Leyes De Los Gases

El gas se define como un estado de la materia, que se puede expandir indefinidamente y que toma la forma del recipiente que lo contiene, ocupando todo el espacio disponible de dicho contenedor. En este sentido, los sólidos y los líquidos se diferencian de los gases en que los sólidos tienen formas y volúmenes propios, y los líquidos adquieren la forma del recipiente que los contiene pero tienen volumen propio. Todos los gases, idealmente, se comportan en forma similar ante los cambios de presión y temperatura, pudiéndose expandir o comprimir entre límites muy amplios. Los gases, aunque lentamente, tienden a interpenetrarse entre sí (difusión), lo que los hace miscibles en todas proporciones; por esta razón, las mezclas gaseosas son totalmente homogéneas. Para describir y caracterizar un gas es indispensable especificar la temperatura y presión a que se mide su volumen.

Cabe destacar, que 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 todas sus moléculas son idénticas. 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. El número total de moléculas es grande; la dirección y la rapidez del movimiento de cualquiera de las moléculas puede 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, el gran número de choques resultante mantiene una distribución total de las velocidades moleculares con un movimiento promedio aleatorio. El volumen de las moléculas es una fracción despreciablemente pequeña del volumen ocupado por el gas, es decir, aunque hay muchas moléculas, son extremadamente pequeñas, el volumen ocupado por una gas se puede cambiar en un margen muy amplio, con poca dificultad y cuando un gas se condensa, el volumen ocupado por el líquido pueden ser miles de veces menor que la del gas se condensa. No actúan fuerzas apreciables sobre las moléculas, excepto durante los choques, una molécula se moverá con velocidad uniforme en los choques. Los choques son elásticos y de duración despreciable, esto significa que en los choques entre las moléculas con las paredes del recipiente se conserva 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.

Para dar continuidad, los gases tienen tres propiedades características: son fáciles de comprimir, se expanden hasta llenar el contenedor y ocupan más espacio que los sólidos o líquidos que los conforman. La combustión interna de un motor es un ejemplo de la facilidad con la cual los gases pueden ser comprimidos. En un motor de cuatro pistones, el pistón es primero sacado del cilindro para crear un vacío parcial y luego es empujado dentro del cilindro, comprimiendo la mezcla de gasolina/aire a una fracción de su volumen original. Un ejemplo de la expansibilidad de un gas, es cuando se rompe un huevo podrido y el olor característico del sulfito de hidrógeno (H2S), rápidamente se esparce en la habitación; esto se debe a que los gases se expanden hasta llenar el contenedor en el que se encuentran, por lo cual se puede deducir que el volumen de un gas es igual al volumen de su contenedor.

Es necesario mencionar, que el volumen de un gas es una de sus propiedades características. Otra propiedad es la presión que el gas libera en sus alrededores. La presión se define como una fuerza aplicada por unidad de área, es decir, una fuerza dividida por el área sobre la que se distribuye la fuerza (Presión = Fuerza / Área). Los gases ejercen presión sobre cualquier superficie con la que entren en contacto, ya que las moléculas gaseosas se hallan en constante movimiento. Al estar en movimiento continuo, las moléculas de un gas golpean frecuentemente las paredes internas del recipiente que los contiene. Al hacerlo, inmediatamente rebotan sin pérdida de energía cinética, pero el cambio de dirección (aceleración) aplica una fuerza a las paredes del recipiente. Esta fuerza, dividida por la superficie total sobre la que actúa, es la presión del gas. La presión de un gas se observa mediante la medición de la presión externa que debe ser aplicada a fin de mantener un gas sin expansión ni contracción.

Ahora bien, un gas ideal es el que presenta las siguientes características; el número de moléculas es despreciable comparado con el volumen total de un gas; no hay fuerza de atracción entre las moléculas y las colisiones son perfectamente elásticas. Evitando las temperaturas extremadamente bajas y las presiones muy elevadas, se puede considerar que los gases reales se comportan como gases ideales. 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 los gases ideales.

Es importante agregar, que en 1660 Robert Boyle encontró una relación inversa entre la presión y el volumen de un gas cuando su temperatura se mantiene constante. La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente cerrado es inversamente proporcional al volumen del recipiente. Esto quiere decir que si el volumen del contenedor aumenta, la presión en su interior disminuye y viceversa, si el volumen del contenedor disminuye, la presión en su interior aumenta; es decir, 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. La expresión matemática de esta ley es:

V∝1/P

En donde P es la presión, V el volumen y el símbolo ∝ significa proporcional a. para cambiar el signo de proporción por el de igualdad se escribe

V=K_1×1/P

Donde K1 es una constante llamada constante de proporcionalidad. Esta es la expresión

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