ECUACION DE ESTADO GASEOSO Y
GASES IDEALES.

Un gas ideal es un gas teórico compuesto de un conjunto de partículas puntuales con desplazamiento aleatorio que no interactúan entre sí. El concepto de gas ideal es útil porque el mismo se comporta según la ley de los gases ideales, una ecuación de estado simplificada, y que puede ser analizada mediante la mecánica estadística.

En condiciones normales tales como condiciones normales de presión y temperatura, la mayoría de los gases reales se comporta en forma cualitativa como un gas ideal. Muchos gases tales como el nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, gases nobles, y algunos gases pesados tales como el dióxido de carbono pueden ser tratados como gases ideales dentro de una tolerancia razonable.¹ Generalmente, el apartamiento de las condiciones de gas ideal tiende a ser menor a mayores temperaturas y a menor densidad (o sea a menor presión),¹ ya que el trabajo realizado por las fuerzas intermoleculares es menos importante comparado con energía cinética de las partículas, y el tamaño de las moléculas es menos importante comparado con el espacio vacío entre ellas.

Para estudiar un gas de masa m, confinado  en un recipiente de volumen V a una presión p y temperatura T, es importante conocer la relación entre estas cantidades

En general, esta relación conocida como

Ecuación de estado es bastante complicada; sin embargo, para el caso de un gas ideal es muy simple y se puede encontrar experimentalmente.

Antes de construir la ecuación de estado,

revisemos tres leyes empíricas que se observa son

satisfechas por los gases (de baja presión)

 

Leyes empiricas de los gases.

Las leyes empíricas de los gases son el resultado de numerosos experimentos que se realizaron sobre distintos sistemas gaseosos y permiten predecir el comportamiento de los gases.

LEY DE BOYLE (relación presión- volumen). Robert Boyle descubrió en 1662 que a medida que disminuia el volumen (V) de un gas (a temperatura y masa constante) la presión (P) aumentaba.

Además, para distintos gases, en distintas condiciones de temperatura y cantidad de sustancia, se cumplía que la presión por el volumen daban siemprela misma constante.

 

 

 

 

LEY DE CHARLES (relación temperatura-volumen). En 1787 Jack Charles estudió la relación entre volumen y temperatura de una muestra de gases a presión constante. Observó que cuando se aumentaba la temperatura (T), el volumen (V) del gas aumentaba.

 

 

 

 

 LEY DE GAY-LUSSAC (relación entre temperatura y presión). A principios de 1800 Joseph Louis Gay-Lussac estableció la relación entre temperatura (T) y presión (P) para un sistema de gas a volumen constante, encontrando que al aumentar la temperatura, la presión del gas también aumentaba.

Esto se puede entender facilmente, pensando que la temperatura es una medida de la energía cinética de los gases, o sea del movimiento. A menor temperatura, las partículas del gas se mueven más lentamente, chocando con menor frecuencia con las paredes del recipiente y por lo tanto la presión es menor.

 

 

 

 

 

LEY DE AVOGADRO (relación entre cantidad de gas y volumen). En 1811, Avogadro observó que si se tienen dos recipientes del mismo volumen en iguales condiciones de  presión y temperatura, el número de moléculas en ambos recipientes va a ser la misma (aunque los gases sean distintos).

 

De esta hipótesis se deduce que cuando se aumenta el número de moles de un gas (n), manteniendo la temperatura y presión constante, el volumen (V) de dicho gas también aumenta.

leyes

La Ley de Charles y Gay-Lussac, o simplemente Ley de Charles, es una de las leyes de los gases. Relaciona el volumen y la temperatura de una cierta cantidad de gas ideal, mantenida a una presión constante, mediante una constante de proporcionalidad directa.

En esta ley, Jacques Charles dice que para una cierta cantidad de gas a una presión constante, al aumentar la temperatura, el volumen del gas aumenta y al disminuir la temperatura, el volumen del gas disminuye. Esto se debe a que la temperatura está directamente relacionada con la energía cinética (debido al movimiento) de las moléculas del gas. Así que, para cierta cantidad de gas a una presión dada, a mayor velocidad de las moléculas (temperatura), mayor volumen del gas.

La ley fue publicada primero por Gay Lussac en 1803, pero hacía referencia al trabajo no publicado de Jacques Charles, de alrededor de1787, lo que condujo a que la ley sea usualmente atribuida a Charles. La relación había sido anticipada anteriormente en los trabajos de Guillaume Amontons en 1702.

Por otro lado, Gay-Lussac relacionó la presión y la temperatura como magnitudes directamente proporcionales en la llamada "La segunda ley de Gay-Lussac".

La Ley de Boyle-Mariotte, o Ley de Boyle, formulada independientemente por el físico y químico irlandés Robert Boyle (1662) y el físico y botánico francés Edme Mariotte (1676), es una de las leyes de los gases que relaciona el volumen y la presión de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante.

La ley dice que:

La presión ejercida por una fuerza física es inversamente proporcional al volumen de una masa gaseosa, siempre y cuando su temperatura se mantenga constante.

o en términos más sencillos:

A temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es inversamente proporcional a la presión que este ejerce.

