Los gases
Contenido del
artículo
|
El gas
|
El gas ideal
|
Las leyes de los gases ideales
|
|
Según el diagrama
de
fases, la mayor parte de los elementos
químicos y las sustancias pueden existir en tres estados,
esto es: sólido, líquido y gaseoso. Y cada uno de
nosotros puede muy fácilmente determinar esos estados solo
observando el comportamiento cuando nos enfrentamos a una sustancia.
Cada uno de los estados, ha sido estudiado durante años por los
hombres de ciencia, con el objetivo de determinar las leyes
físicas, que puedan predecir su comportamiento con el cambio de
las circunstancias que lo rodean. En este caso nos ocuparemos de los
gases.
Empezaremos por definir que es un gas.
El gas
La definición de un gas puede ser muy simple y reducirse solo a
decir:
"Un gas es una sustancia cuyo volumen es igual al volumen del
recipiente que lo contiene".
Esto es cierto, los gases se expanden hasta ocupar todo el volumen del
recipiente que lo contiene, pero ese efecto no es único. Si
inyectamos a muy alta velocidad un líquido por un pequeño
orificio para formar un aerosol
dentro de un volumen vacío, las pequeñas y
rapidísimas partículas de líquido, también
terminarán por ocupar todo el volumen formando una niebla, por
lo que a nuestra escueta definición hay que agregarle algo para
evitar la confusión.
Podemos arreglar este problema agregando que un gas "deberá
estar formado por un gran número de moléculas". Pero
bueno... el líquido
también está formado por muchas moléculas,
así que
aun no está resuelto del todo, nos falta aun algo, por eso
agregamos que "las moléculas se mueven en todas direcciones"
cosa que no sucede en el líquido del aerosol, donde el grupo de
moléculas que forman la partícula se mueven todas en la
misma dirección debido a la interacción molecular que
mantienen y que a su vez impide la libre expansión.
Al parecer ahora si ya tenemos definido el gas, pero para que esta
última condición se cumpla debe cumplirse a su vez que:
"el tamaño de la molécula debe ser despreciable,
comparado con la distancia entre ellas" de forma tal que esa enorme
distancia relativa, hace que no haya interacción, y que esta
solo se limite a su choque físico eventual.
Finalmente un gas es entonces una sustancia que cumple con las
condiciones siguientes:
- Ocupa el volumen del recipiente que lo contiene.
- Está formado por un gran número de
moléculas.
- Estas moléculas se mueven individualmente al azar en
todas
direcciones.
- La interacción entre las moléculas se reduce
solo a su choque.
En la realidad, estas condiciones se cumplen con suficiente
aproximación, en todos los gases a las condiciones normales de
presión y temperatura como para ser consideradas ciertas, pero
¿qué pasa si el gas se somete a muy elevadas presiones?,
por ejemplo reduciendo notablemente el recipiente que lo contiene,
está claro, la distancia entre las moléculas se reduce y
su interacción comienza a tener mas y mas influencia en el
comportamiento, a medida que mas y mas se aumente la presión;
nuestro gas va "apartándose de la definición de
gas" a la que hemos llegado, por tal motivo y debido a que un gas
puede ser "mas o menos gas" se establece un "patrón
de gas" que servirá para establecer las leyes del
comportamiento de todos los gases y que podrá ser usada con
suficiente aproximación en la mayor parte de las aplicaciones
prácticas, este patrón se llama "gas ideal".
El gas ideal
Para definir un patrón de gas que sirva para establecer reglas
de comportamiento se crea el concepto
de gas ideal, este gas ideal cumple las condiciones siguientes:
- Ocupa el volumen del recipiente que lo contiene.
- Está formado por moléculas.
- Estas moléculas se mueven individualmente y al azar
en todas
direcciones.
- La interacción entre las moléculas se reduce
solo a su choque.
- Los choques entre las moléculas son completamente
elásticos (no hay pérdidas de energía).
- Los choque son instantáneos (el tiempo durante el
choque es cero).
Los gases reales, siempre que no estén sometidos a condiciones
extremas de presión y temperatura, cumplirán muy
aproximadamente las reglas establecidas para los gases ideales.
|
|
Las leyes de los gases ideales
Se han desarrollado leyes empíricas
que relacionan las principales variables de un gas en base a las
experiencias de laboratorio realizadas. En los gases ideales, estas
variables
incluyen la presión (p), el volumen (V) y la
temperatura (T).
1.- La ley de Boyle
-
Mariotte: Esta ley dice que, si se mantiene la temperatura
constante, cuando se aumenta la presión de un gas ideal, su
volumen disminuye en la misma proporción. Es decir P1.
V1 = P2 . V2.
Esta ley la podemos enunciar matemáticamente como: P es inversamente proporcional a V o también P es proporcional a 1/V a temperatura constante.
De esto se desprende que si reducimos a la mitad el volumen en el que
está confinado un gas su presión se duplica. Entonces
¿qué sucede si
aumentamos al doble la cantidad de gas que esta confinado a un volumen
fijo?. De acuerdo a la ley de Boyle-Mariotte la presión
también se
duplica ya que equivale a haber reducido a la mitad el volumen del gas.
Llamemos n a la cantidad de
gas (que usualmente se expresa en moles) de modo que esta ley
también puede enunciarse matemáticamente como:
P es proporcional a n
2.-La ley de Gay-Lussac:
Según esta
ley, si se mantiene la presión constante, el
volumen del gas aumentará en la misma proporción en que
aumente su temperatura absoluta: 
Igual que para la ley anterior se puede enunciar matemáticamente
como: V es proporcional a T si no cambia
el volumen.
3.- La ley de
Charles: Esta ley dice que, si se mantiene el volumen constante,
la presión de un gas aumenta en la misma proporción en la
que aumenta su temperatura absoluta : 
Lo que dicho en otras palabras significa que P es proporcional a T
si el volumen no cambia.
En resumen tenemos:
P es proporcional a 1/V
P es proporcional a T
P es proporcional a n
Si combinamos las tres leyes en una sola expresión:
 (Expresión 1)
Para convertir la expresión anterior a una igualdad debemos
introducir una constante de modo que:
(Expresión 2)
La constante ha sido determinada experimentalmente, se llama constante del gas ideal y se
representa como R de modo que
finalmente tenemos:
 (Expresión
3)
Donde R = 0.0821 L‧atm/K‧mol
La expresión 3 se denomina ecuación de
gases ideales e indica matemáticamente la relación
entre presión, temperatura, volumen y cantidad de gas para gases
ideales.
Note que para usar la expresión la temperatura debe estar en
°K, el
volumen en litros y la cantidad de gas en moles, de esta forma la
presión resulta en atmósferas.
Otros temas sobre fluidos aquí.
Otros temas sobre química general aquí.
Ptros temas sobre física general aquí.
Para ir al índice general del portal aquí.
|
