GASES, PROCESO ISOTERMICO Y ISOBARICO
El estado gaseoso es un estado disperso de la
materia, es decir, que las moléculas del gas están separadas unas de otras por
distancias mucho mayores del tamaño del diámetro real de las moléculas.
Resuelta entonces, que el volumen ocupado por el gas (V) depende de la
presión (P), la temperatura (T) y de la cantidad o número de
moles (n).
Las propiedades de la materia en estado gaseoso
son:
1. Se adaptan a la
forma y el volumen del recipiente que los contiene. Un gas, al cambiar de
recipiente, se expande o se comprime, de manera que ocupa todo el volumen y
toma la forma de su nuevo recipiente.
2. Se dejan
comprimir fácilmente. Al existir espacios intermoleculares, las moléculas se
pueden acercar unas a otras reduciendo su volumen, cuando aplicamos una
presión.
3. Se difunden
fácilmente. Al no existir fuerza de atracción intermolecular entre sus
partículas, los gases se esparcen en forma espontánea.
4. Se dilatan, la
energía cinética promedio de sus moléculas es directamente proporcional a la
temperatura aplicada.
Variables que afectan el comportamiento de los
gases
1. PRESIÓN
Es la fuerza ejercida por unidad de área. En los
gases esta fuerza actúa en forma uniforme sobre todas las partes del
recipiente.
La presión atmosférica es la fuerza ejercida por la
atmósfera sobre los cuerpos que están en la superficie terrestre. Se origina
del peso del aire que la forma. Mientras más alto se halle un cuerpo menos aire
hay por encima de él, por consiguiente la presión sobre él será menor.
2. TEMPERATURA
Es una medida de la intensidad del calor, y el
calor a su vez es una forma de energía que podemos medir en unidades de
calorías. Cuando un cuerpo caliente se coloca en contacto con uno frío, el
calor fluye del cuerpo caliente al cuerpo frío.
La temperatura de un gas es proporcional a la
energía cinética media de las moléculas del gas. A mayor energía cinética mayor
temperatura y viceversa.
La temperatura de los gases se expresa en grados
kelvin.
3. CANTIDAD
La cantidad de un gas se puede medir en unidades de
masa, usualmente en gramos. De acuerdo con el sistema de unidades SI, la
cantidad también se expresa mediante el número de moles de sustancia, esta
puede calcularse dividiendo el peso del gas por su peso molecular.
4. VOLUMEN
Es el espacio ocupado por un cuerpo.
5. DENSIDAD
Es la relación que se establece entre el peso
molecular en gramos de un gas y su volumen molar en litros.
Gas Real
Los gases reales son los que en condiciones
ordinarias de temperatura y presión se comportan como gases ideales; pero si la
temperatura es muy baja o la presión muy alta, las propiedades de los
gases reales se desvían en forma considerable de las de gases ideales.
Concepto de Gas Ideal y diferencia entre Gas Ideal
y Real.
Los Gases que se ajusten a estas suposiciones se
llaman gases ideales y aquellas que no se les llaman gases reales, o sea,
hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros.
1. - Un gas está formado
por partículas llamadas moléculas. Dependiendo del
gas, cada molécula está formada por un átomo o un grupo de átomos. Si el gas es
un elemento o un compuesto en su estado estable, consideramos que todas sus
moléculas son idénticas.
2. - Las moléculas se
encuentran animadas de movimiento aleatorio y obedecen las leyes de Newton del
movimiento. Las moléculas se mueven en
todas direcciones y a velocidades diferentes. Al calcular las propiedades del
movimiento suponemos que la mecánica newtoniana se puede aplicar en el nivel
microscópico. Como para todas nuestras suposiciones, esta mantendrá o
desechara, dependiendo de sí los hechos experimentales indican o no que
nuestras predicciones son correctas.
3. - El número total de
moléculas es grande. La dirección y
la rapidez del movimiento de cualquiera de las moléculas pueden cambiar
bruscamente en los choques con las paredes o con otras moléculas. Cualquiera de
las moléculas en particular, seguirá una trayectoria de zigzag, debido a dichos
choques. Sin embargo, como hay muchas moléculas, suponemos que el gran número
de choques resultante mantiene una distribución total de las velocidades
moleculares con un movimiento promedio aleatorio.
4. - El volumen de las
moléculas es una fracción despreciablemente pequeña del volumen ocupado por el
gas. Aunque hay muchas moléculas, son extremadamente
pequeñas. Sabemos que el volumen ocupado por una gas se puede cambiar en un
margen muy amplio, con poca dificultad y que, cuando un gas se condensa, el
volumen ocupado por el gas comprimido hasta dejarlo en forma líquida puede ser
miles de veces menor. Por ejemplo, un gas natural puede licuarse y reducir en
600 veces su volumen.
5. - No actúan fuerzas
apreciables sobre las moléculas, excepto durante los choques. En el grado de que esto sea cierto, una molécula
se moverá con velocidad uniformemente los choques. Como hemos supuesto que las
moléculas sean tan pequeñas, la distancia media entre ellas es grande en
comparación con el tamaño de una de las moléculas. De aquí que supongamos que
el alcance de las fuerzas moleculares es comparable al tamaño molecular.
6. - Los choques son
elásticos y de duración despreciable. En los choques
entre las moléculas con las paredes del recipiente se conserva el ímpetu y
(suponemos) la energía cinética. Debido a que el tiempo de choque es
despreciable comparado con el tiempo que transcurre entre el choque de
moléculas, la energía cinética que se convierte en energía potencial durante el
choque, queda disponible de nuevo como energía cinética, después de un tiempo
tan corto, que podemos ignorar este cambio por completo.
PROCESO ISOTÉRMICO
Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al
cambio de temperatura reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio de temperatura constante en todo el sistema. La compresión o
expansión de un gas ideal en
contacto permanente con un termostato
es un ejemplo de proceso isotermo, y puede llevarse a cabo colocando el gas en
contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la
misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como foco
caliente. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo
que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas
ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la expansión
isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q
= W.
Una curva isoterma es una línea que sobre un diagrama representa los valores sucesivos de las diversas
variables de un sistema en un proceso isotermo. Las isotermas de un gas ideal
en un diagrama P-V, llamado diagrama
de Clapeyron, son hipérbolas equiláteras, cuya
ecuación es P•V = constante.
PROCESO
ISOBÁRICO
Es cuando hay una variación del volumen o temperatura y la presión
permanece constante, no importando si el gas sufre una comprensión o una
expansión.
3. Este
proceso se rige por la Ley de Charles: Jackes A. Charles(1742-1822), fue el primero
en hacer mediciones acerca de los gases que se expanden al aumentar su
temperatura.
4. LA
EBULLICIÓN DEL AGUA EN UN RECIPIENTE ABIERTO Como el contenedor está abierto,
el proceso se efectúa a presión atmosférica constante. La presión permanece constante,
de forma tal que entre mayor sea la temperatura el volumen desprendido aumenta.
Un proceso isobárico es un proceso termodinámico que ocurre a
presión constante. La Primera Ley de la Termodinámica, para este caso, queda
expresada como sigue:
Donde:
= Calor transferido.
= Energía interna.
= Presión.
= Volumen.
En un diagrama P-V, un proceso isobárico aparece como una línea horizontal.
