal. À esquerda, volume em litros de 0 a 8: duas retas pela origem, a mais inclinada para pressão de 100 kPa, passando por 4 L a 300 K, e a menos inclinada para 200 kPa, passando por 2 L a 300 K; legenda: inclinação nR/p, pressão menor, reta mais íngreme. À direita, pressão em kPa de 0 a 400: duas retas pela origem, a mais inclinada para volume de 2 L, passando por 200 kPa a 300 K, e a menos inclinada para 4 L, passando por 100 kPa a 300 K; legenda: inclinação nR/V, volume menor, reta mais íngreme. Pontos pretos a 300 K marcam a mesma amostra nos dois estados.
Famílias de isóbaras (à esquerda) e de isócoras (à direita) para a mesma amostra. A reta mais íngreme é a da menor pressão no plano V×TV \times T e a do menor volume no plano p×Tp \times T. Os pontos pretos são o mesmo gás a 300 K: 4 L a 100 kPa ou 2 L a 200 kPa, pV=400pV = 400 kPa·L nos dois. Diagrama autoral.
À esquerda, gráfico da pressão em atm, de 0 a 3, contra a temperatura absoluta em kelvin, de 0 a 400, com a escala Celsius correspondente abaixo. Uma reta pela origem, tracejada até 290 K e cheia depois, passa por 290 K e 2,5 atm, o pneu frio de manhã a 17 °C, e por 319 K e 2,75 atm, o pneu quente a 46 °C. À direita, um quadro compara a conta certa, razão 319 sobre 290 igual a 1,10, com a conta errada em Celsius, 46 sobre 17 igual a 2,7, que preveria quase 7 atm.
A isocórica do pneu no plano p×Tp \times T: reta pela origem em kelvin. A escala Celsius embaixo mostra por que a razão em graus Celsius não funciona: o zero dela está no meio da reta. Diagrama autoral.

Na prova. O bloco de itens 107 a 109 da 2.ª etapa de 2011 pendurou três itens num diagrama p×Vp \times V impresso com nove isotermas, um ponto aa sobre a isoterma de 126 °C e caminhos saindo dele; o comando dizia que as isotermas tinham “variação de 10 °C entre duas linhas adjacentes”. Item 107: “No caminho a → 1, o processo ocorre em uma isoterma”, E: o caminho desenhado cruzava isotermas, logo a temperatura mudava. Item 108: “No caminho a → 2, o processo é isocórico, o volume do sistema termodinâmico permanece constante e não há realização de trabalho sobre a vizinhança”, C: segmento vertical. Item 109, tipo B: “Calcule, em graus Celsius, a temperatura final no processo descrito pelo caminho a → 3”, um segmento horizontal que cruzava cinco isotermas: 126+5×10=176126 + 5 \times 10 = 176. Aqui não houve conversão para kelvin, e não precisava: o item somou um intervalo de 50 graus a uma temperatura, e intervalos medem o mesmo em qualquer das duas escalas; a conversão só se torna obrigatória quando entra uma razão. Nenhuma fórmula: leitura do gráfico com a tabela de assinaturas acima.

A reta que aponta para o zero absoluto

Aqueça uma amostra de gás a pressão constante e anote o volume a cada temperatura, em graus Celsius. Os pontos se alinham numa reta crescente, mas a reta não passa pela origem: a 0 °C o gás tem um volume bem definido, não zero. Prolongue a reta para a esquerda, para temperaturas cada vez mais baixas, e ela cruza o eixo das temperaturas num ponto que não depende do gás, nem da pressão escolhida, nem da quantidade: −273 °C (−273,15 °C, com mais casas). Faça o mesmo com outra pressão, outro gás, outra amostra: reta diferente, mesmo ponto de fuga. É essa coincidência que define a escala absoluta: o zero kelvin é a temperatura em que o volume (ou a pressão, numa isocórica) do gás ideal extrapolado se anularia.

Gráfico do volume em litros, de 0 a 4,5, contra a temperatura em graus Celsius, de −300 a 300. Duas retas crescentes: a de pressão de 1 atm passa por 2 L a 0 °C e por 4 L a 273 °C, com pontos medidos em 0, 100, 200 e 273 °C; a de pressão de 2 atm passa por 1 L a 0 °C e 2 L a 273 °C. Os trechos à esquerda de 0 °C são tracejados, marcados como extrapolação, e as duas retas se encontram no eixo horizontal em −273 °C, ponto marcado como zero absoluto. Uma segunda escala, em kelvin, aparece abaixo da escala Celsius, com o zero sob o −273.
Duas isóbaras da mesma amostra no plano V×tV \times t (Celsius). Retas diferentes, um só ponto de fuga: prolongadas, ambas zeram o volume em −273 °C. O trecho tracejado é extrapolação matemática: um gás real condensa antes de chegar lá, e o modelo deixa de valer. Diagrama autoral.
Por que a reta não passa pela origem em Celsius

Na isobárica, V=(nR/p) TV = (nR/p)\,T com TT em kelvin: reta pela origem. Trocando T=t+273T = t + 273, fica V=(nR/p)(t+273)V = (nR/p)(t + 273): continua reta, mas com o zero deslocado. O volume se anula quando t=−273 °Ct = -273\ °\text{C}, e a inclinação nR/pnR/p é a mesma nas duas escalas. Ler a interseção com o eixo das temperaturas é medir o zero absoluto; ler a inclinação, conhecendo nn, é medir a pressão do experimento. A extrapolação é uma construção do modelo, não uma descrição da matéria a 0 K: o gás real muda de fase muito antes, e nesse regime nem a lei geral nem pV=nRTpV = nRT valem.

