3. Leyes de los gases
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Para definir el estado de un gas es necesario conocer una serie de magnitudes, llamadas variables de estado:
- Volumen del recipiente en el que se encuentra el gas.
- Temperatura a la que está el gas.
- Presión generada por el gas.
- Cantidad de sustancia.
Estas magnitudes se suelen medir en unidades que no son del Sistema Internacional, pero cuyo valor es más sencillo de manejar a escala de laboratorio. Por ejemplo, es más fácil decir que la presión es de 1 atm (atmósfera) que de 101325 Pa (Pascales) o que 760 mm de mercurio, cantidades que son equivalentes. En resumen, se miden en:
| Volumen | L (litros) |
| Temperatura | K (Kelvin) |
| Presión | atm (atmósferas) |
| Cantidad de sustancia | n(mol) |
Entre la segunda mitad del
siglo XVIII y comienzos del XIX se observó experimentalmente que esas magnitudes
dependen unas de otras, y se establecieron relaciones numéricas entre ellas,
dando lugar a relaciones funcionales llamadas leyes de los gases.
El estado gaseoso
El estado gaseoso es el más sencillo de estudiar, porque todos los gases tienen prácticamente las mismas propiedades físicas, mientras que en sólidos y líquidos las diferencias pueden ser muy apreciables (hay sólidos duros como el diamante y blandos como la cera, y líquidos muy volátiles como la acetona o poco volátiles como el agua).
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Los gases son sustancias que ocupan totalmente el recipiente que los contiene, que se mezclan fácilmente, se pueden expandir y comprimir con facilidad, y generan una presión que depende de la cantidad de gas que hay en el recipiente (además de su volumen y de la temperatura a la que se encuentren).
Los gases son muy poco densos, por lo que puede parecer que no tienen peso. Hay muchos métodos para comprobar que los gases pesan. En la imagen tienes uno de ellos: al pinchar el globo y escapar el gas que contiene, su peso disminuye y la barra se desequilibra hacia el otro lado.
Ejemplo o ejercicio resuelto
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Globo frío y globo caliente
Los globos se llenan habitualmente de aire. Si tienes dos globos idénticos rellenos con la misma masa de aire, uno de aire frío y otro de aire caliente, ¿cómo podrás saber cuál es cuál, sin tocarlos ni medir su temperatura?
Actividad
El comportamiento de los gases
Para describir el comportamiento macroscópico de los gases se acepta que:
- Se desprecian las interacciones entre las partículas de gas, y su volumen se considera despreciable frente al del recipiente. Un gas que cumple estas condiciones se llama ideal.
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Las partículas del gas se mueven desordenadamente, chocando entre sí y con las paredes del recipiente que las contiene.
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La presión de los gases viene originada por los choques de las partículas con las paredes del recipiente que las contiene, y depende de la fuerza de choque y de la superficie interior del recipiente (P = F/S). En consecuencia, cuanto mayor sea la intensidad de los choques y menor el volumen del recipiente, mayor será la presión.
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Al calentar el gas, aumentando su temperatura, las partículas se mueven más deprisa, chocando con más intensidad y separándose más entre ellas después del choque.
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Cuanto mayor sea la cantidad de gas contenida en un recipiente, mayor es la presión generada, ya que hay más partículas, y por lo tanto más choques entre ellas y con las paredes del recipiente.
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La presión no depende del tipo de gas: gases diferentes a la misma temperatura y en el mismo volumen generan la misma presión si la cantidad de partículas de cada uno es la misma (las partículas grandes se mueven despacio y las pequeñas deprisa).
Pre-conocimiento
¿Grado centígrado y grado Kelvin?
Una escala de temperaturas es centígrada si está dividida en 100 grados entre el punto de congelación y el de ebullición del agua. La escala Celsius, diseñada por Anders Celsius en 1742, es centígrada, pero también lo es la escala Kelvin, establecida en 1848 y basada en la escala Celsius, con la que se relaciona mediante la equivalencia 0 ºC=273,16 K.
Se debe denominar grado Celsius (ºC), aunque coloquialmente se sigue utilizando la expresión "grados centígrados", ya que las dos escalas son centígradas.
El Kelvin (no el grado Kelvin) es la unidad de temperatura del Sistema Internacional, y presenta la ventaja de que no hay temperaturas negativas y de que hay un cero de temperatura (0 K).