Introducción:
Un gas es una sustancia que ocupa en su totalidad un volumen de un
recipiente donde es contenido, y se conforma de partículas o moléculas, con
movimiento en todas las direcciones. Los gases tienen diferentes
propiedades: volumen, temperatura, presión, comprensibilidad, expansión,
difusibilidad; lo que les permite reaccionar rápida y drásticamente a los
cambios en el entorno, cosa que no sucede con los líquidos y los sólidos.
Gracias a éstos cambios o propiedades
es que se pueden utilizar para medir la presión atmosférica, ver el
comportamiento de un gas en una gaseosa, ver cómo exhala un volcán y la fuerza
con la que lo hace y ver cómo con el helio podemos mandar a l aire globos
inflados con este gas, logrando desplazarse a alturas y distancias considerables
Todo en el universo está formado por
materia y esta se puede encontrar en tres estados de agregación o estados
físicos los cuales son: sólido líquido y gaseoso; en esta ocasión hablaremos de
estado gaseoso. Los gases y sus leyes
fueron desarrolladas a finales del siglo XVII, cuando los científicos se
percataron que los gases se forman
cuando un fluido tiene variantes en la presión, volumen y temperatura, por lo
tanto cuando se excede la energía las
fuerzas de atracción entre moléculas estas interactúan, ocasionalmente
chocándose o teniendo fricción entre ellas, al estar en estado gaseoso se
mueven rápidamente y son libres de circular en cualquier dirección,
extendiéndose a largas distancias, por esa razón a mayor temperatura la
cantidad de moléculas individuales aumenta y así los gases se expanden para
llenar contenedores que tienen una densidad baja, porque las moléculas se
separan y pueden circular libremente en el estado gaseoso, de este modo los
gases pueden comprimirse y tener una forma indefinida.
En la actualidad estas leyes son de
gran importancia y ayuda ya que se aplican en un sinfín de industrias, en
hospitales se utiliza el oxígeno y en
actividades cotidianas como el beber una soda o refresco con gas o cargar gasolina; este usa el dióxido de carbono,
cuando se abre la botella el gas escapa
y el carbono disuelto se eleva hacia arriba escuchándose ese tradicional sonido, también en las bolsas
de aire que utilizan los autos basado en la ley de Charles, siendo hoy día sin duda un gran invento que salva vidas, se
usan los gases en las latas de aerosol por ello no deben ser expuestas al calor
ya que podrían explotar. Estos grandes científicos Gay Lussac, Robert Boyle,
Jacques Charles y Amedeo Avogadro con
sus maravillosos inventos han revolucionado al mundo y son sin duda una
gran aportación a la humanidad, a la ciencia, la tecnología entre otras áreas.
Ley de
Gay Lussac: Físico francés que en 1802
observó que todos los gases se expanden en una misma fracción de volumen
por el aumento en la temperatura, por lo cual La presión del gas es
directamente proporcional a su temperatura. Lo que reveló la existencia
de un coeficiente de expansión térmica común lo que hizo posible la definición
de una nueva escala de temperaturas conocida posteriormente como Kelvin (K).
P1 / T1 = P2
/ T2
Ley de Boyle Mariotte: Químico
inglés, nacido en Irlanda. La ley de Boyle fue descubierta en 1662 y en ella
establece que: La presión del gas en un recipiente cerrado es inversamente
proporcional al volumen del recipiente cuando la temperatura es constante.
P1 V1 = P2 V2
Ley de Charles: en 1787 Jacques
Charles, estudió por primera vez el test
la relación entre el volumen y la temperatura en una muestra de gas a presión
constante, observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas
aumentaba y al enfriar el gas el volumen disminuía. Por lo tanto; el volumen es
directamente proporcional a la temperatura del gas: Si la temperatura aumenta, el
volumen del gas aumenta, si la temperatura del gas disminuye el volumen del gas
disminuye.
V1 / T1 = V2
T2 Matemáticamente podemos expresarlo así:
(El cociente entre el volumen y la
temperatura es constante)
Ley de Avogadro: Amedeo Avogadro fue un
físico italiano que en 1811 apoyo sus conocimientos, en los conocimientos
preexistentes de esa época sobre los gases creando una hipótesis sobre el
número de moléculas que existen en una molécula de gas, en la cual suponía que
dos recipientes del mismo volumen conteniendo gases distintos sometiéndolas a
la misma temperatura y presión deberían contener el mismo número de moléculas y
en ella establece la relación entre la cantidad
de gas y su volumen, cuando se mantienen constantes la temperatura, la presión
y recuerda que la cantidad
de gas se mide en moles (M). A presión y temperatura constantes, la
misma cantidad de gas tiene el mismo volumen independientemente del elemento
químico que lo forme.
V1 / n1 = V2
/ n2
Ley general de los gases o ecuación general de los gases. Fue Gay Lussac quien hiciera la fusión
entre las tres leyes existentes para los gases. En esta ley se combinan las
distintas leyes como son: Ley de Boyle, Mariotte (a T cte),las dos leyes de Gay
Lussac (a P cte) y (a V cte) Ley de Charles, en las cuales se refieren
matemáticamente a cada una de las variables termodinámicas con relación a otra
mientras todo lo demás se mantiene constante.
Esta es su ecuación general: P.
V / T = CONSTANTE
LEY DE CHARLES
Hoy aplicaremos la Ley de Charles para explicar cómo el aire
caliente en un globo aerostático o de cantoya hace que éste se eleve.