Exemplo resolvido (ler a reta ao contrário). Meio mol de gás ideal, aquecido a pressão constante, ocupa 11,2 L a 0 °C e 15,3 L a 100 °C. Em que temperatura o volume extrapolado se anula, e qual era a pressão? Inclinação: (15,3−11,2)/(100−0)=0,041 L/°C(15{,}3 - 11{,}2)/(100 - 0) = 0{,}041\ \text{L}/°\text{C}. Interseção: a reta é V=11,2+0,041 tV = 11{,}2 + 0{,}041\,t; V=0V = 0 quando t=−11,2/0,041≈−273 °Ct = -11{,}2/0{,}041 \approx -273\ °\text{C}. Pressão: inclinação =nR/p⇒p=nR/0,041=0,50×0,082/0,041=1,0 atm= nR/p \Rightarrow p = nR/0{,}041 = 0{,}50 \times 0{,}082/0{,}041 = 1{,}0\ \text{atm}. Conferência: a 0 °C e 1 atm, 0,5 mol deve ocupar metade de 22,4 L, ou 11,2 L. Fecha.

Na prova. Foi exatamente essa leitura que a 2.ª etapa de 2022 cobrou, num bloco com o gráfico impresso de TT (°C) em função de VV (L) para “48,78 mols de um gás ideal” a pressão constante, uma reta pelos pontos (11 L; 2 °C) e (13,2 L; 57 °C), e o comando fornecendo R=0,082 atm⋅L⋅mol−1⋅K−1R = 0{,}082\ \text{atm·L·mol}^{-1}\text{·K}^{-1}, “que T₀ = 273 K seja o zero absoluto e que Vm = 22,4 × 10⁻³ m³/mol seja o volume molar”. Item 78, tipo B: “Calcule a intersecção da reta com o eixo das temperaturas, de modo a obter o valor de seu módulo”. Inclinação: (57−2)/(13,2−11)=25 °C/L(57 - 2)/(13{,}2 - 11) = 25\ °\text{C/L}; reta T=2+25(V−11)=25V−273T = 2 + 25(V - 11) = 25V - 273; em V=0V = 0, T=−273 °CT = -273\ °\text{C}; módulo, 273. O gráfico da prova era o desta seção com os eixos trocados. Item 76, no mesmo bloco: “Se, em T = 0 °C, esse gás for liberado em um ambiente com pressão de 1 atm, seu volume ultrapassará 1 m³”, C: 48,78×22,4≈1 093 L48{,}78 \times 22{,}4 \approx 1\,093\ \text{L}, mais de 1 m³; quem esqueceu que 1 m³ são 1 000 L errou por unidade. (O item 77, sobre a pressão do experimento, foi anulado pela banca.) A 1.ª etapa cobra a mesma reta desde 2005, quando o texto-base lembrava que “a relação entre o volume e a temperatura de um gás foi estabelecida no início do século XIX pelos cientistas franceses Louis Gay-Lussac e Jacques Charles”.

Clapeyron: a equação que conta as partículas

Uma caixa de sapatos fechada guarda uns 10 litros de ar. Quantas moléculas são, quantos mols, quantos gramas? A lei geral não tem como responder, porque ela só sabe relacionar dois estados de uma amostra cujo tamanho nunca precisa ser declarado. Responder exige outra equação, que receba pp, VV e TT de um único estado e devolva nn. Dela decorrem três consequências que vale saber de cor: em condições iguais de pressão e temperatura, um mol de qualquer gás ocupa o mesmo volume; a 0 °C e 1 atm esse volume está na casa dos 22 litros; e a massa por litro de um gás é fixada por sua pressão, sua temperatura e a massa de cada molécula, nada mais.

