LEYES DE LOS GASES

1. LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA
La presión atmosférica es la presión que ejerce la atmósfera debido a su peso
sobre la superficie de los cuerpos que están en contacto con ella.
LA TEORÍA CINÉTICA
La teoría cinética nos indica que la materia, sea cual sea su estado, está formada
por partículas tan diminutas que no se pueden observar a simple vista y que,
además, se encuentran en continuo movimiento. Ese estado de movimiento
depende de la temperatura, siendo mayor conforme más alto es el valor de dicha
temperatura.
Este modelo permite, también, explicar la razón por la que un sólido puede
convertirse en líquido o un gas en líquido.
La teoría cinética es capaz de explicar porqué una misma sustancia se puede
encontrar en los 3 estados: sólido, líquido y gas. Esto depende sólo de la manera
de agruparse y ordenarse las partículas en cada estado.
La temperatura de los cuerpos y la teoría cinética
Cuando calentamos un cuerpo, sus partículas se mueven más deprisa con lo cual
aumentan su energía cinética. Si lo enfriamos ocurre lo contrario: disminuye la
energía cinética de las partículas. La energía cinética es la energía que tiene un
cuerpo en movimiento.
La temperatura es la medida de la energía térmica (energía cinética media de
todas las partículas que forman un cuerpo) de una sustancia. Se mide con un
termómetro. Las escalas más empleadas para medir esta magnitud son la Escala
Celsius (o centígrada) y la Escala Kelvin. 1ºC es lo mismo que 1 K, la única
diferencia es que el 0 en la escala Kelvin está a - 273 ºC.
En la escala Celsius se asigna el valor 0 (0 ºC) a la temperatura de congelación
del agua y el valor 100 (100 ºC) a la temperatura de ebullición del agua. El
intervalo entre estas dos temperaturas se divide en 100 partes iguales, cada una
de las cuales corresponde a 1 grado.
En la escala Kelvin se asignó el 0 a aquella temperatura a la cual las partículas no
se mueven (temperatura más baja posible). Esta temperatura equivale a -273 ºC
de la escala Celsius.
Para convertir ambas temperaturas, tenemos que tener en cuenta que:
T (K) = t(ºC) + 273
LAS PROPIEDADES DE LOS GASES
La teoría cinética explica el estado gaseoso de la siguiente forma:
• Los gases están formados por un gran número de partículas muy
pequeñas, sobre todo si se las compara con la distancia que las separa.
• Las fuerzas de atracción entre las partículas son muy débiles.
• Estas partículas se mueven continuamente y de forma desordenada.
• Las partículas en su movimiento chocan entre sí y contra las paredes del
recipiente que contiene el gas.
Los gases tienden a ocupar todo el volumen disponible
En los gases, las partículas están muy separadas unas de otras y se mueven
libremente a gran velocidad; por eso ocupan todo el espacio disponible y no tienen
volumen ni forma fijos.
El que las partículas se encuentren tan separadas da lugar a que los gases sean
compresibles y ocupen el volumen del recipiente que los contiene.
Los gases pueden sufrir compresión y expansión. Si acercamos las partículas del
gas, entonces se comprime y si las alejamos se expanden.
Los gases ejercen presión
Debido a que las partículas del gas están en continuo movimiento chocan entre
ellas y con las paredes del recipiente. Estas colisiones son las responsables de la
presión que ejerce el gas.
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2. La presión varía con el volumen
Si la temperatura de un gas permanece constante:
• Su presión aumenta al disminuir su volumen.
• Su presión disminuye al aumentar su volumen.
La presión atmosférica se mide con un instrumento llamado barómetro. La presión
a nivel del mar es de 1013 mb o 1 atm. La presión superior a 1013 mb se llama
alta presión y, si es menor, baja presión.
En los mapas meteorológicos se unen puntos con la misma presión mediante
unas líneas llamadas isobaras.
LEYES DE LOS GASES
LEY DE BOYLE
Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es
constante
Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la
misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la
razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de
Boyle y Mariotte.
La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es
inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es
constante.
Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más
en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por
unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que
ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes.
Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas
es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo:
aumenta la presión.
Lo que Boyle descubrió es que si la cantidad de gas y la temperatura permanecen
constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor.
