Química IV - Leyes de los Gases - Parte I

LEYES DE LOS GASES

Para definir el estado de un gas, es necesario tener en cuenta tres parámetros que son el volumen, la presión y la temperatura.

Nunca puede suceder que para una misma masa de gas, varíe uno solo de dichos parámetros. Forzosamente variará uno de los otros dos, si se mantiene el tercero constante. También puede suceder que varíen los tres parámetros simultáneamente.

Toda vez que varían dichos parámetros, se dice que el gas ha sufrido una transformación.

Transformaciones a temperatura constante

Supongamos que una determinada mas de gas cualquiera, se coloca en un cilindro cuya tapa es un émbolo y dicho émbolo puede desplazarse idealmente sin roce y al mismo tiempo constituyendo un cierre hermético. Dicho cilindro se coloca dentro de un termostato, es decir un aparato que impide que la temperatura del gas varíe, a lo largo de la experiencia a realizar.

El cilindro que contiene al gas, está graduado, de modo tal que en todo momento puede conocerse el volumen que ocupa el gas. Sobre el émbolo puede ejercerse, con una maquina apropiada, una presión que puede variarse a lo largo de la experiencia.

Por lo tanto tendremos varios estados para la misma masa de gas, en los cuales podremos conocer valores de presión y de volumen, todos a la misma temperatura.

Para un caso concreto, los valores pueden ser los que se indican en el siguiente cuadro:

Los físicos Robert Boyle (1627 - 1691) y Edme Mariotte (1620 - 1684), independientemenete realizaron experiencias de este tipo; observando el cuadro de valores, puede sacarse la siguiente conclusión:

Al multiplicar el valor de la presión por el valor del volumen, para cada estado del gas, se encuentra siempre un mismo resultado. Por ejemplo, 12 atm x 1litro = 12.

Podemos enunciar entonces la ley de Boyle - Mariotte de la siguiente forma:

LEY DE BOYLE - MARIOTTE

Para una determinada masa de gas, que evoluciona a temperatura constante, se verifica que el producto de la presion por el volumen, para cada estado del gas, es constante.

Matemáticamente, esta ley queda expresada de la siguiente forma:

P1 x V1 = P2 x V2   ------------->  P x V = cte

Si tomamos dos estados del gas entre los cuales se cumple que

podemos agrupar, en un mismo miembro de la igualdad, valores de presión, y en el otro lado del igual valores de volumen. Así resulta que:

Ésta es otra forma de expresar la lay de Boyle-Mariotte que se leería de la siguiene manera:

"Para una determinada masa de aire, que evoluciona a temperatura constante, se verifica que los volumenes ocupados por el gas, son inversamente proporcionales a las presiones que soporta".

Transformaciones a presión constante.

Si un cilindro como el de la experiencia anterior, colocamos un gas, podremos realizar una experiencia en la cual se varíe la temperatura del gas calentándolo o enfriándolo, dando o quitando calor.

Si queremos que la presión se mantenga constante dejaremos el embolo, libre de modo tal que pueda desplazarse hasta que la presión del gas iguale la presión exterior.

Si la evolución es lo suficientemente lenta, podemos suponer que en todo momento la presión del gas es la misma, e igual a la presión atmosférica.

En estas condiciones, cuando la temperatura del gas aumenta, éste se dilata; cuando la temperatura del gas disminuye, éste se contrae.

Todos los gases tienen un mismo coeficiente de dilatación cubica cuyo valor es:

Coeficiente de dilatación cubica; es el aumento de volumen que se produce por unidad de volumen y por grado de variación de temperatura.

Es decir, que si tuviéramos 1 litro de gas a 0°C y se calentara hasta 1°C, el volumen final sería:

Teniendo en cuenta este hecho, se puede llegar a deducir la escala de temperatura, llamada "Escala Absoluta" ó "Escala Kelvin"

La escala centígrada y la escala absoluta, están relacionadas de forma tal que:

Toda temperatura en la escala absoluta es igual a la temperatura en la escala centígrada, incrementada en el valor 273. Donde la temperatura absoluta se representa siempre con una letra "te" mayúscula, ésta representa la temperatura en grados kelvin.

Si en nuestra experiencia de dilatación de un gas a presión constante, se determina la temperatura en la escala absoluta, se encuentra una proporcionalidad directa entre los volúmenes y las temperaturas.

Esta ley se enuncia, diciendo:

"Para una determinada masa de un gas, que evoluciona a presión constante, se verifica que las temperaturas absolutas, son directamente proporcionales a los volúmenes ocupados por el gas".

Transformaciones a volumen constante

Para realizar una evolución a volumen constante con nuestro cilindro, lo que debemos hacer es fijar el embolo de modo tal que no pueda desplazarse.

Al calentar el gas, la temperatura de las moléculas aumenta y por lo tanto aumenta su energía cinetica.

DEsde el punto de vista de la teoría molecular cinetica, se define la presión de un gas, como el numero de choques que realizan las moléculas, sobre la unidad de superficie, en la unidad de tiempo.

Si el volumen del recipiente es constante, la superficie sobre la que chocan las moléculas no varía. Pero si la energía cinetica de las moléculas varía, varia su velocidad de desplazamiento.

A mayor temperatura, corresponde mayor velocidad; a menor temperatura, corresponde menor velocidad. Como consecuencia, varía el numero de choques en la unidad de tiempo, sobre la unidad de superficie.

Si se determina la temperatura en la escala absoluta, se encuentra una proporcionalidad directa entre la variación de temperatura y la variación de presión.

Enunciamos esta ley diciendo:

"Para una determinada masa de gas, que evoluciona a volumen constante, se verifica que las temperaturas absolutas del gas, son directamente proporcionales a las presiones del mismo.

ECUACION GENERAL DE LOS GASES

Las leyes que hemos visto hasta ahora, son limitativas; es decir que se refieren a los casos particulares en que alguno de los tres parámetros permanece constante durante la evolución.

La siguiente expresión constituye la llamada "Ecuación de Estado del Gas" o simplemente "Ecuación General de los Gases", enunciada por Émile Clapeyron (1799 - 1864) y Rudolf Clausius (1822 - 1888).

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

Espero que haya resuelto las dudas de este tema tan contemporáneo y hayan disfrutado la lectura.
Si todavía no lo hiciste seguime en el blog, a demás de comentar que te ha parecido este apunte.
No olvides de calificar esta entrada es las "Reacciones" que ves en el pie de pagina de la misma.