Jacques Alexandre César Charles, químico, físico y aeronauta francés, nació en Beaugency (Loiret) el 2
de noviembre de 1746 y falleció en París el 7 de abril de 1823.
Al tener noticias de las experiencias de los hermanos Montgolfier con
su globo aerostático propuso la utilización del hidrógeno, que era el gas más
ligero que se conocía entonces, como medio más eficiente que el aire para
mantener los globos en vuelo.
En 1783 construyó los primeros globos de hidrógeno y subió él mismo
hasta una altura de unos 2 km, experiencia que supuso la locura por la
aeronáutica que se desató en la época.
Su descubrimiento más importante fue en realidad un redescubrimiento
ya que en 1787 retomó un trabajo anterior de Montons y demostró que los gases
se expandían de la misma manera al someterlos a un mismo incremento de
temperatura.
El paso que avanzó Charles fue que midió con más o menos exactitud el
grado de expansión observó que por cada grado centígrado de aumento de la
temperatura el volumen del gas aumentaba 1/275 del que tenía a 0°C . Esto
significaba que a una temperatura de -275 °C el volumen de un gas sería nulo
(según dicha ley) y que no podía alcanzarse una temperatura más baja.
Dos generaciones más tarde Kelvin fijó estas ideas desarrollando la
escala absoluta de temperaturas y definiendo el concepto de cero absoluto.
Charles no público sus
experimentos y hacia 1802 Gay-Lussac publicó sus observaciones sobre la
relación entre el volumen y la temperatura cuando se mantiene constante la
presión por lo que a la ley de Charles también se le llama a veces ley de
Charles y Gay-Lussac.
Esta ley nos indica que
la dilatación de un gas a presión constante el volumen de un gas perfecto es
directamente proporcional a su temperatura por ejemplo en un globito de Cantoya
se entiende que al encender la mecha en la base del globo el calor
disipado hará que se expandan las paredes del globo y el Oxígeno O2
se quema quedando sólo aire caliente que es menos pesado que el O2 y
la presión del ambiente le ayudará a elevarse más, ya que a mayor altura menor
presión.
Ejemplo:
Un gas tiene un volumen de 2.5 L a 25 °C. ¿Cuál será su nuevo volumen
si bajamos la temperatura a 10 °C?
Recuerda que en estos ejercicios siempre hay que usar la escala
Kelvin.
Solución: Primero expresamos la temperatura en kelvin:
T1 = (25 + 273) K= 298 K
T2 = (10 + 273 ) K= 283 K
Ahora sustituimos los datos en la ecuación:
2.5L
|
V2
|
|
-----
|
=
|
-----
|
298 K
|
283 K
|
Si despejas V2
obtendrás un valor para el nuevo volumen de 2.37 L.
Experimento aplicando la ley de Charles.
Materiales que se requieren para dicho experimento:
1 globo de Cantoya o papel de china
1 mecha
1 encendedor
Buen clima.
PASO 1
Insertar la
mecha en la base del globo para proceder a encenderla, asegurándonos que la
mecha no toque las paredes del globo ya que se puede incendiar.
PASO 2
Encender la
mecha del globo con cuidado asegurándonos de que el globo esté bien extendido y
así pueda fluir el calor y se lleve a cabo la combustión del Oxígeno quedando
sólo aire caliente lo que hará que el globo se eleve.
Paso 3
Nuestro globo
se elevará debido al aire caliente dentro de él ya que conforme vaya
ascendiendo la presión será menor exterior disminuirá conforme a la altura.
Aquí aplica que a presión constante el volumen del aire aumentará
proporcionalmente con la temperatura del aire caliente dentro del globo.
Paso 4
Nuestro globo
al llenarse de aire caliente y la combustión del Oxígeno 02 comienza
a elevarse ya que la presión es mayor dentro del globo que fuera. Y recorrerá
una distancia considerable dependiendo de la cantidad de aire caliente que tenga,
el viento y el oxígeno que haya en el ambiente, aproximadamente subirá 10,000
pies Ft, ya que si no hay Oxígeno O2 no habrá combustión.
Conclusión:
En las leyes de los gases tenemos
infinidad de variantes, sin duda alguna todas han dejado un gran legado y del cual
aprendemos el porqué del comportamiento de los gases en diferentes situaciones
dependiendo del volumen, la presión, el peso la temperatura de cada una de
éstas serán los resultados.
Hoy día vemos reflejadas en nuestra
vida diaria cada una de éstas leyes, las cuales aplicamos sin siquiera darnos
cuenta de lo que hacemos, el para qué se usan y su importancia en la tecnología,
la industria, la ciencia y hasta el entretenimiento.
En la ley de Charles se manejan la presión y la
temperatura que deberán ser directamente proporcionales para que su efecto se
vea reflejado en este caso con el globo de Cantoya. Gracias a ésta ley podemos disfrutar de
paseos en globos aerostáticos y disfrutar de un paisaje magistral, al igual se
aplica para poder en algunas zonas,
checar la hidrografía, orografía, la población en regiones muy altas y lejanas;
de igual manera nos ayuda en el hogar al usar la olla express o de presión para
cocinar, ya que la temperatura y la presión se mantienen constantes, haciendo
que el contenido de la olla se cueza mejor y en menos tiempo. Gracias a Jacques
Charles nuestra vida es más fácil, práctica y divertida.
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