A equação de Clapeyron e suas consequências

pV=nRTpV = nRT

  • RR, a constante dos gases, nas duas unidades de prova: R=0,082 atm⋅L⋅mol−1⋅K−1R = 0{,}082\ \text{atm·L·mol}^{-1}\text{·K}^{-1} (com pp em atm e VV em L) ou R=8,31 J⋅mol−1⋅K−1R = 8{,}31\ \text{J·mol}^{-1}\text{·K}^{-1} (com pp em Pa e VV em m³; então pVpV sai em joules). Nunca misture: 12,3 L com RR em joules não dá pascal. A prova fornece RR.
  • Mol e massa molar: n=m/Mn = m/M; 1 mol tem NA=6,0×1023N_A = 6{,}0 \times 10^{23} partículas. Massas molares de bolso: H₂ 2, He 4, N₂ 28, O₂ 32, CO₂ 44, ar (média) 29 g/mol.
  • Princípio de Avogadro: a equação não tem lugar para a identidade do gás; se pp, TT e VV são os mesmos, nn é o mesmo, seja o gás hélio ou CO₂. Volumes iguais de gases diferentes, nas mesmas condições, contêm o mesmo número de partículas (não a mesma massa).
  • Volume molar nas CNTP (0 °C = 273 K e 1 atm): Vm=RT/p=0,082×273/1≈22,4 L/molV_m = RT/p = 0{,}082 \times 273/1 \approx 22{,}4\ \text{L/mol}. Se a “condição normal” for 1 bar (0,987 atm), dá 22,7 L; sempre confira qual pressão o enunciado adota.
  • Densidade: como n=m/Mn = m/M, ρ=m/V=pM/(RT)\rho = m/V = pM/(RT). Comprimir aumenta a densidade, aquecer a reduz, e, nas mesmas condições, o gás de moléculas mais massudas é o mais denso. Ar a 27 °C e 1 atm: ρ=1×29/(0,082×300)≈1,18 g/L≈1,2 kg/m3\rho = 1 \times 29/(0{,}082 \times 300) \approx 1{,}18\ \text{g/L} \approx 1{,}2\ \text{kg/m}^3.
  • Misturas (lei de Dalton): gases ideais que não reagem se ignoram; cada um exerce a pressão parcial pi=niRT/Vp_i = n_i RT/V que exerceria sozinho no volume todo, e ptotal=∑pip_{\text{total}} = \sum p_i, ou seja, pi=xi ptotalp_i = x_i\,p_{\text{total}} com a fração molar xi=ni/ntotalx_i = n_i/n_{\text{total}}. No ar, N₂ (0,78) e O₂ (0,21) respondem por 99 % da pressão.

Os 22,4 L por mol merecem lugar fixo na memória como referência de tamanho: um mol de gás ocupa dezenas de litros, nunca mililitros. O contraste com o líquido é brutal: 18 mL bastam para um mol de água líquida, mas o mesmo mol, vaporizado a 100 °C e 1 atm, se espalha por cerca de 30 L, mais de mil vezes o volume. Se um item disser que um mol de gás cabe numa xícara ou numa garrafinha, ele está errado, e não é preciso calcular nada para saber disso. Uma segunda referência útil: ar pesa cerca de 1,2 g por litro; um quarto de 4 m × 3 m × 2,5 m tem 30 m³ de ar, uns 36 kg, mais que uma criança.

Exemplo resolvido (a caixa de sapatos). V=10 LV = 10\ \text{L}, p=1 atmp = 1\ \text{atm}, T=27+273=300 KT = 27 + 273 = 300\ \text{K}. n=pV/(RT)=1×10/(0,082×300)=10/24,6≈0,41 moln = pV/(RT) = 1 \times 10/(0{,}082 \times 300) = 10/24{,}6 \approx 0{,}41\ \text{mol}; com M=29M = 29 g/mol, m≈0,41×29≈11,8 gm \approx 0{,}41 \times 29 \approx 11{,}8\ \text{g}, o peso de uma colher de sopa de açúcar. Para guardar um mol inteiro de ar nessas condições seriam necessários 24,6 L, duas caixas e meia. Conferência pela densidade: 10 L×1,18 g/L=11,8 g10\ \text{L} \times 1{,}18\ \text{g/L} = 11{,}8\ \text{g}. Fecha.

Exemplo resolvido (o cilindro de mergulho). Um cilindro rígido de 12 L é carregado com ar a 200 atm e 27 °C. Quantos mols, quantos quilos, e que volume esse ar ocuparia à pressão atmosférica na mesma temperatura? Mols: n=pV/(RT)=200×12/(0,082×300)=2 400/24,6≈97,6 moln = pV/(RT) = 200 \times 12/(0{,}082 \times 300) = 2\,400/24{,}6 \approx 97{,}6\ \text{mol}. Massa: 97,6×29≈2 830 g≈2,8 kg97{,}6 \times 29 \approx 2\,830\ \text{g} \approx 2{,}8\ \text{kg}; é por isso que um cilindro cheio pesa quase três quilos mais que vazio. Volume a 1 atm: isotérmica, pVpV constante: 200×12=1×V2⇒V2=2 400 L=2,4 m3200 \times 12 = 1 \times V_2 \Rightarrow V_2 = 2\,400\ \text{L} = 2{,}4\ \text{m}^3. Sanidade: 97,6 mol × 24,6 L/mol = 2 400 L pelo outro caminho. Fecha. E com RR em joules: p=200×1,01×105 Pap = 200 \times 1{,}01 \times 10^5\ \text{Pa}, V=0,012 m3V = 0{,}012\ \text{m}^3, n=2,42×105/(8,31×300)≈97,2n = 2{,}42 \times 10^5/(8{,}31 \times 300) \approx 97{,}2 mol; a diferença é o arredondamento de 1 atm.

