¡Ayuda: LAS LEYES DE LOS GASES! / Leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac

¡Ayuda: LAS LEYES DE LOS GASES! / Leyes de Boyle, Charles y Gay-Lussac

17 mayo, 2017 4 By Ensambledeideas

Comprender el comportamiento de los gases requiere de tres leyes fundamentales que se deberán analizar (las llamadas “Leyes de los Gases”): La Ley de Boyle, la Primera Ley de Gay-Lussac y la Segunda Ley de Gay-Lussac. ¡Pero tranquilo! Con un poquito de atención, verás que es más sencillo de lo que parece.

Aquí comenzamos un gran viaje a través del estudio de los gases. Nuestro trayecto nos lleva por tres paradas. Te recomendamos ir leyéndolas en orden para ser un experto en nuestro viaje.
1. Presión, Volumen y Temperatura.
2. ¡Ayuda: leyes de los gases! [→ ¡Tú estás aquí!]

Seguramente, cuando viste las leyes de los gases reaccionaste así:

Antes de generar un ataque de pánico colectivo, déjanos decirte que no es para tanto. Esas ecuaciones tienen una explicación teórica que, vista con otros ojos, pueden resultar atractivas. Y créenos que entenderás muchas cosas que te pasan o ves en tu día a día. ¡Empecemos!

Primero, deberíamos definir qué entendemos como constante. Algo “constante” adquiere esta denominación cuando no cambia; es decir, se mantiene igual en el tiempo (puede ser un pequeño lapso de tiempo que se toma para el estudio). Dicho esto, comencemos con la primera ley de los gases. ¡Agárrate! ¡Allí vamos!

Ley de Boyle-Mariotte

En palabras complicadas, la ley de Boyle-Mariotte enuncia:

A temperatura constante, la presión y el volumen son inversamente proporcionales.

En otras palabras, esto quiere decir que (si la temperatura no varía) cuando la presión aumenta, el volumen debe disminuir en la misma proporción. Asimismo, si la presión disminuye, el volumen debe subir. Por lo tanto:

Leyes de los Gases: Ley de Boyle.
Si la presión sube, el volumen baja en la misma proporción; si uno baja, el otro sube en la misma proporción. ¡Como un subibaja!

Veamos algunos ejemplos de esta ley:

  • Si colocamos un globo dentro de una jeringa y presionamos el émbolo, la presión dentro de la jeringa aumenta y, por lo tanto, disminuye el volumen del globo, es decir, se encoje. Por otra parte, si baja la presión (por ejemplo, retornando el émbolo a la posición original de esta experiencia), el volumen del globo aumenta.
  • Al inflar la rueda de sus bicicletas, el aire pasa de un sistema con gran volumen (la atmósfera) a un sistema de poco volumen (el neumático), por lo que la presión dentro de la rueda aumenta muchísimo.
Ley de Boyle.
Cuando el volumen ocupado por el aire disminuye, la presión debe aumentar según nuestro querido Sr. Boyle y su ley. ¡Imagínense tanto aire en tan poco volumen! La presión aumentaría tanto que… ¡Boom! A comprar otra llanta.

1ra ley de Gay-Lussac

Teóricamente, la 1ra. Ley de Gay-Lussac enuncia:

A presión constante, el volumen y la temperatura son directamente proporcionales

En otras palabras, esto quiere decir que (si la presión no varía) cuando la temperatura aumenta, el volumen debe aumentar en la misma proporción. Asimismo, si la temperatura disminuye, el volumen debe bajar.

¿Nunca intentaste cocinar alguna carne en el horno colocándola dentro de una bolsita (de ésas que son aptas para hornos, claro) bien cerrada? ¿Cómo estaba la bolsita cuando sacaste la comida tras haberse cocinado? Habrás notado que parece “inflada”. Esto se debe a que, dentro del horno, la temperatura sube muchísimo, haciendo que el volumen de aire que quedó dentro de la bolsa también aumente. ¡Un claro ejemplo de la Primera Ley de Gay Lussac!

Primera Ley de Gay-Lussac.
Cuando aumenta la temperatura del interior de un globo aerostático, aumenta el volumen del aire en su interior.

2da ley de Gay-Lussac

Teóricamente, la 2da. Ley de Gay-Lussac enuncia:

A volumen constante, la presión y la temperatura son directamente proporcionales

En otras palabras, esto quiere decir que (si el volumen se mantiene constante -sí, acá apareció la palabra del inicio de este artículo-): cuando la temperatura aumenta, la presión debe aumentar en la misma proporción. Asimismo, si la temperatura disminuye, la presión también debe bajar.

