Los gases y sus leyes

Un gas se caracteriza por que sus moleculas estan muy separadas unas de las otras, razon por la cual carecen de forma definida y ocupan todo el volumen del recipiente que los contienen. son fluidos como los liquidos pero se diferencian de estos por ser presuntamente compresibles debido a la minima fuerza de cohecion entre sus moleculas.

Cuando la temperatura de un gas aumenta, la agitacion de las moleculas se vuelve mayor y en consecuencia se eleva la presion.
El estado de un gas queda determinado por 3 variables: Presión (P), Volumen (V) y Temperatura (T). 

Ley de Boyle

Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante. Fue descubierta por Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle y Mariotte. La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante.

El volumen es inversamente proporcional a la presión: •Si la presión aumenta, el volumen disminuye. •Si la presión disminuye, el volumen aumenta.

                                                   

¿Por qué ocurre esto?

Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes.

Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión.

Lo que Boyle descubrió es que si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen siempre tiene el mismo valor.

Como hemos visto, la expresión matemática de esta ley es:

(el producto de la presión por el volumen es constante)

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V₁ que se encuentra a una presión P₁ al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V₂, entonces la presión cambiará a P₂, y se cumplirá:

que es otra manera de expresar la ley de Boyle.

Ejemplo: 4.0 L de un gas están a 600.0 mmHg de presión. ¿Cuál será su nuevo volumen si aumentamos la presión hasta 800.0 mmHg?

Solución: Sustituimos los valores en la ecuación P₁V₁ = P₂V₂.

                                     (600.0 mmHg) (4.0 L) =(800.0 mmHg) (V₂)

Si despejas V₂ obtendrás un valor para el nuevo volumen de 3L.

Ley de Charles

Relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión es constante

En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el volumen disminuía.

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 disminuye.

                                         

¿Por qué ocurre esto?

Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior).

Lo que Charles descubrió es que si la cantidad de gas y la presión permanecen constantes, el cociente entre el volumen y la temperatura siempre tiene el mismo valor.

Matemáticamente podemos expresarlo así:

(el cociente entre el volumen y la temperatura es constante)

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V₁ que se encuentra a una temperatura T₁ al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V₂, entonces la temperatura cambiará a T₂, y se cumplirá:

que es otra manera de expresar la ley de Charles.

Esta ley se descubre casi ciento cuarenta años después de la de Boyle debido a que cuando Charles la enunció se encontró con el inconveniente de tener que relacionar el volumen con la temperatura Celsius ya que aún no existía la escala absoluta de temperatura.

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.

Ley de Gay-Lussac

Relación entre la presión y la temperatura de un gas cuando el volumen es constante

Fue enunciada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800.

Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante.

La presión del gas es directamente proporcional a su temperatura: •Si aumentamos la temperatura, aumentará la presión. •Si disminuimos la temperatura, disminuirá la presión.

¿Por qué ocurre esto?

Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se mueven más rápidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar.

Gay-Lussac descubrió que, en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presión y la temperatura siempre tenía el mismo valor:

(el cociente entre la presión y la temperatura es constante)

Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una presión P₁ y a una temperatura T₁ al comienzo del experimento. Si variamos la temperatura hasta un nuevo valor T₂, entonces la presión cambiará a P₂, y se cumplirá:

que es otra manera de expresar la ley de Gay-Lussac.

Esta ley, al igual que la de Charles, está expresada en función de la temperatura absoluta. Al igual que en la ley de Charles, las temperaturas han de expresarse en Kelvin.

Ejemplo: Cierto volumen de un gas se encuentra a una presión de 970 mmHg cuando su temperatura es de 25.0°C. ¿A qué temperatura deberá estar para que su presión sea 760 mmHg?

Solución: Primero expresamos la temperatura en kelvin:

T₁ = (25 + 273) K= 298 K

Ahora sustituimos los datos en la ecuación:

970 mmHg		760 mmHg
------------	=	------------
298 K		T2

Si despejas T₂ obtendrás que la nueva temperatura deberá ser 233.5 K o lo que es lo mismo -39.5 °C.

LEY GENERAL DE LOS GASES IDEALES

Los gases ideales son gases hipotéticos, los cuales se suponen, son compuestos por partículas que no interaccionan entre sí y que no ocupan ningún volumen. La aproximación de gas ideal se cumple satisfactoriamente en aquellos gases que se encuentran a baja presión y a una temperatura no demasiado baja.

