leyes de los gases

Leyes de los gases

El estudio sistemático del comportamiento de los gases les interesó a los científicos durante siglos.

Como las leyes que se mostraran a continuación están basadas sobre los gases ideales, recordaremos un poco lo que es un gas ideal y qué características presenta para poder comprender mejor las leyes.

Gases ideales son aquellos gases que se basan en las siguientes hipótesis:

• En cualquier volumen pequeño hay una cantidad muy grande de moléculas.
• Está formado por n pequeñas partículas puntuales. (átomos o moléculas)
• Las moléculas gaseosas se mueven a altas velocidades, en forma recta y desordenada.
• Un gas ideal ejerce una presión continua sobre las paredes del recipiente que lo contiene, debido a los choques de las partículas con las paredes de éste.
• Los choques moleculares son perfectamente elásticos. No hay pérdida de energía cinética.
• No se tienen en cuenta las interacciones de atracción y repulsión molecular.

Las características de un gas pueden describirse mediante 4 variables:

• La cantidad expresada en moles.
• La presión.
• La temperatura. (Expresada en grados Kelvin)
• El volumen.

La ley de los gases ideales se puede representar de la siguiente manera:

P . V = n . R . T

Donde:

• P = Presión.
• V = Volumen.
• n = Moles de Gas.
• R = Constante universal de los gases ideales.
• T = Temperatura absoluta.

Las leyes empíricas de los gases establecen las relaciones entre dos de las variables cuando se mantienen constantes las otras 2.

• Ley de Boyle - Mariotte

"Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante."

La relación matemática que existe entre la presión y el volumen de una cantidad de un gas a una cierta temperatura fue descubierta por Robert Boyle (filósofo natural, químico, físico e inventor irlandés) en 1662.

Boyle encerró una cantidad de aire en el extremo cerrado de un tubo en forma de U, utilizando Hg como fluido de retención. Boyle descubrió que el producto de la presión por volumen de una cantidad fija de gas era un valor aproximadamente constante. Notó que si la presión del aire se duplica su volumen era la mitad del volumen anterior y así sucesivamente. También observo que al calentar un gas aumentaba su volumen si la presión se mantenía constante, a este proceso se le llama proceso isotérmico.

Edeme Mariotte (abad y físico francés) de forma independiente a Boyle llegó a la misma ley, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Como curiosidad, Boyle en sus escritos no especificó que la temperatura debía ser constante para que la ley fuesa válida, seguramente realizó sus experimentos así y lo daría por hecho. Mariotte si especificó esta constante.

"La Ley de Boyle - Mariotte establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante. Si la presión aumenta, el volumen disminuye y cuando la presión disminuye, el volumen aumenta."

Como hemos visto, la expresión matemática de esta ley es:

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:

 

Ejemplo:

- Un globo se encuentra a una presión de 300 mmHg y tiene un volumen de 800ml ¿Qué volumen ocupará si la presión es de 600mmHg?

Datos:                       Fórmula:                    Despeje:                           Sustitución:

P1= 300 mmHg     V1P1 = V2P2         V2 = V1P1/P2      V2 = (.8L)(300 mmHg)/(600 mmHg) 

V1= 800 ml = .8 L                                                                                       V2 = (.8L)(0.5)

P2= 600 mmHg

V2= x

Resultado:                              

V2 = 0.4 L

• Ley de Charles

"Relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión es constante."

Jacques Charles (profesor de física en el Conservatorio de ARtes y Oficiosos de París) en 1787 publicó los resultados de sus descubrimientos sobre la variación del volumen de un gas con respecto a una temperatura y presión constantes, lo que se conoce ahora como Ley Charles. Se considera así al proceso isobárico para la Ley de Charles y al isocoro (o isotérico) para la Ley de Gay - Lussac.

"La ley de Charles dice que al conservar la presión constante, cuando la temperatura aumenta, el volumen aumenta y cuando la temperatura disminuye, el volumen también disminuye."

Charles fue el inventor del globo aerostático de hidrógeno. Los trabajos de Charles, que no fueron publicados, cayeron por casualidad en manos de Joseph-Louis Gay-Lussac, quien repitió los experimentos de Charles y publicó el resultado en 1802.

Matemáticamente podemos expresarlo así:

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una temperatura T1. Si variamos el volumen del gas hasta un nuevo valor V2, entonces la temperatura cambiará a T2, y se cumplirá:

 

Ejemplo:

- El volumen inicial de una cierta cantidad de gas es de 200 cm3 a la temperatura de 20°C. Calcular el volumen que tendrá el gas a 90°C, si la presión permanece constante.

Datos:                              Fórmula:                  Despeje:                           Sustitución:

T1= 20°C = 293K         V1/T1 = V2/T2         V2 = V1T2/T1        V2 = (200cm3)(363K)/(293K) 

V1= 200 cm3                                                                                       V2 = (200cm3)(1.2389)

T2= 90°C = 363K

V2= x
 

Resultado:                              

V2 = 247.78 cm3