Las propiedades que observamos en la materia se explican a partir de su estructura atómica, mediante modelos científicos que se establecen después de realizar muchos experimentos y comprobaciones. en particular, el modelo cinético molecular presenta en sus postulados una base sólida para explicar y predecir el comportamiento de un cuerpo, cualquiera que sea su estado de agregación.
CARACTERÍSTICA DE LOS GASES
Todo cuanto existe en el universo es materia y se puede presentar de diferentes formas -o dicho con más exactitud- en diferentes estados de agregación: sólido, líquido y gaseoso. Cada uno de los tres estados tiene sus propiedades características que le proporcionan, además de una apariencia distinta, un comportamiento diferente.
- ¿Cuál es la explicación de tales diferencias?
- ¿Por qué los gases y los líquidos pueden fluir y los sólidos no?
- ¿Por qué un sólido mantiene su forma y volumen mientras que los gases no tienen forma ni volumen definido?
- ¿Por qué los gases pueden comprimirse con relativa facilidad mientras que los líquidos y sólidos son, prácticamente, incompresibles?
Los gases están presentes por doquier. Todos los seres vivos existimos inmersos en una gran masa de gas llamada atmósfera; de ella extraemos el oxígeno necesario para vivir. La naturaleza entera está sujeta a los fenómenos que suceden dentro de la atmósfera terrestre. En las aplicaciones tecnológicas los gases tienen una gran importancia porque sirven como combustible y como medio para mover herramientas. Los gases han sido amplia mente estudiados y se han establecido algunas leyes que sirven para predecir su comportamiento. Es conveniente dejar en claro que el comportamiento físico de un gas es independiente de su composición química y se define por medio de las variables: volumen, presión, temperatura y el número de moles de la sustancia que se estudia. En otras palabras, no importa si el gas en cuestión es nitrógeno, oxígeno, dióxido de cloro o de azufre, su comportamiento físico dependerá tan solo de las variables antes citadas.
Algunas características de los gases son muy conocidas: no poseen forma ni volumen definido, una vez que se confinan en un recipiente tienden a llenarlo por completo, son fácilmente compresibles, etc. Sin embargo, existen otras características también de gran importancia que no se conocen del todo bien y que estudiaremos a continuación.
Actividad 1.
1. En grupos de tres compañeros, reflexionen sobre las siguientes preguntas y escriban el porqué de cada una de estas cuestiones.
a) ¿Por qué razón flota un globo lleno de helio, mientras que uno lleno de aire no lo hace?
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b) ¿Por qué razón flota un globo aerostático cuando el aire contenido en él se calienta? Y a la inversa, ¿por qué desciende si el aire se enfría?
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c) Llenen completamente con agua un vaso y cubran la boca de este con una hoja de papel o con un trozo de plástico. Cuiden que no quede nada de aire entre el papel o el plástico y el agua del vaso. Inviértanlo con mucho cuidado y describan lo que observan. ¿Cómo lo explican? ¿Qué es lo que sostiene el papel en su lugar? ¿Por qué no se cae el agua?
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d) Consigan un frasco de boca ancha, un trozo de vela, un plato hondo y agua. Sitúen el trozo de vela en el centro del plato y agreguen el agua necesaria para cubrir la base de la vela hasta una altura aproximada de 1.5 cm. Enciendan ahora la vela y cubranlo con el frasco de boca ancha. Observen lo que sucede cuando la vela se apaga y traten de darle explicación.
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Expansión
Los gases de forma natural tienden a expandirse, esto es, a aumentar su volumen por diversas causas. En la siguiente actividad, observarás el efecto del aumento de la temperatura en el volumen de un gas.
Consigue un matraz Erlenmeyer de 125 ml, coloca un globo pequeño en la boca del matraz y con la ayuda de un mechero de Bunsen o una lamparita de alcohol calienta el aire contenido en el matraz. ¿Qué sucede? ¿Cómo explicas este fenómeno?
El fenómeno que ocurre cuando el volumen de una masa gaseosa aumenta, debido -de forma exclusiva- al incremento de la temperatura, se le denomina dilatación. Se ha determinado que por cada 100oC de aumento en la temperatura, el volumen se incrementa aproximadamente en 37%, sea cual sea el tipo de gas del que se trate. Fíjate en los siguientes ejemplos de la vida cotidiana.
En las latas de aerosol se advierte que no deben someterse a calentamiento directo porque la expansión del gas contenido en ella podría causar la explosión del recipiente.
Los neumáticos de automóvil muestran la dilatación del aire que contienen cuando ha pasado cierto tiempo de rodamiento, porque la fricción con el pavimento causa una elevación de la temperatura que incide tanto en el incremento de la presión como en la expansión del aire en su interior.
Compresibilidad
Cuando a una masa gaseosa contenida en un recipiente se le incrementa la presión, su volumen siempre disminuye, es decir, se comprime. Los gases admiten una gran compresión, sin embargo, en un punto determinado se licuan pasando al estado líquido. Esta característica se denomina compresibilidad y es aprovechada en mecanismos que funcionan a partir de gases comprimidos.