¿Por qué todos los envases de desodorantes o insecticidas dicen “no arrojar al fuego”? Simple. Si aumenta la temperatura, aumentará la presión. El envase no soportará las grandes presiones de gas que hay dentro y… ¡Puf!

Segunda Ley de Gay Lussac.
La presión dentro del envase aumenta proporcionalmente con la temperatura. La Segunda Ley de Gay Lussac está a la orden del día en este ejemplo. ¡Mucho cuidado!

Caso contrario ocurre cuando accionamos un desodorante o un matafuego. La presión interna es mayor que la presión atmosférica. Al accionar la válvula, la presión interna desciende, igualándose a la presión de afuera. Al bajar entonces la presión, baja la temperatura y el desodorante se enfría (¿nunca lo notaste? ¡comprobalo!). En el caso del matafuego, ¡hasta aparece escarcha o hielo en la válvula!

Como estarás notando, las leyes de los gases pueden ser experimentadas en múltiples ocasiones en la vida cotidiana. Anímate a realizar ejercicios prácticos con ellas en la sección de Actividades y NTICx en la escuela que encontrarás más abajo.

Actividades

  1. ¿Qué enuncia la ley de Boyle?
  2. ¿Qué enuncia la 1ra ley de Gay-Lussac?
  3. ¿Qué enuncia la 2da ley de Gay-Lussac?
  4. ¿Qué enuncia la Ecuación General de Estado?
  5. ¿En qué unidades se miden la presión, la temperatura y el volumen?
  6. Un sistema tiene una presión de 4,5 atm y un volumen de 8,7 L. Si se mantiene la temperatura constante, ¿cuál será la presión del sistema si el volumen fuera de 13,4 L? Rta: P2=2,92 atm.
  7. Un sistema tiene una temperatura de 34K y un volumen de 18,3 L. Si se mantiene la presión constante, ¿cuál será la temperatura del sistema si el volumen fuera de 15 L? Rta: T2=27,87 K
  8. Un sistema tiene una temperatura de 9,5 °C y una presión de 450 atm. Si se mantiene el volumen constante, ¿cuál será la temperatura del sistema si la presión fuera de 225 atm? Rta: T2=141,25 K
  9. Un sistema tiene una temperatura de 15K y una presión de 52 atm. Si se mantiene el volumen constante, ¿cuál será la presión si la temperatura fuera de 45 K? Rta: P2=2,92 atm
  10. Un sistema tiene una presión de 14,5 atm y un volumen de 87 L. Si se mantiene la temperatura constante, ¿cuál será el volumen del sistema si la presión fuera de 25 atm? Rta: V2=50,46 L 

NTICx en la Escuela

En el siguiente applet del PHET Interactive Simulations de la Universidad del Colorado, podrás experimentar lúdicamente las leyes de los gases vistas.

Imagen perteneciente al applet de Simulación de las Leyes de los Gases del PhET Colorado, disponible en https://phet.colorado.edu/sims/html/gas-properties/latest/gas-properties_es.html
  1. Bombea con el mouse tanto gas como desees. Asegúrate de clickear “Volumen” en el sector de “Mantener constante” que figura a la derecha.
  2. Incórporale energía con la manija de “calor” que se encuentra debajo del recipiente.
  3. Observa qué sucede con la presión. ¿Aumenta, disminuye o se queda constante a medida que la temperatura aumenta? ¿Qué ley está relacionada con este fenómeno?
  4. Reinicia el juego nuevamente con el botón naranja de la parte inferior derecha. Incorpórale una cierta cantidad “A” de gas. Clickea en “Contador de soluciones” y dale Play al cuadro naranja. Anota la cantidad de colisiones que ocurren en un período de muestra de 10 ps. A continuación, incorpora más gas hasta obtener una cierta cantidad “B” de gas y repite la experiencia. ¿La cantidad de colisiones contra las paredes del recipiente aumentó o disminuyó respecto de la experiencia “A”? ¿Cuál es la variable (presión, volumen o temperatura) que aumenta cuando existen más colisiones contra las paredes del sistema?
  5. Reinicia el juego. Mantén la temperatura constante y echa una cierta cantidad de gas dentro del recipiente. Observar el valor de la presión. A continuación, haz click sobre la manija dorada para aumentar el tamaño del recipiente y observa qué sucede con el valor de la presión. ¿Es menor, mayor o igual? ¿Qué ley explica este fenómeno?
  6. Haz tu propia experiencia para poner en juego la última de las leyes de los gases que no hayas experimentado hasta ahora en las cinco actividades anteriores. Explica lo que has hecho en tu carpeta o cuaderno de anotaciones.
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