1- Estados de agregación de la materia
Todos los cuerpos se encuentran conformados por materia, sin importar su forma, tamaño o estado. Recordemos que, la materia puede presentarse en diferentes estados físicos: sólido, líquido y gaseoso.
Por ejemplo:
– En estado sólido se encuentra la sal, el hielo y la azúcar.
– En estado líquido se encuentra el alcohol y el aceite.
– En estado gaseoso se encuentra el oxígeno.
1.1- El estado gaseoso
También es importante recordar que, en este estado de la materia, las fuerzas entre las partículas son prácticamente nulas. Además, estas se mueven libremente y la distancia entre las partículas es mucho mayor que en los estados sólido y líquido. Debido a esto las partículas de los gases ocupan todo el espacio disponible del recipiente que los contiene.
2- Los gases y su comportamiento
Para comprender el comportamiento de los gases, en primer lugar, debemos conocer la teoría cinética de los gases. Este es un modelo aplicable a cualquier gas, el cual se encuentra conformado por partículas moviéndose al azar y que chocan contra el recipiente que lo contiene.
Los principales postulados de la teoría cinética de los gases son:
a- Los gases se encuentran formados por partículas muy pequeñas y muy separadas entre sí.
b- La fuerza de atracción entre las partículas es mínima, prácticamente casi inexistente.
c- Si aumenta la temperatura del gas, aumenta la velocidad de sus partículas.
d- Como las partículas se encuentran en constante movimiento, chocan entre ellas y contra las paredes del recipiente, cumpliéndose las leyes de los choques elásticos.
e- Los choques se que producen entre las partículas y las paredes del recipiente, producen presión sobre estas últimas.
f- Cuando las partículas chocan entre ellas, aparecen fuerzas o interacciones entre ellas.
Por ejemplo, en la siguiente imagen puedes observar que un gas se encuentra dentro de un recipiente. Sus partículas se encuentran muy distanciadas entre sí y en constante movimiento aleatorio, ocupando todo el espacio disponible. La dirección del movimiento de las partículas se indica con la flecha de color negro.
Además, se encuentran representados los choques que se producen entre las partículas y cómo estas chocan con el recipiente que los contiene.
3- ¿Qué variables influyen en el comportamiento de los gases?
Existen tres variables que influyen en el comportamiento de un gas, las cuales, las describiremos a continuación:
a- Volumen: Corresponde a una magnitud que se define como el espacio que es ocupado por un cuerpo sólido, líquido o gaseoso. Su unidad en el Sistema Internacional es el m3, sin embargo, también se suele utilizar el litro (l). Por lo tanto, corresponde al espacio que ocupa un gas en un lugar específico.
b- Temperatura: Corresponde a una medida de la energía cinética media de los átomos y moléculas. Al aumentar la temperatura, las partículas de la materia se mueven más rápido y aumenta la fuerza de repulsión entre ellas.
Las escalas más utilizadas para medir la temperatura son Celsius (°C), Kelvin (K) y Fahrenheit (°F).
c- Presión: Corresponde a una magnitud que nos señala la fuerza (F) que por unidad de área se ejerce sobre una superficie (S). Se expresa con la siguiente fórmula: .
Su unidad en el Sistema Internacional es el Pascal (Pa), que corresponde a la presión ejercida cuando actúa una fuerza de 1 Newton (1N) sobre una superficie.
Otras unidades de presión que se utilizan con la atmósfera (atm), equivalente a 101300 Pa y el milímetro de mercurio, donde 760 mmHg equivalen a 1 atm.
Las variables anteriormente mencionadas, también se relacionan entre sí. Revisemos sus relaciones:
– Temperatura y volumen de un gas: Según la teoría cinético-molecular, cuando un gas experimenta un aumento en su temperatura, sus partículas se mueven a una mayor velocidad y se expande.