http://www.educaplus.org/gases/gasideal.html

dilatación lineal, superficial y cubica

dilatación lineal

En un sólido las dimensiones son tres, pero si predomina sólo el largo sobre el ancho y el espesor o altura, como ser una varilla o un alambre, al exponerse a la acción del calor habrá un incremento en la longitud y no así en el ancho y espesor llamada dilatación lineal. Se ha demostrado en un laboratorio de Física al utilizar varillas de igual longitud y de distintas sustancias (hierro, aluminio, cobre) que el incremento en su largo (ΔL) es diferente, dependiendo así de la naturaleza del material.
El Coeficiente de dilatación lineal (α) es el cociente entre la variación de longitud (ΔL) de una varilla y el producto de su longitud inicial (Li) por la variación de la temperatura (ΔT)

α = ΔL / Li . ΔT    y se mide en (1/ºC)

En donde el incremento o variación de la longitud (ΔL) será la diferencia entre la longitud final (Lf) y la longitud inicial (Li) de la varilla:

ΔL = Lf - Li                    para poder restar ambas longitudes deberán estar expresadas en la misma unidad de medida.

• De la definición del coeficiente de dilatación podemos despejar ΔL

ΔL = α . Li . ΔT                y como ΔL = Lf - Li 

reemplazamos ΔL        Lf - Li = α . Li . ΔT            si despejamos la longitud final nos queda:        Lf  = α . Li . ΔT - Li
sacamos factor común longitud inicial para no tenerla dos veces en la fórmula  Lf  = Li .(1 + α . ΔT)    y esta es la fórmula para calcular la longitud final (Lf) de una varilla cualquiera.

-1

coeficientes de dilatacion
material	coeficiente (1/°C)	material	coeficiente (1/°C)
acero dulce	0.000012	hierro fundido	0.0000105
acero niquel	0.0000015	laton	0.0000185
alpaca	0.000018	molibdeno	0.0000052
aluminio	0.0000238	niquel	0.000013
bismuto	0.0000135	oro	0.0000142
bronce	0.0000175	plata	0.0000197
cadmio	0.00003	platino	0.000009
zinc	0.00003	plomo	0.000029
cobre	0.0000165	porcelana	0.000004
cuarzo	0.000005	tungstero	0.0000045
estaño	0.000023	vidrio comun	0.000009
esteatita	0.0000085	vidrio pirex	0.0000003

significado del coeficiente de dilatación lineal

si consideramos el coeficiente de dilatación lineal del aluminio, que es 23.8x10-6 °C-1 , este significa que si tenemos una barra de aluminio de 1cm. y a esta le elevamos la temperatura en 1°C, ésta va a incrementar su longitud en 23.8x10-6 cm , si la barra tuviera 1metro de longitud y le incrementaramos la temperatura en 1°C, ésta va a incrementar su longitud en 23.8x10-6 m , si la barra tuviera 1km de longitud y le incrementaramos la temperatura en 1°C, ésta va a incrementar su longitud en 23.8x10-6 km

Dilatación Superficial

Ahora en un sólido, cuando las dimensiones predominantes son el largo y el ancho sobre el espesor o altura, como ser una chapa o una lámina, al exponerse a la acción del calor habrá un incremento o variación en la superficie (ΔS) y no así en el espesor llamada dilatación superficial. Para calcular la superficie final (Sf) de un sólido plano, la fórmula será:

Sf  = Si .(1 + β . ΔT)

El coeficiente de dilatación superficial ( β ) resultará de ser el doble del valor del coeficiente de dilatación lineal (α) para cada una de las sustancias, porque al tratarse de dos dimensiones largo y ancho, el cálculo es:

β = 2 . α

Dilatación Cúbica

En los sólidos, cuando predominan sus tres dimensiones como el largo, ancho y altura, siendo un prisma, una esfera, un cubo, etc, al exponerse a la acción del calor habrá un incremento o variación en el volumen (ΔV) se denomina dilatación cúbica o volumétrica. Para calcular el volumen final (Vf) en un sólido la fórmula será:

Vf  = Vi .(1 + γ . ΔT)

El coeficiente de dilatación cúbica ( γ ) resulta al ser el triple del valor del coeficiente de dilatación lineal (α) para cada una de las sustancias, porque al tratarse de tres dimensiones largo, ancho y altura, el cálculo es:

γ = 3 . α 

http://www.siiti.com.ar/prof-eugenio/dilata.htm

transferencia de calor

El calor se asocia con la energía interna cinética y potencial de un sistema (movimiento molecular aparentemente desorganizado) en donde el calor siempre fluye desde una región con temperatura más baja y con base en esto, se puede definir la transferencia de calor o dispersión del calor como el proceso mediante el cual se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.

El fenómeno de la transferencia de calor puede ocurrir a través de tres mecanismos posibles que son: conducción, convección y radiación. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la tierra recibe calor del sol casi exclusivamente por radiación.

conducción
Consiste en el flujo de calor a través de medios sólidos por la vibración interna de las moléculas, de los electrones libres y por choques entre ellas. Las moléculas y los electrones libre de la fracción de un sistema con temperatura alta vibran con más intensidad que las moléculas de otras regiones del mismos sistema o de otros sistemas en contacto con en contacto con temperaturas mas bajas. Las moléculas con una velocidad más alta chocan con las moléculas menos excitadas y transfieren parte de su  energía a las moléculas con menos energía en las regiones más frías del sistema. Las moléculas que absorben el excedente de energía también adquirirán una mayor velocidad vibratoria y generarán más calor (la energía potencial absorbe calor y la energía cinética emite calor).