Na prova. Clapeyron aparece em quase todas as edições do PAS, e o formato pouco varia: o texto-base entrega os valores, o item propõe um número-limite e cabe ao candidato isolar a incógnita e comparar. Na 2.ª etapa de 2007, a locomotiva a vapor rendeu a equação vestida de geometria (item 21): “Considerando-se que o vapor de água seja um gás ideal à pressão P e à temperatura absoluta T, é correto afirmar que a quantidade de matéria n de H₂O(g) que cabe em uma câmara na forma de um cilindro circular reto de raio da base r e altura h é dada por n = Pπr²h/(RT), em que R representa a constante universal dos gases”, C: é n=pV/(RT)n = pV/(RT) com V=πr2hV = \pi r^2 h. Na 2.ª etapa de 2012, uma tabela dava pressão e temperatura do brometo de metila a 10 000 m (0,25 atm, −50 °C) e ao nível do mar (1,0 atm, 27 °C), e o item 75 afirmava que “a razão entre as densidades desse gás a 10.000 m de altitude e ao nível do mar é menor que 0,4”: por ρ=pM/(RT)\rho = pM/(RT), a razão é (0,25/223)/(1,0/300)≈0,34(0{,}25/223)/(1{,}0/300) \approx 0{,}34, C, e só em kelvin. Na 2.ª etapa de 2025, o bloco do motor a etanol (item 71) dizia que, “sabendo-se que 0,05 L de etanol corresponde a 1 mol de etanol, é correto afirmar que a queima de 0,05 L de etanol gera 0,10 L de CO₂”, com a equação C2H5OH+3 O2→2 CO2+3 H2O\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 3\,\text{O}_2 \to 2\,\text{CO}_2 + 3\,\text{H}_2\text{O} fornecida: E. Os coeficientes da reação informam que cada mol de etanol produz dois mols de CO₂, e dois mols de um gás em condições ambientes ocupam uns 49 L (44,8 L nas CNTP), nada parecido com 0,10 L. O item aposta na tentação de dobrar 0,05 L e obter 0,10 L, como se o volume de um líquido e o volume de um gás pudessem ser somados na mesma régua. Na 1.ª etapa de 2009, a bola de futebol (item 53) pedia a massa de N₂ em 5,8 L a 110 kPa e 25 °C com R=8,31 kPa⋅L⋅mol−1⋅K−1R = 8{,}31\ \text{kPa·L·mol}^{-1}\text{·K}^{-1}: n=110×5,8/(8,31×298)≈0,258n = 110 \times 5{,}8/(8{,}31 \times 298) \approx 0{,}258 mol de ar, dos quais 78 % são N₂, 0,20×28≈5,6 g0{,}20 \times 28 \approx 5{,}6\ \text{g}, e a afirmação “superior a 7 g” era E. E a 3.ª etapa de 2013 (item 101, tipo B) pediu a razão entre a densidade energética de um tanque de metano a 246 atm e 300 K e a da gasolina (35×10635 \times 10^6 J/L), com a entalpia de combustão do metano (8,9×1058{,}9 \times 10^5 J/mol): n/V=p/(RT)=246/(0,082×300)=10 mol/Ln/V = p/(RT) = 246/(0{,}082 \times 300) = 10\ \text{mol/L}, logo 8,9×1068{,}9 \times 10^6 J/L, que dividido por 35×10635 \times 10^6 dá 0,254, resposta 25.

O item que a banca anulou em trinta segundos

Na 2.ª etapa de 2016, um item afirmava que, “havendo 2 mols de um gás ideal em um recipiente de volume igual a 4 L, após o sistema atingir o equilíbrio, a temperatura do gás será igual a 37 °C, e a pressão, igual a 4 atm”. Basta substituir em Clapeyron para ver que o par não fecha: com n=2n = 2 e V=4V = 4 L, uma temperatura de 310 K obriga a pressão a ser p=2×0,082×310/4≈12,7p = 2 \times 0{,}082 \times 310/4 \approx 12{,}7 atm, mais de três vezes o valor afirmado. E há um defeito mais profundo que o numérico: dar nn e VV não fixa TT nem pp, pois a mesma amostra no mesmo recipiente pode estar em equilíbrio em qualquer temperatura, com a pressão correspondente. O item foi anulado (gabarito X), mas a lição permanece: sempre que um enunciado declarar TT e pp ao mesmo tempo para uma amostra conhecida, substitua os quatro valores em pV=nRTpV = nRT antes de dar o item como certo.

Quando n muda: balão aberto, pneu que vaza, seringa que puxa ar

A lei geral pV/TpV/T = constante tem uma hipótese escondida: a amostra é a mesma antes e depois. Se o recipiente é aberto, se há vazamento, se uma válvula deixa gás entrar ou sair, nn muda, e a lei geral não pode ser aplicada ao conteúdo do recipiente. O que sempre vale é pV=nRTpV = nRT em cada estado, e a comparação passa a ser entre as quantidades.

Recipiente aberto: pressão e volume ficam, a quantidade de gás vai embora

No balão de ar quente o envelope é aberto na base: a pressão interna é praticamente a atmosférica, e o volume é o do envelope. Aquecer o ar de dentro não muda pp nem VV; o que a equação exige é que nn caia: n=pV/(RT)n = pV/(RT), logo n2/n1=T1/T2n_2/n_1 = T_1/T_2. De 300 K para 360 K, um sexto do ar sai pela boca do balão, e a densidade interna cai de 1,18 para 0,98 g/L. O balão sobe porque o ar de dentro ficou menos denso que o de fora; o tamanho dessa força é o empuxo, assunto de hidrostática, e não basta comparar temperaturas: entram o volume deslocado e as massas do envelope, da cesta e da carga.

