Presión, Volumen y Temperatura

Presión, Volumen y Temperatura

17 junio, 2017 4 By Ensambledeideas
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.  [→ ¡Tú estás aquí!]
2. ¡Ayuda: leyes de los gases!

3. Práctica de Leyes de los Gases


Presión, volumen y temperatura son tres palabras usadas habitualmente. Ahora bien, ¿sabemos, exactamente, qué significan o qué son? La finalidad de este artículo es acercarte un poco más a estos tres conceptos desde el punto de vista fisicoquímico y, en particular, su relación con los gases, uno de los cuatro estados de la materia, un poco olvidados, pero vitales y, por demás, curiosos.

Volumen

Como sabrán, los gases se caracterizan por no tener forma ni volumen definido. Si un gas se encuentra dentro un recipiente herméticamente cerrado1, podemos decir que ocupa el volumen del recipiente. De esta manera, un gas encerrado en un recipiente de un 1 litro, también ocupará un volumen de un litro.

De esta manera, podemos definir:

El volumen de un gas es el espacio que ocupa éste en el universo.

Las unidades en las que se pueden medir el volumen son las siguientes:

litros(L)
mililitros(mL)
centímetros cúbicos(cm³)
decímetros cúbicos(dm³)

¿Por qué resaltamos, en negrita, a los litros? Esto tiene una explicación muy sencilla que seguramente entenderán mejor cuando vean “leyes de los gases2, dado que, para implementar dichas leyes, es necesario que el volumen que ocupa un gas se exprese en litros.


Presión

Seguramente, alguna vez escucharon en los noticieros la siguiente frase:

“La temperatura en la ciudad de Buenos Aires es de 25°C. La presión atmosférica es de 1013 hPa y el viento sopla desde el norte a 20 km/h. ¡Hermoso día en la Capital de la Argentina!”

Conversación típica en cualquier noticiero o centro meteorológico.

Analicemos un poco esta frase. Para empezar, supongamos que tenemos una cierta cantidad de un gas en un recipiente. Las partículas del gas se moverán constantemente, irán y vendrán rápidamente, como si jugasen a un microscópico juego de la mancha. ¿Se acuerdan de este juego? En él, todos se alejaban lo más posible de otros jugadores (quienes eran “la mancha”) para no perder. A las partículas de gas les pasa lo mismo: quieren alejarse unas de otras, moviéndose constantemente y chocando contra las paredes del recipiente. Ya podemos aclarar que:

Cuanto más frecuentes sean los choques de estas partículas contra las paredes del recipiente, mayor será la presión.

Pero, ¿qué es la presión? Para entender este concepto, primero veamos su definición:

Se define presión como la fuerza que ejerce un cuerpo sobre una superficie.

¿Presión, fuerza, superficie? ¿Qué? Tranquilos. Acá llegó EnsambleDeIdeas para que no les dé un pico de presión. Las partículas de un gas pueden representarse (es mejor decir, modelizarse) como un montón de “pelotitas” que chocan y chocan y chocan y chocan y… bueno, ya habrán entendido, dentro de un recipiente. Cada una de esas “pelotitas” ejercen una fuerza sobre alguna superficie (como por ejemplo, las paredes de un recipiente). La relación entre esas fuerzas y la superficie es la presión. Veamos las siguientes imágenes:

Figuras 1 y 2.

La figura 1 muestra que el martillo aplica una fuerza F a un clavito cuya superficie (S1) es muy pequeña. La figura 2 muestra que el mismo martillo aplica la misma fuerza F a un gran clavo cuya superficie (S2) es muy grande. ¿En cuál de los dos casos la presión será mayor?

Una pista muy importante:

$$p=\frac{F}{S}$$

Esta extraña relación matemática (que a estas alturas estarás odiando), nos muestra que cuando la superficie es muy pequeña, la presión es muy grande. Cuando la superficie es grande, la presión es muy pequeña. Entonces, volvamos a la pregunta: ¿en cuál de los dos casos la presión será mayor? ¡En el primero, donde el clavo es muy pequeño!

Así, si algún día viste a un “mago” recostarse sobre una cama de clavos, seguro les habrán engañado diciendo que es magia. ¡No es magia, es ciencia!

Si se recuestan sobre un clavo, la superficie del mismo es muy pequeña, por lo que la presión es gigante y no es nada seguro. No obstante, si se recuestan sobre una cama de clavos como la de la imagen de arriba, la superficie es ahora muy grande, por lo que la presión es muy baja y no les sucederá demasiado. ¡Abracadabra! Tengan en cuenta que la fuerza F es su peso, que no cambia entre una experiencia y otra.

¿Qué tiene que ver todo esto con los gases y con lo que vinieron a buscar? Comencemos recordando que vivimos sobre la faz de la tierra, hundidos en una gran masa de aire que llamamos atmósfera, la cual ocupa un gigantezco volumen y está formado por incontables partículas que conforman el aire.

¿Cuánto aire tienen sobre sus cabezas en este momento? Créannos que hay una columna de aire de casi 2 toneladas de aire que se extiende hasta el espacio. ¿Increíble, no? Sus cráneos son capaces de soportar tal presión. ¿Presión? ¡Justo lo que estábamos hablando! El conjunto de partículas gaseosas que conforman el aire ejerce una fuerza muy grande sobre los cuerpos sumergidos en la atmósfera. Esa fuerza evidentemente da lugar a una presión, tal como hemos visto en el ejemplo del martillo y los clavos, que llamaremos presión atmosférica. ¡Todo está relacionado!

¿Cuánto vale esa presión? Bueno. Ante todo, veamos en qué unidades se miden la presión:

atmósferas(atm)
milímetros de mercurio(mmHg)
hectopascales(hPa)
pascales(Pa)

En negrita, nuevamente, hemos marcado la unidad que se necesitará para las prácticas de leyes de los gases. 1 atm (una atmósfera) es lo que mide la presión atmosférica a nivel del mar (sí, fueron muy originales con el nombre), que corresponde a unos 1013 hPa. ¿1013 hpa? Fíjense qué fue lo que pronunció nuestro noticiero en su informativo de la mañana… ¿No tenés ganas de ir hasta arriba a buscarlo? Se los volvemos a escribir:

“La temperatura en la ciudad de Buenos Aires es de 25°C. La presión atmosférica es de 1013 hPa y el viento sopla desde el norte a 20 km/h. ¡Hermoso día en la Capital de la Argentina!”

1013 hPa es, justamente, 1 atm. La próxima vez presten más atención a los anuncios del clima y fíjense si hay presión alta o baja. Cuando la presión atmosférica es baja, el aire es caliente. Este es un fenómeno llamado depresiónque indica un tiempo nublado y lluvia. Cuando la presión atmosférica es alta, ocurre lo contrario. Este es el fenómeno de anticiclón, que indica un tiempo claro y seco.


Temperatura

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Glosario:

En este artículo, utilizamos los siguientes términos:

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  1. Herméticamente cerrado significada que nada puede entrar ni salir
  2. Este link te lleva directo al segundo artículo de nuestro viaje por el estudio de los gases