Como hemos visto, la expresión matemática de esta ley es:
(el producto de la presión por el volumen es constante)
Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una
presión P1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un
nuevo valor V2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá:
que es otra manera de expresar la ley de Boyle.
Ejemplo: 4.0 L de un gas están a 600.0 mmHg de presión. ¿Cuál será su nuevo
volumen si aumentamos la presión hasta 800.0 mmHg?
Solución: Sustituimos los valores en la ecuación P1V1 = P2V2.
(600.0 mmHg) (4.0 L) =(800.0 mmHg) (V2)
Si despeja V2 obtendrás un valor para el nuevo volumen de 3L.
El volumen de los gases varía con la temperatura
Si la presión a la que se ve sometido un gas permanece constante:
• Su volumen aumenta al elevar la temperatura.
• Su volumen disminuye al descender la temperatura.
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3. LEY DE CHARLES
Relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión es
constante
En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la
temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que
cuumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al
enfriar el volumen disminuía.
El volumen es directamente proporcional a la temperatura del gas:
•Si la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta.
•Si la temperatura del gas disminuye, el volumen disminuye.
Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más
rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere
decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se
producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y
aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión
se iguale con la exterior).
Lo que Charles descubrió es que si la cantidad de gas y la presión permanecen
constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo
valor.
Matemáticamente podemos expresarlo así:
(el cociente entre el volumen y la temperatura es constante)
Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una
temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta
un nuevo valor V2, entonces la temperatura cambiará a T2, y se cumplirá:
que es otra manera de expresar la ley de Charles.
Esta ley se descubre casi ciento cuarenta años después de la de Boyle debido a
que cuando Charles la enunció se encontró con el inconveniente de tener que
relacionar el volumen con la temperatura Celsius ya que aún no existía la escala
absoluta de temperatura.
Ejemplo:
Un gas tiene un volumen de 2.5 L a 25 °C. ¿Cuál será su nuevo volumen si
bajamos la temperatura a 10 °C?
Recuerda que en estos ejercicios siempre hay que usar la escala Kelvin.
Solución: Primero expresamos la temperatura en kelvin:
T1 = (25 + 273) K= 298 K
T2 = (10 + 273 ) K= 283 K
Ahora sustituimos los datos en la ecuación:
2.5L V2
____ = ____
298 K 283 K
Si despejas V2 obtendrás un valor para el nuevo volumen de 2.37 L.
La presión y la temperatura están relacionadas
Si el volumen de un gas permanece constante:
• Su presión aumenta al elevar la temperatura.
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4. • Su presión disminuye al bajar la temperatura.
LEY DE GAY-LUSSAC
Relación entre la presión y la temperatura de un gas cuando el volumen es
constante
Fue enunciada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800.
Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el
volumen es constante.
La presión del gas es directamente proporcional a su temperatura:
•Si aumentamos la temperatura, aumentará la presión.
•Si disminuimos la temperatura, disminuirá la presión.
Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se mueven más rápidamente y
por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la
presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar.
Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento de este proceso, el cociente
entre la presión y la temperatura siempre tenía el mismo valor:
(el cociente entre la presión y la temperatura es constante)
Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una presión P1 y a una
temperatura T1 al comienzo del experimento. Si variamos la temperatura hasta un
nuevo valor T2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá:
que es otra manera de expresar la ley de Gay-Lussac.
Esta ley, al igual que la de Charles, está expresada en función de la temperatura
absoluta. Al igual que en la ley de Charles, las temperaturas han de expresarse en
Kelvin.
Ejemplo:
Cierto volumen de un gas se encuentra a una presión de 970 mmHg cuando su
temperatura es de 25.0°C. ¿A qué temperatura deberá estar para que su presión
sea 760 mmHg?
Solución: Primero expresamos la temperatura en kelvin:
T1 = (25 + 273) K= 298 K
Ahora sustituimos los datos en la ecuación:
970 mmHg 760 mmHg
------------ = ------------
298 K T2
Si despejas T2 obtendrás que la nueva temperatura deberá ser 233.5 K o lo que es
lo mismo -39.5 °C.