Dois envelopes de balão de ar quente lado a lado, abertos na base, com o queimador embaixo. À esquerda, ar a 300 K: doze partículas, densidade 1,18 g/L, n igual a n zero. À direita, ar a 360 K: dez partículas, setas saindo pela boca do envelope, densidade 0,98 g/L, n igual a cinco sextos de n zero. Entre os dois, a fórmula densidade igual a p M sobre R T e a razão n dois sobre n um igual a T um sobre T dois igual a 300 sobre 360. Uma faixa inferior lembra que a lei geral só vale com n fixo; com n variável usa-se pV igual a nRT em cada estado.
Recipiente aberto: pressão atmosférica dos dois lados e volume do envelope fixo. O queimador não expande o ar do balão; ele expulsa ar. Um sexto das partículas sai quando a temperatura vai de 300 K a 360 K, e a densidade interna cai na mesma proporção. Diagrama autoral.

Exemplo resolvido (o pneu que vaza). Um pneu rígido está a 3,0 atm (absoluta) e 300 K. Numa noite fria a temperatura cai a 250 K, e o motorista percebe que o pneu está a 2,0 atm. Quanto ar vazou? Se não tivesse vazado: isocórica, p=3,0×250/300=2,5 atmp = 3{,}0 \times 250/300 = 2{,}5\ \text{atm}; como está a 2,0 atm, faltam partículas. Quantidades: n∝p/Tn \propto p/T a volume fixo, então n2/n1=(2,0/250)/(3,0/300)=0,008/0,010=0,80n_2/n_1 = (2{,}0/250)/(3{,}0/300) = 0{,}008/0{,}010 = 0{,}80. Vazaram 20 % do ar. Conferência: se 80 % do ar voltasse a 300 K no mesmo pneu, a pressão seria 0,8×3,0=2,40{,}8 \times 3{,}0 = 2{,}4 atm; a 250 K, 2,4×250/300=2,02{,}4 \times 250/300 = 2{,}0 atm. Fecha.

Exemplo resolvido (duas grandezas mudando de uma vez). A 20 m abaixo da superfície, sob 3,0 atm e a 285 K, uma bolha de 2,0 cm³ se desprende do regulador de um mergulhador e começa a subir; na superfície, a pressão é 1,0 atm e a água está a 300 K. A amostra é a mesma (nn fixo), mas pp e TT mudam juntas: lei geral completa. V2=V1×(p1/p2)×(T2/T1)=2,0×(3,0/1,0)×(300/285)≈6,3 cm3V_2 = V_1 \times (p_1/p_2) \times (T_2/T_1) = 2{,}0 \times (3{,}0/1{,}0) \times (300/285) \approx 6{,}3\ \text{cm}^3. Os dois efeitos se somam, porque tanto perder pressão quanto ganhar temperatura dilatam o gás; a bolha chega lá em cima com mais de três vezes o volume de partida, o que explica a regra de ouro do mergulho: nunca prender a respiração ao subir.

Na prova. A 1.ª etapa gosta desse recorte. Em 2007, num bloco sobre dirigíveis, o item 60 afirmava que, “para uma massa fixa de gás hélio, a elevação da temperatura do gás aumenta a sua densidade, promovendo a descida da aeronave”: E, é o contrário, a pressão constante o gás aquecido expande e fica menos denso (ρ=pM/RT\rho = pM/RT), e o dirigível sobe. Em 2005, o texto-base de Boyle e Dalton descrevia um recipiente com êmbolo e água gasosa à temperatura constante, e o item 135 dizia: “Caso se duplique o número de moléculas e se mantenha a temperatura constante, é preciso, para que o êmbolo não se movimente, reduzir à metade a pressão externa exercida sobre ele”: E. Dobrar nn a VV e TT fixos dobra a pressão do gás; para o êmbolo não se mover, a pressão externa tem de dobrar, não cair à metade. Em 2009, a bola de futebol (item 51) trazia a isotérmica escondida num limiar: para a pressão passar de 100 a 110 kPa a temperatura constante e sem vazamento, o volume cai a 100/110=90,9 %100/110 = 90{,}9\ \%, uma redução de 9,1 %, e a afirmação “reduza em mais de 10 % o seu volume inicial” era E. O vizinho, item 52, cobrava Dalton em prosa: como as frações molares de N₂ e O₂ são 0,78 e 0,21, “o oxigênio e o nitrogênio são responsáveis por mais de 95 % da pressão interna da bola, independentemente da altitude do local em que a bola se encontre e do valor dessa pressão”, C, porque a fração de cada gás na pressão é a fração molar, e ela não muda com a altitude nem com a pressão total.