Los metales son los mejores conductores térmicos; mientras que los materiales no metálicos son conductores térmicos imperfectos.

La conducción del calor a través de un metal depende de lo siguiente:

• Diferencia de temperatura energía T = Tf - To entre los puntos que se propagará el calor.
• La distancia (d) entre los puntos citados.
• El área (A) de la sección transversal del cuerpo a través de la cual se propagará.
• El intervalo (TAU) del tiempo que permanecerá la transferencia de calor.
• Constante (K) coeficiente de conectividad térmica del material por el cual se propagará.
• Cantidad de calor (Q) que se transfiere entre dos puntos

Q = (K) (A) (Tf - To) TAU/d

Tabla de conductividad térmica

Elemento                Valor

plata                        1.01

cobre                       0.92

oro                           0.70

aluminio                   0.48

hierro                       0.16

mercurio                  0.14

vidrio                       0.002

agua                         0.001

aire                          0.00005

Convección
Es el tránsito de calor mediante corrientes dentro de un fluido ya sea líquido, gaseoso, o sea que la convección es el desplazamiento de masas de algún líquido o gas. Cuando un masa de  un fluido se calienta al estar en contacto con una superficie caliente, sus moléculas se separan y se dispersan, causando que la masa del fluido llegue a ser menos densa.

Cuando llega a ser menos denso se desplazará hacia arriba u horizontalmente hacia una región más fría, mientras que las masas menos calientes, pero más densas, del fluido descenderán a se moverán en un sentido opuesto al del movimiento de la masa más caliente (el volumen del fluido menos caliente es desplazado por el volumen más caliente). Mediante este mecanismo los volúmenes más calientes transfieren calor a los volúmenes menos calientes de ese fluido (un líquido o un gas).

ejemplo: cuando calentamos agua en una estufa, el volumen de agua en el fondo de la  olla adquirirá el calor por conducción desde el metal de la olla y se hará menos denso. Entonces, al ser menos denso, se moverá hacia la superficie de agua y desplazará a la masa superior menos caliente y más densa hacia el fondo de la olla, este fenómeno lo observamos claramente al moverse el agua.

radiación

Es la transferencia de calor por medio de ondas electromagnéticas. No se requiere de un medio para su propagación. La energía irradiada se mueve a la velocidad de la luz. El calor irradiado por el sol se puede intercambiar entre la superficie solar y la superficie de la tierra sin calentar el espacio de transición.

por ejemplo: si colocamos un objeto (tal como una moneda, un coche o a nosotros mismos) bajo los rayos del sol directos; al poco tiempo notaremos que el objeto se calentará. El intercambio de calor entre el sol y el sujeto ocurrirá por medio de radiación,

Física 2      paginas: 30-33

energía termica

la energía térmica se relaciona íntimamente con el calor, o mejor dicho con los fenómenos caloríficos. La energía térmica se debe al movimiento de partículas que constituyen la materia.Un cuerpo a baja temperatura  tendrá menos energía térmica y por lo tanto menos energía cinética, que otro que este a mayor temperatura y con mayor energía cinética.

para comprender esta idea decimos, que este tipo de energía se produce cuando dos cuerpos, que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto. El cuerpo caliente es el que comunica la energía al cuerpo frió, la diferencia entre ambas temperaturas es a lo que se denomina energía térmica.

calor y temperatura.

calor

representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica.

Se puede definir como la energía interna de los cuerpos (en la energía interna entendemos como la suma de energía cinética y potencial de todas sus moléculas), producida por el movimiento de las partículas, osea que es la energía total del movimiento molecular en u sistema.

temperatura

viene a ser la energía cinética molecular media, osea el grado o medida de calor de un cuerpo que expresa mediante una cantidad, lo frío o caliente que un cuerpo que está en relación con otro, también se dice que la temperatura es la energía cinética molecular promedio de un cuerpo.

La temperatura es independiente de la cantidad de sustancia, el calor en cambio depende de la masa, de la temperatura y del tipo de sustancia. muchas propiedades físicoquimicas de los materiales o las sustancias varían en función de la temperatura a la que se encuentren, como por ejemplo su estado (sólido, líquido, gaseoso, plasma), su volumen, la solubilidad, la presión de vapor, su color o la conductividad eléctrica. Así mismo es uno de los factores que influyen en la velocidad a la que tienen lugar las reacciones químicas.

Física 2 paginas:  18,y 19