– Temperatura y presión de un gas: Cuando un gas aumenta su temperatura, sus partículas se mueven a una mayor velocidad. Se elevan los choques entre ellas y sobre el recipiente que las contiene. Por lo que, en un recipiente cerrado, la presión de un gas se ocasiona por el número de choques de las partículas sobre sus paredes.
– Volumen y presión de un gas: Si tenemos un gas al interior de un recipiente hermético con un émbolo, si presionamos este último, el volumen del gas disminuirá y el espacio que queda entre las partículas es menor. El número de choques entre estas y contra las paredes aumenta, produciendo que aumente la presión del gas.
4- ¿Cómo influyen estas variables en el comportamiento de los gases?
A continuación, estudiaremos cómo las variables anteriormente descritas, influyen en el comportamiento de los gases. Un gas puede ser caracterizado por tres variables: la presión (P), el volumen (V) y la temperatura (T), las cuales se miden experimentalmente.
Para comprender el comportamiento de los gases, se estableció un modelo de gases ideales. A continuación, presentamos las principales características de un gas ideal:
– Los gases, en comparación con los líquidos y sólidos, poseen fuerzas de cohesión muy pequeñas.
– Los choques de las partículas de gas, entre ellas y contra el recipiente, son perfectamente elásticos. Esto significa que las partículas no pierden energía al chocar, solo cambian de dirección.
– El volumen de las partículas de un gas es muy pequeño en comparación con los espacios vacíos que lo conforman.
– El comportamiento del gas varía con la presión, el volumen y la temperatura. Esta relación se encuentra establecida en las leyes de los gases.
4.1- Leyes de los gases ideales
Diversos científicos realizaron estudios sobre el comportamiento de los gases, frente a las variaciones de temperatura, volumen y presión. Esto les permitió formular tres leyes de los gases. En cada una de estas leyes, se plantea una fórmula, en la que una de estas tres variables (temperatura, volumen y presión) se mantiene constante. Por lo que, se analizan los cambios de solo dos variables a la vez.
A modo de introducción, se presentan las leyes de los gases y la relación que existe entre las tres variables. Posteriormente, en el contenido “Leyes de los gases” puedes profundizar sobre las fórmulas y ejercicios aplicados.
a) Ley de Boyle
Esta ley relaciona la presión con el volumen a una temperatura constante, estableciéndose lo siguiente: “Si se mantiene la temperatura constante y se ejerce una presión sobre el gas, el volumen disminuye”. Esto se produce porque un gas posee una gran compresibilidad, ya que no hay fuerzas entre sus partículas y estas se encuentran a grandes distancias.
El siguiente gráfico, relaciona el volumen y la presión de un gas a temperatura constante. Como puedes observar, cuando aumenta la presión disminuye el volumen del gas. También se obtiene una curva descendente a medida que aumenta el volumen.
b) Ley de Charles
Esta ley relaciona el volumen con la temperatura a presión constante, estableciéndose lo siguiente: “Si se mantiene la presión constante y se aumenta la temperatura, el volumen del gas aumenta”. Esto sucede porque las partículas del gas obtienen una mayor energía cinética y aumentan los choques contra las paredes del recipiente.
En el siguiente gráfico, se observa la relación entre el volumen de un gas y la temperatura cuando la presión permanece constante. Como puedes ver, si aumenta la temperatura también aumentará el volumen del gas.
c) Ley de Gay-Lussac
Esta ley relaciona la presión del gas y la temperatura a volumen constante, estableciéndose lo siguiente: “Si se mantiene el volumen constante en un recipiente que no sea deformable y se incrementa la temperatura, aumenta la presión”. Esto se produce debido a que aumenta el movimiento de las partículas y también se incrementan los choques de estas sobre las paredes del recipiente.
En el siguiente gráfico, se observa la relación entre la temperatura y la presión de un gas. Como puedes apreciar, a volumen constante, la temperatura y la presión de un gas son directamente proporcionales.