Adiabática: a curva mais íngreme não é uma isoterma

Nos ciclos de motor que a prova desenha no plano p×Vp \times V, aparecem duas curvas decrescentes parecidas: a isoterma, pVpV constante, e a adiabática, a transformação sem troca de calor. Partindo do mesmo estado, a adiabática cai mais depressa. O motivo, em uma frase: na isoterma o gás que expande recebe calor da vizinhança para manter a temperatura, e a pressão cai só porque o volume cresceu; na adiabática não entra calor, o gás paga o trabalho da expansão com a própria energia interna, a temperatura cai, e a pressão cai pelos dois motivos ao mesmo tempo. Por isso, a cada litro a mais, a adiabática perde mais pressão que a isoterma: é sempre a curva mais íngreme das duas. A forma exata da curva e o balanço de energia que a explica ficam para a página da primeira lei.

Gráfico da pressão em kPa, de 0 a 400, contra o volume em litros, de 1 a 4. Duas curvas partem do mesmo ponto, 1 L e 400 kPa. A isoterma, p igual a 400 sobre V, chega a 100 kPa em 4 L. A adiabática, traçada para o ar, fica sempre abaixo e chega a cerca de 57 kPa em 4 L. Em 2 L a isoterma marca 200 kPa, mesma temperatura, e a adiabática cerca de 152 kPa, com a temperatura reduzida a 76 % da inicial. Uma anotação diz que a comparação é só de inclinação e que o balanço de calor, trabalho e energia interna é a página da primeira lei.
Do mesmo estado inicial, a adiabática (traçada para o ar) desce mais depressa que a isoterma (pVpV constante). Ao dobrar o volume, a isoterma vai a 200 kPa sem mudar a temperatura; a adiabática vai a 152 kPa e a temperatura cai a 76 % da inicial. Diagrama autoral.

Esta página para aqui. Adiabática não é isotérmica: numa a temperatura muda sem calor, na outra a temperatura não muda porque há calor. Se um item tratar “processo sem troca de calor” e “processo a temperatura constante” como sinônimos, em qualquer das duas direções, ele está errado antes de qualquer conta. O balanço ΔU=Q−W\Delta U = Q - W, o trabalho como área sob a curva, a bomba de bicicleta que esquenta e o aerossol que gela pela expansão são a página da primeira lei da termodinâmica; os ciclos completos, com rendimento, são máquinas térmicas.

Como a banca pergunta

Nas provas de 2005 a 2025, o recorte “gases” aparece em todas as etapas, quase sempre pendurado num texto de Química ou de máquinas, e com um padrão estável:

  • Kelvin plantado no caminho (2024/88; 2012/75; a checagem do pneu): o item não pergunta a unidade, ele dá temperaturas em Celsius e espera a razão em kelvin. O distrator numérico é construído para quem divide 34 por 28.
  • Nomear a transformação pelo gráfico (2011/107–109): horizontal, vertical, hipérbole; contar isotermas cruzadas; “variação” em Celsius é permitida, “razão” não.
  • Ordem de grandeza do mol (2025/71; 2022/76; 2019/85 na 1.ª etapa): 1 mol de gás são dezenas de litros; volumes de gás na mesma condição estão na proporção dos mols (Avogadro), não das massas molares (2013/62, E: o volume de CO₂ formado não é maior que o de CH₄ queimado “porque a massa molar do CO₂ é maior”).
  • Clapeyron com limiar (2007/21; 2009/53; 2008/52; PAS 3 2013/101): isole a incógnita, converta, compare com o número do item. Uma dupla (T,p)(T, p) afirmada se testa em pV=nRTpV = nRT (2016/95, anulado).
  • Densidade e nn variável (2007/60; 2005/135; 2012/75): ρ=pM/(RT)\rho = pM/(RT); aquecer a pressão constante reduz a densidade; recipiente aberto perde matéria.
  • A reta e o zero absoluto (2022/78, tipo B): interseção com o eixo das temperaturas; inclinação nR/pnR/p.
  • Vizinhos disfarçados: a panela fechada sem líquido (2016/97) é lei dos gases, não mudança de fase; a compressão rápida que aquece (2017/89, 2025/67) e o trabalho p ΔVp\,\Delta V (2022/75) são primeira lei; a expansão isobárica versus isotérmica num pistão (2025/77, tipo D) se responde com a lei geral e fecha com o sinal do calor.

Os erros que a prova planta

Oito tropeços, um por linha
  1. Celsius numa proporção. “De 20 °C a 40 °C dobra”: não, 293 → 313 K é +6,8 %. Some 273 antes de dividir.
  2. Confundir isotérmica com adiabática. Isotérmica: TT fixa, pVpV constante, o gás troca calor. Adiabática: sem calor, TT muda, curva mais íngreme.
  3. pp e VV diretamente proporcionais. Na isotérmica um cresce enquanto o outro diminui; a proporcionalidade direta liga pp a TT e VV a TT, nunca pp a VV.
  4. Pressão manométrica no lugar da absoluta. Leitura + atmosférica → lei dos gases → absoluta → leitura. Dobrar TT dobra a absoluta, não o mostrador.
  5. Lei geral em recipiente aberto. Balão, vazamento, válvula: nn muda; use pV=nRTpV = nRT em cada estado.
  6. Mol de gás do tamanho de um copo. 1 mol de gás ideal são 22,4 L nas CNTP, uns 24,6 L a 27 °C. O dobro de mols é o dobro de litros, mas de gás, não de líquido.
  7. “Volume proporcional à massa molar”. Nas mesmas pp e TT, volumes iguais têm o mesmo número de partículas (Avogadro); a massa molar entra na massa e na densidade, não no volume.
  8. “Gás ideal existe”. É um modelo, bom em baixa pressão e alta temperatura; perto da liquefação (alta pressão, baixa temperatura) as forças entre partículas mandam e pV=nRTpV = nRT falha. Partícula não incha ao aquecer.