LA LEY DE LOS GASES PERFECTOS
Las leyes de Boyle-Mariotte y de Gay-Lussac sobre el comportamiento de los
gases son tanto más imprecisas cuanto mayor es la densidad, la presión o la
temperatura del gas. Por ello los gases que cumplen con exactitud dichas leyes
físicas se denominan gases perfectos o ideales.
Es posible combinar las leyes de los gases en una sola ecuación sencilla si la
temperatura se expresa en la escala absoluta o Kelvin. Así la ley de Charles-Gay
Lussac puede escribirse como:
V = kT
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5. Operando en la ecuación se tiene:
V = V0 (1 + t) =
y como 273 + t(ºC) = T(K), expresando la temperatura en Kelvin resulta, en efecto:
Por otra parte la ley de Boyle establece la proporcionalidad inversa entre V y P, es
decir:
Combinando ambas relaciones de proporcionalidad se tiene:
que indica que el producto del volumen de un gas por su presión dividido por su
temperatura absoluta es una cantidad constante. Ello significa que una muestra
gaseosa dada puede evolucionar de un estado inicial a otro final cambiando en el
proceso su presión, su volumen o su temperatura, pero siempre que la cantidad
PV/T no varíe.
La ecuación anterior constituye una expresión de la llamada ley de los gases
ideales o perfectos, que también se conoce como ecuación de estado. Para dos
estados cualquier inicial y final las magnitudes P, V y T están relacionadas en la
forma:
La constante de proporcionalidad depende de la cantidad de sustancia gaseosa
considerada. Cuando esta circunstancia se introduce en la ecuación (20.4) resulta
la expresión de la ley de los gases ideales más usada:
P V = n R T
donde n es el número de moles de la muestra gaseosa considerada y R es la
llamada constante de los gases perfectos igual a: 0,082 atm · 1/K · mol.
BIBLIOGRAFÍA
http://www.kalipedia.com/ecologia/tema/reacciones-quimicas-seres-vivos.html?
x=20070418klpcnaecl_79.Kes
http://www.educared.net/concurso2001/410/reaccion.htm
http://genesis.uag.mx/edmedia/material/qino/T7.cfm
http://es.wikipedia.org/wiki/Quimios%C3%ADntesis
http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema2/index2.htm interactivo
http://fisica-quimica.blogspot.com/2006/05/estados-de-agregacin-de-la-materia.html
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6. Operando en la ecuación se tiene:
V = V0 (1 + t) =
y como 273 + t(ºC) = T(K), expresando la temperatura en Kelvin resulta, en efecto:
Por otra parte la ley de Boyle establece la proporcionalidad inversa entre V y P, es
decir:
Combinando ambas relaciones de proporcionalidad se tiene:
que indica que el producto del volumen de un gas por su presión dividido por su
temperatura absoluta es una cantidad constante. Ello significa que una muestra
gaseosa dada puede evolucionar de un estado inicial a otro final cambiando en el
proceso su presión, su volumen o su temperatura, pero siempre que la cantidad
PV/T no varíe.
La ecuación anterior constituye una expresión de la llamada ley de los gases
ideales o perfectos, que también se conoce como ecuación de estado. Para dos
estados cualquier inicial y final las magnitudes P, V y T están relacionadas en la
forma:
La constante de proporcionalidad depende de la cantidad de sustancia gaseosa
considerada. Cuando esta circunstancia se introduce en la ecuación (20.4) resulta
la expresión de la ley de los gases ideales más usada:
P V = n R T
donde n es el número de moles de la muestra gaseosa considerada y R es la
llamada constante de los gases perfectos igual a: 0,082 atm · 1/K · mol.
BIBLIOGRAFÍA
http://www.kalipedia.com/ecologia/tema/reacciones-quimicas-seres-vivos.html?
x=20070418klpcnaecl_79.Kes
http://www.educared.net/concurso2001/410/reaccion.htm
http://genesis.uag.mx/edmedia/material/qino/T7.cfm
http://es.wikipedia.org/wiki/Quimios%C3%ADntesis
http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema2/index2.htm interactivo
http://fisica-quimica.blogspot.com/2006/05/estados-de-agregacin-de-la-materia.html
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