Leyes de los gases ideales

Algunos gases, a los que llamamos “ideales” tienen un comportamiento característico, de manera que en ellos están relacionados presión, volumen y temperatura.

Hemos realizado un experimento para observar la
relación entre volumen y presión de una cantidad de gas contenido en un capilar a temperatura constante. Hemos mantenido aire (que por su baja densidad se considera un gas perfecto) a 34ºC introduciendo el capilar que lo contiene en un baño térmico.
La variación de volumen se mide de forma directa y la de la presión gracias a un manómetro de mercurio conectado al capilar (en mmHg). Poniendo el manómetro por encima o por debajo del capilar, cambiamos la presión y observamos entonces que el volumen de gas varía también.
Al tratar los datos gráficamente, encontramos que el producto de la presión por el volumen es
constante. Esta conclusión sobre el comportamiento de los gases a temperatura constante es lo que se conoce como ley de Boyle-Mariotte.

 

Figura 1: gráfica de la relación entre presión y volumen en una transformación isotérmica.

 

 

 

 

 

Aplicaciones a la vida real de los gases

Igual que la ley de Boyle-Mariotte, Podemos sacar otras muchas propiedades que vamos a ver a continuación. Todas ellas derivan de la ecuación de estado de los gases ideales:

pV=nRT

Donde:

p: presión del gas

V: volumen

n: cantidad de materia

R: constante de los gases ideales

T: temperatura

 

La ley de Henry

Esta ley nos dice que la cantidad de gas disuelta en un líquido a temperatura constante es proporcional a la presión parcial ejercida por el gas sobre el líquido. La ecuación que rige esta regla es la siguiente:

p=kH.c

Siendo:
p: presión parcial del gas
c: concentración del gas
kH: constante de Henry, que depende del gas, de la temperatura, y del líquido. 

 

 

Podemos ver esta ley en los refrescos: recordemos que estas bebidas llevan gas. Dicho gas, como dice la ley de Henry, tendrá una proporcionalidad entre su cantidad y la presión que éste ejercería sobre el líquido. Seremos conscientes de ello al quitar el tapón de una bebida gaseosa, pues hará un sonido característico al soltar una parte del gas contenido.

 

 

La ley de Boyle no se cumple en motores de combustión interna

La ley de Boyle, como ya hemos visto en el experimento explicado anteriormente, nos dice que la presión ejercida por un gas es inversamente proporcional a su volumen siempre y cuando la temperatura y cantidad de dicho gas sea constante.

Así, si tenemos un gas contenido y aumentamos su presión, el volumen disminuirá. Si por el contrario disminuimos la presión el v

olumen aumentará. 

 

Esta ley no se cumple en la combustión interna de un motor:

En el primer tiempo entra aire al cilindro con un volumen y presión determinados. En el segundo tiempo se comprime el aire rápidamente con un aumento de presión.  En este caso no se cumplirá la ley de Boyle porque al ser un proceso rápido la temperatura no se mantendrá constante. Aumentará. Y la transformación será adiabática sin intercambio de calor.

 

 

La ley de Gay-Lussac

La presión de un gas contenido a volumen constante es directamente proporcional a su temperatura. La ecuación que rige esta ley es la siguiente:

De esta manera, si aumentamos la temperatura también estaremos aumentando la presión, y si disminuimos dicha temperatura estaremos bajando la presión.

Una de los más básicos y conocidos usos de esta ley es la aplicación al funcionamiento de la olla a presión. En la olla a presión se alcanzan presiones más altas que la atmosférica, y como decíamos antes, esta presión será directamente proporcional a su temperatura, lo que aumentará la temperatura de ebullición del líquido contenido en la olla.

La ley de Charles

La ley de Charles relaciona el volumen y la temperatura de un gas ideal a presión constante, mediante una constante de proporcionalidad directa k. Dada una cantidad determinada de un gas a una presión constante, si aumentamos su temperatura el volumen del gas aumentará, y si la disminuimos su volumen disminuirá.

Hemos de recordar que la presión que ejerce un gas sobre las paredes del sitio que lo contiene están directamente relacionadas con la energía cinética de sus partículas.

Las ecuaciones que rigen esta ley son las siguientes:

 

Donde:

V es el volumen.

T es la temperatura absoluta (en kelvin).

 

Experimento “cohete de agua”:

 

Para construir el cohete lo que hicimos fue utilizar dos botellas de un conocido refresco, un corcho, una aguja de inflar balones y cinta americana.

recortamos la botella de refresco en la siguiente disposición:

las unimos para formar un único móvil, dejando un espacio dentro del cohete para el gas, con volumen de 2 litros.

Recortamos el corcho para que quedase ajustado a la apertura del tapón.

En primer lugar, se llena la botella con agua más o menos hasta la mitad. Mediante el inflador, a través de la válvula de inflado, introducimos más aire en la botella, de manera que la presión de este aumente. Cuando la presión es lo suficientemente alta, el tapón de corcho se suelta dejando libre el agua y aire del interior del cohete que es expulsado de manera violenta al exterior, produciendo un impulso en el objeto móvil. El corcho suele saltar con alrededor de 3 bares de presión.

Se puede ver un video de un lanzamiento en este link: https://twitter.com/galeanojav/status/952182805445988352

Aparte, podemos estudiar cómo evoluciona la temperatura a lo largo del lanzamiento. Como la botella se vacía muy rápido, la expansión del gas a presión es muy rápida, se considera que no hay intercambio de calor entre el gas y el exterior: es lo que llamamos una expansión adiabática. Al vaciarse de agua, la presión dentro del cohete disminuye, de modo que el gas realiza un trabajo para expandirse. Esta variación de la energía interna se traduce en un descenso brusco de la temperatura, como podemos ver en la gráfica más abajo (figura 2). La temperatura ha descendido sin que el sistema haya intercambiado calor siguiendo una evolución como la que se representa en la figura 2.

Figura 1: gráfica de la evolución de la temperatura del gas dentro del cohete a medida que el agua sale.

 

Webgrafía: 

http://www.quimicas.net/2015/07/ley-de-henry-de-los-gases.html

https://prezi.com/hkqdgsb8dphz/aplicacion-de-los-gases-en-la-vida-diaria/

https://prezi.com/jlvygwuvxr2s/aplicacion-de-la-ley-de-boyle-en-el-automovil/

https://amontespoloblog.wordpress.com/2017/01/08/ley-gay-lussac-aplicada-sobre-una-olla-a-presion/

https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Charles

Guión de la práctica “Ecuación de estado de los gases ideales. Ley de Boyle-Mariotte”