O essencial em meia página

  • Estado de um gás: (p,V,T)(p, V, T) com nn fixo. Kelvin sempre: T=t+273T = t + 273; intervalos coincidem nas duas escalas, quocientes só em kelvin. Pares: 27 → 300, 127 → 400, 227 → 500, 327 → 600.
  • Pressão absoluta =patm+= p_{\text{atm}} + manométrica (pneu, êmbolo Mg/AMg/A, coluna ρgh\rho g h). 1 atm ≈ 10510^5 Pa ≈ 14,7 psi = 760 mmHg.
  • Teoria cinética: pressão = colisões nas paredes; TT absoluta ∝ energia cinética média de translação (32kBT\tfrac{3}{2}k_BT); gases diferentes à mesma TT partilham a energia média, não a velocidade (vrms∝T/Mv_{rms} \propto \sqrt{T/M}). Gás ideal: sem interações, volume próprio desprezível; vale em baixa pp e alta TT.
  • Lei geral (nn fixo): p1V1/T1=p2V2/T2p_1V_1/T_1 = p_2V_2/T_2. Isotérmica: pVpV constante (Boyle; hipérbole em p×Vp \times V). Isobárica: V/TV/T constante (horizontal em p×Vp \times V; reta pela origem em V×TV \times T, inclinação nR/pnR/p). Isocórica: p/Tp/T constante (vertical em p×Vp \times V; reta pela origem em p×Tp \times T, inclinação nR/VnR/V).
  • Isotermas em p×Vp \times V: família de hipérboles; mais longe da origem, mais quente; caminho que cruza isotermas muda de TT.
  • Zero absoluto: em Celsius, as retas de V×tV \times t e p×tp \times t não passam pela origem e, prolongadas, zeram em −273 °C; extrapolação do modelo, não comportamento do gás real.
  • Clapeyron: pV=nRTpV = nRT; R=0,082R = 0{,}082 atm·L/(mol·K) ou 8,31 J/(mol·K). CNTP (0 °C, 1 atm): 22,4 L/mol para qualquer gás ideal (Avogadro). n=m/Mn = m/M; ar M=29M = 29 g/mol, ρ≈1,2\rho \approx 1{,}2 kg/m³. Densidade ρ=pM/(RT)\rho = pM/(RT). Dalton: pi=xi ptotalp_i = x_i\,p_{\text{total}}.
  • nn variável (balão aberto, vazamento, válvula): pV=nRTpV = nRT em cada estado; aquecer o balão aberto expulsa ar (n2/n1=T1/T2n_2/n_1 = T_1/T_2) e reduz a densidade.
  • Adiabática (Q=0Q = 0): mais íngreme que a isoterma em p×Vp \times V, TT muda; não é isotérmica. Balanço de energia: página da primeira lei.
  • Roteiro do item: kelvin → o que ficou constante? → nn é o mesmo? → pressão absoluta → conta → sentido físico e ordem de grandeza (aquecer expande; 1 mol = dezenas de litros).

Exercícios temporariamente indisponíveis

Não foi possível consultar o banco de questões. O conteúdo da aula continua disponível.

Flashcards temporariamente indisponíveis

Não foi possível consultar os cartões de revisão.

TRANSFORMAÇÕES GASOSAS: fórmulas, gráficos, e a Equação Geral | Resumo de Química Enem
Curso Enem Gratuito · 6:33
Introdução. Seis minutos e meio com as variáveis de estado, a lei geral dos gases perfeitos e as três transformações particulares com seus gráficos, no ritmo de revisão para o Enem. É a seção “A lei geral: uma régua para as três transformações” e a tabela de assinaturas de “Cada gráfico tem uma assinatura”; bom para assistir antes de ler.
Física II - Aula 28 - Teoria cinética do gás ideal
UNIVESP · 28:07
Aprofundamento. Aula universitária de 28 minutos (Univesp, prof. Valdir Bindilatti) que constrói a pressão como transferência de quantidade de movimento nas colisões e liga a temperatura absoluta à energia cinética média das moléculas, com a dedução que esta página só resume. Cobre a seção “O que a teoria cinética enxerga dentro do recipiente” para quem quer ver de onde vem o 3/2 kT.
Transformações Gasosas - Lei Geral dos Gases Ideais [Conteúdo + Exercícios]
PROFESSOR EDUARDO QUADRADO · 21:10
Aplicação. Vinte e um minutos que partem da constante R escrita como pV/(nT), escrevem a lei geral com n variável (p₀V₀/n₀T₀ = pV/nT) e só então a reduzem ao caso de amostra fechada, resolvendo exercícios das três transformações. É a ponte entre as seções “A lei geral” e “Quando n muda: balão aberto, pneu que vaza”, exatamente a hipótese escondida que a prova explora.
Gases ideais: questão 16 da OBF 2019 nível 2 da 1ª fase
Explica melhor! · 5:07
Resolução. Cinco minutos com uma questão da Olimpíada Brasileira de Física: um gráfico p × V com três pontos (a), (b) e © e a pergunta sobre a ordem das temperaturas absolutas. É a leitura de isotermas da seção “Cada gráfico tem uma assinatura” (mais afastado da origem, mais quente; pV = nRT) no mesmo formato do bloco 107–109 da 2.ª etapa de 2011.
Rota PAS 2
Leis da termodinâmica e máquinas térmicas · PAS 2

