Propiedades de la materia: Gases

Los gases llenarán uniformemente un recipiente de cualquier tamaño o forma.

El gas es un estado de la materia que no tiene forma fija ni volumen fijo. Los gases tienen una densidad más baja que otros estados de la materia, como los sólidos y los líquidos. Hay una gran cantidad de espacio vacío entre las partículas, que tienen mucha energía cinética y no se atraen particularmente entre sí. Las partículas de gas se mueven muy rápido y chocan entre sí, lo que hace que se difundan o se extiendan hasta que se distribuyan uniformemente por todo el volumen del recipiente.

Según el sitio web educativo Lumen Learning, el gas solo puede contenerse si está completamente rodeado por un contenedor o si se mantiene unido por la gravedad.

Cuando entran más partículas de gas en un recipiente, hay menos espacio para que las partículas se dispersen y se comprimen. Las partículas ejercen más fuerza sobre el volumen interior del recipiente. Esta fuerza se llama presión. Hay varias unidades que se utilizan para expresar la presión. Algunos de los más comunes son atmósferas (atm), libras por pulgada cuadrada (psi), milímetros de mercurio (mmHg) y pascales (Pa). Las unidades se relacionan entre sí de esta manera: 1 atm = 14,7 psi = 760 mmHg = 101,3 kPa (1000 pascales).

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Un gas se puede convertir en líquido a través de la compresión a una temperatura adecuada, según la Universidad de Purdue. Pero si se alcanza la temperatura crítica, el vapor no se puede licuar independientemente de la presión que se aplique. La presión crítica es la presión necesaria para licuar un gas a su temperatura crítica.

Ejemplos de temperaturas y presiones críticas de diferentes sustancias según Engineering Toolbox

Además de la presión, indicada en las ecuaciones como P, los gases tienen otras propiedades medibles: temperatura (T), volumen (V) y número de partículas, que se expresa en número de moles (n o mol). En trabajos que involucran la temperatura del gas, a menudo se usa la escala Kelvin.

Debido a que la temperatura y la presión varían de un lugar a otro, los científicos usan un punto de referencia estándar, llamado temperatura y presión estándar (STP), en cálculos y ecuaciones. La temperatura estándar es el punto de congelación del agua: 32 grados Fahrenheit (0 grados Celsius o 273,15 Kelvin). La presión estándar es una atmósfera (atm), la presión que ejerce la atmósfera sobre la Tierra al nivel del mar.

La temperatura, la presión, la cantidad y el volumen de un gas son interdependientes y muchos científicos han desarrollado leyes para describir las relaciones entre ellos.

Nombrado en honor a Robert Boyle, quien lo declaró por primera vez en 1662. La ley de Boyle establece que si la temperatura se mantiene constante, el volumen y la presión tienen una relación inversa; es decir, a medida que aumenta el volumen, la presión disminuye, según el ChemWiki de Davis de la Universidad de California.

Aumentar la cantidad de espacio disponible permitirá que las partículas de gas se separen más, pero esto reduce la cantidad de partículas disponibles para colisionar con el recipiente, por lo que la presión disminuye.

Disminuir el volumen del recipiente obliga a las partículas a chocar más a menudo, por lo que aumenta la presión. Un buen ejemplo de esto es cuando llenas un neumático con aire. A medida que ingresa más aire, las moléculas de gas se juntan, reduciendo su volumen. Mientras la temperatura se mantenga igual, la presión aumenta.

En 1802, Joseph Louis Gay-Lussac, un químico y físico francés, hizo referencia a los datos recopilados por su compatriota, Jacque Charles, en un artículo que describía la relación directa entre la temperatura y el volumen de un gas mantenido a presión constante. La mayoría de los textos se refieren a esto como la ley de Charles, pero algunos la llaman ley de Gay-Lussac, o incluso ley de Charles Gay-Lussac.

Esta ley establece que el volumen y la temperatura de un gas tienen una relación directa: a medida que aumenta la temperatura, el volumen aumenta cuando la presión se mantiene constante. Calentar un gas aumenta la energía cinética de las partículas, lo que hace que el gas se expanda. Para mantener la presión constante, el volumen del recipiente debe aumentar cuando se calienta un gas.

Esta ley explica por qué es una regla de seguridad importante que nunca debe calentar un recipiente cerrado. El aumento de la temperatura sin aumentar el volumen disponible para acomodar el gas en expansión significa que la presión se acumula dentro del recipiente y puede hacer que explote. La ley también explica por qué salta un termómetro para pavo cuando el pavo está listo: el volumen de aire atrapado debajo del émbolo aumenta a medida que sube la temperatura dentro del pavo.

En 1811, el científico italiano Amedeo Avogadro propuso la idea de que volúmenes iguales de gas a la misma temperatura y presión tendrán el mismo número de partículas, independientemente de su naturaleza química y propiedades físicas.

La energía cinética por unidad de temperatura de un mol de un gas es un valor constante, a veces denominado constante de Regnault, en honor al químico francés Henri Victor Regnault. Se abrevia con la letra R. Regnault estudió las propiedades térmicas de la materia y descubrió que la ley de Boyle no era perfecta. Cuando la temperatura de una sustancia se acerca a su punto de ebullición, la expansión de las partículas del gas no es exactamente uniforme.

El número de Avogadro, la constante del gas ideal y las leyes de Boyle y Charles se combinan para describir un gas ideal teórico en el que todas las colisiones de partículas son absolutamente iguales. Las leyes se acercan mucho a la descripción del comportamiento de la mayoría de los gases, pero hay desviaciones matemáticas muy pequeñas debido a las diferencias en el tamaño real de las partículas y las pequeñas fuerzas intermoleculares en los gases reales. Sin embargo, estas leyes importantes a menudo se combinan en una ecuación conocida como la ley de los gases ideales. Usando esta ley, puedes encontrar el valor de cualquiera de las otras variables (presión, volumen, número o temperatura) si conoces el valor de las otras tres.

Obtenga más información sobre los fluidos supercríticos y sus usos con este artículo de SciMed.Para obtener datos rápidos para niños sobre los gases, diríjase al sitio web educativo Love My Science.Descubre más ejemplos de gases con este material informativo de la web educativa Science Notes.

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