Matemáticamente se puede expresar así:  pv=k

donde    es constante si la temperatura y la masa del gas permanecen constantes.

Cuando aumenta la presión, el volumen baja, mientras que si la presión disminuye el

volumen aumenta. No es necesario conocer el valor

exacto de la constante para poder hacer uso de la ley: si consideramos las

dos situaciones de la figura, manteniendo constante la cantidad de gas y la temperatura,

deberá cumplirse la relación: K

La ley de Gay-Lussac¹ dice:

Establece que la presión de un volumen fijo de un gas, es directamente proporcional a su temperatura.

•          Si el volumen de una cierta cantidad de gas a presión moderada se mantiene constante, el cociente entre presión y temperatura (Kelvin)

•          permanece constante:

  p/t =k

o también:

  P=K T

donde:

•          P es la presión

•          T es la temperatura absoluta (es decir, medida en Kelvin)

•          k₃ la constante de proporcionalidad

Esta ley fue enunciada en 1802 por el físico y químico francés Louis Joseph Gay-Lussac.

Para una cierta cantidad de gas, al aumentar la temperatura las moléculas del gas ,se mueven más rápidamente y por lo tanto aumenta el número de

choques contra las paredes por unidad de tiempo, 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 del proceso, el cociente entre la presión y la temperatura absoluta tenía un valor constante.

Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una presión    y a una temperatura    al comienzo del experimento. Si variamos la temperatura

hasta un nuevo valor   , entonces la presión cambiará a   , y se cumplirá:

  P1/T1=P2/T2

donde:

      P1 = Presión inicial

      T1= Temperatura inicial

      P2= Presión final

      T2= Temperatura final

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

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

CAMBIOS PROVOCADOS POR EL CALOR

 

El calor es el proceso de transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico

 La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección. La transferencia de calor es el proceso mediante el cual la energía se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura.

Transferencia de calor En física, proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción.

Calorimetría  Ciencia que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor.  El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro.

Medios de conducción del calor

 

 

Conducción térmica:

 Es el proceso que se produce por contacto térmico entre dos ó más cuerpos, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos que están a diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al equilibrio térmico. Ej: cuchara metálica en la taza de té.

Convección térmica:

 Sólo se produce en fluidos (líquidos o gases), ya que implica movimiento de volúmenes de fluido de regiones que están a una temperatura, a regiones que están a otra temperatura. El transporte de calor está inseparablemente ligado al movimiento del propio medio. Ej.: los calefactores dentro de la casa.

 Radiación térmica:

Es el proceso por el cual se transmite a través de ondas electromagnéticas. Implica doble transformación de la energía para llegar al cuerpo al que se va a propagar: primero de energía térmica a radiante y luego viceversa. Ej.: La energía solar.

Estados de agregación de la materia

 En física y química se observa que, para cualquier sustancia o elemento material, modificando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases, denominados estados de agregación de la materia. Todos los estados de agregación poseen propiedades y características diferentes, los más conocidos y observables cotidianamente son cuatro, las llamadas fases sólida, líquida, gaseosa y plasmática.

Los procesos en los que una sustancia cambia de estado son:

 Sublimación

  Vaporización

  Condensación

  Solidificación

 Fusión

  Sublimación inversa

Dilatación

 Se denomina dilatación térmica al aumento de longitud, volumen o alguna otra dimensión métrica que sufre un cuerpo físico debido al aumento de temperatura que se provoca en él por cualquier medio. Dilatación lineal.- La dilatación lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el ancho, largo o altura del cuerpo.

 Dilatación superficial

.- Es aquella en que predomina la variación en dos dimensiones, o sea, la variación del área del cuerpo Dilatación volumétrica.- Es aquella en que predomina la variación en dos dimensiones, o sea, la variación del área del cuerpo

Fusión

 La fusión es un proceso físico que consiste en el cambio de estado de la materia del estado sólido al estado líquido por la acción del calor. El proceso de fusión de la materia es el mismo que el de fundición, pero este término se aplica generalmente a sustancias como los metales, que se licuan a altas temperaturas, y a sólidos cristalinos.

 Cuando una sustancia se encuentra a su temperatura de fusión, el calor que se suministra es absorbido por la sustancia durante su transformación, y no produce variación de su temperatura. Este calor adicional se conoce como calor de fusión.

Evaporación

La evaporación es un proceso físico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido hacia un estado gaseoso, tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión superficial. A diferencia de la ebullición, la evaporación se produce a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada aquélla. No es necesario que toda la masa alcance el punto de ebullición.

Sublimación

La sublimación o volatilización, es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido. Un ejemplo clásico de sustancia capaz de sublimarse a presión y temperatura ambiente es el hielo seco. Los sólidos tienen presiones de vapor, características que oscilan con la temperatura como sucede con líquidos. Acrecentando la temperatura, aumenta también la presión de vapor del sólido.

Calentamiento

 El calentamiento consiste en el aumento gradual de la temperatura de un cuerpo provocado por el calor. El calentamiento puede darse de manera instantánea o paulatina. Generalmente ocurre en cuerpos expuestos a fuentes de calor.