Fontes desta página

Os materiais abaixo contribuíram para a explicação e os exemplos deste assunto.

  • Rota PAS 2 — Química: gases, lei geral e teoria cinética · Quatro números descrevem um gás: P, V, T e n (variáveis de estado, kelvin, pneu 2,4 atm 27 → 57 °C); O que a teoria cinética enxerga dentro do recipiente (três postulados, gás ideal, figura das duas caixas, checagem 'partículas se dilatam'); Um critério para todas as transformações: a lei geral (seringa, êmbolo livre, panela; figura P × V com isotermas; armadilha Celsius; itens 2011/107–109 e 2024/88; item D 2025/77); Clapeyron: quando o n entra na conta (R, Avogadro, 22,4 L, densidade ρ = PM/RT, balão de festa, ar 1,18 g/L; itens 2007/21, 2012/75, 2022/76, 2025/71, 2016/95 anulado); Onde o gás ideal termina (GLP, GNL, hélio); Resolvidos (aerossol, mol na garrafa PET, Clapeyron tipo B); Banco de treino T1–T22

    Fonte didática principal do recorte, embora classificada como Química no livro: as quatro variáveis, os postulados, a lei geral com as três particulares, Clapeyron e o limite do modelo foram reescritos aqui no tom das páginas-modelo, com exemplos próprios (cilindro de mergulho, pneu que vaza, bolha do mergulhador) e os números do livro conferidos (2,64 atm; 22 mL; 0,081 mol; 1,18 e 0,88 g/L; 22,4 L). A fronteira do gás real (forças intermoleculares, itens 2010/93, 2011/52, 2013/65, 2014/76) fica só como remissão a mudanças de estado físico.

  • Rota PAS 2 — Física: leis da termodinâmica e máquinas térmicas · Antes de começar: dez minutos de aquecimento (kelvin e os pares 27 → 300; pressão vezes variação de volume); A primeira lei: calor, trabalho e a conta que sempre fecha (tabela das quatro transformações, itens 2011/108, 2022/75 e 2025/77, armadilha 'adiabático não é isotérmico')

    Usados só a tabela das quatro transformações (o que fica constante em cada uma) e a distinção adiabática × isotérmica, aqui como comparação de inclinação no plano p × V. O balanço ΔU = Q − W, o trabalho como área e os ciclos pertencem às páginas de primeira lei e de máquinas térmicas; os itens 2011/107–109 e 2025/77 são reutilizados por GUID da página primeira-lei-da-termodinamica.

  • Rota PAS 2 — Física: termologia · Banco de treino, item T15 (reta T × V de um gás ideal a pressão constante que não passa pela origem); Como a banca cobra (item 2016/97, panela fechada sem líquido, remetido à lei dos gases)

    O T15 é a variante do item real 2022/78, reproduzido verbatim nesta página com a descrição do gráfico do caderno; o 2016/97 é reutilizado por GUID da página mudancas-de-estado-fisico.

  • Cadernos e gabaritos oficiais do PAS/UnB (Cebraspe) · PAS 2 2007 (item 21, locomotiva), 2011 (itens 107–109, diagrama de isotermas), 2012 (item 75, CH3Br), 2016 (item 97, panela vazia), 2022 (itens 76 e 78, gráfico T × V de 48,78 mols; 77 anulado), 2024 (item 88, tipo C, CO2 das queimadas), 2025 (itens 71 e 77, motor a etanol); PAS 1 2005 (itens 131, 135 e 136, Boyle e Dalton), 2007 (item 60, dirigível), 2008 (item 52, Fe2O3), 2009 (itens 51–53, bola de futebol), 2013 (item 62, Avogadro), 2019 (item 85, biodigestão); PAS 3 2013 (item 101, tipo B, densidade energética do metano)

    Itens reproduzidos verbatim dos cadernos em texto; gabaritos conferidos nos arquivos GAB e em utils/material/PAS/pesquisa/classificacao[-pas2|-pas3]/AAAA.json. O gráfico de 2022 foi lido na imagem da página 10 do caderno (pdftoppm) e descrito em texto neutro no suporte; a fórmula do item 2007/21, impressa como imagem, foi transcrita em LaTeX. Itens anulados (2016/95, 2022/77) não foram usados como questões.