Una aplicación importante se da en los motores de combustión interna que funcionan mediante un ciclo de cuatro tiempos (ciclo de Otto): admisión, compresión, expansión y escape. En el primer tiempo(admisión) se abre la válvula de admisión, el pistón baja y el cilindro se llena de aire mezclado con combustible; en la compresión (la segunda instancia), una vez cerrada la válvula de admisión, el pistón sube y comprime la mezcla de aire-combustible; en el tercer tiempo -expansión- las bujías emiten una chispa eléctrica que incendia la mezcla comprimida, y el calor generado por la combustión de los gases aumenta la presión que se ejerce sobre el pistón. En el cuarto tiempo (escape), se abre la válvula de escape, el pistón se mueve hasta el llamado punto muerto superior y se expulsan los residuos de la combustión.
Los gases comprimidos se emplean como propelentes en la producción de los llamados spray o aerosoles. Su función principal es proporcionar la presión necesaria dentro del sistema para expulsar el contenido del envase. Entre los propelentes usados con mayor frecuencia se encuentran especialmente diversos hidrocarburos -derivados del metano, etano y propano, y de bajo peso molecular, como butanos y pentanos-, y gases comprimidos como dióxido de carbono, nitrógeno y óxido nitroso. Con frecuencia se emplean mezclas de propelentes para obtener aerosoles que resulten inocuos para las personas.
Densidad
La densidad (ρ) es una propiedad que poseen todas las sustancias, se define como la cantidad de masa presente en un volumen determinado. La densidad depende de otras magnitudes, por lo que se considera como una unidad derivada. Su relación matemática es: ρ = m/V. La densidad es una típica magnitud intensiva, es decir, que no depende de la cantidad de materia que compone al cuerpo, sino de su composición. permite distinguir a una sustancia de otra.
Debido a que los gases presentan pequeñas densidades, se acostumbra medirlos en g/L. (Tabla 1)
Cuando la temperatura de un cuerpo aumenta, su densidad disminuye, y viceversa: si disminuye la temperatura, la densidad aumenta. Esto es independiente del estado de agregación; pero en los gases, cuyo volumen varía de manera apreciable con la temperatura, la variación de la temperatura es notoria. Un ejemplo de esto es el comportamiento del aire seco que a diferentes temperaturas tiene diferentes densidades. (Tabla 2).
Difusión
Es un fenómeno muy observado y se produce a causa de la agitación de las partículas de un gas que invaden el espacio ocupado por otro gas que puede ser el aire, donde sus partículas también están repartidas por todo el volumen del recipiente.
Los gases son capaces de difundirse o mezclarse libremente, de forma que si varios gases están mezclados en un recipiente, cada uno de ellos ocupa el volumen disponible. Debido a sus bajos valores de densidad, son capaces de mezclarse entre sí en cualquier proporción al difundirse uno en el otro.
Para aprovechar la capacidad de difusión y prevenir accidentes, al gas doméstico (mezcla de propano y butano) se le añade un compuesto, llamado etanotiol (C2 H5-SH), de la familia de los mercaptanos o tioles, que contiene azufre y posee un olor desagradable característico. En caso de fuga, al difundirse el gas doméstico hacia la atmósfera, también se desprende el etanotiol y el escape se detecta fácilmente, con lo cual pueden evitarse peligros mayores.
Actividad 2.
1. Reúnete con dos de tus compañeros e investiguen sobre una aplicación cotidiana y una industrial de las características de los gases que hemos visto anteriormente.
2. Imaginen que han sido nombrados parte de un comité científico que busca nuevas aplicaciones de los gases. Describan al menos dos de las ideas que se les ocurran. Si es necesario incluyan diagramas o dibujos.
LEYES DE LOS GASES
Los gases presentan una serie de propiedades medibles que permiten describir el comportamiento de las sustancias gaseosas en condiciones especiales. Entre ellas se encuentran: el volumen, la temperatura, la presión y la cantidad de sustancia (número de moles).
Presión
La presión se como la fuerza que se ejerce por unidad de área y se representa as: P= F / A
Por lo general, relacionamos la presión con la idea de fuerza, es decir, algo que tiende a mover un objeto en una dirección determinada. Pero recuerda que el área desempeña un papel determinante en la presión que ejerce un cuerpo. Por ejemplo, tenemos dos figuras que tienen exactamente las mismas medidas y tienen el mismo peso, ¿cuál de ellas ejercerá mayor presión, por su posición?
Es evidente que en cualquiera de las dos situaciones se ejercerá una mayor presión estando parado que acostado, al igual que los dos cubos que aparecen en la figura; el que está colocado en posición vertical ejerce mayor presión que el que se encuentra en posición horizontal.
Comprobando esta aseveración con los datos de los cubos: 10 x 10 x 50 cm, y tienen cada uno 5 kg de peso. De acuerdo con la segunda ley de Newton, la
cual enuncia que la fuerza ejercida por un objeto es el producto de su masa por la aceleración, encontramos que ambos cuerpos tienen la misma fuerza de acuerdo con la fórmula: F = m.a, donde la aceleración es la fuerza de gravedad ejercida por la Tierra y que tiene un valor de 9.8 m/s2, y como la masa del objeto es de 5 kg tendremos:
Sabemos que la presión de un gas es el resultado de los choques de las partículas en las paredes del recipiente que los contiene, sin embargo, la presión de los gases de la atmósfera fue medida en 1643 por el italiano Evangelista Torricelli (1608-1647), quien fue discípulo de Galileo, con un instrumento llamado barómetro.
Actividad 1.
1. En grupos de tres compañeros, reflexionen sobre las siguientes preguntas y escriban el porqué de cada una de estas cuestiones.
a) ¿Por qué razón flota un globo lleno de helio, mientras que uno lleno de aire no lo hace?
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b) ¿Por qué razón flota un globo aerostático cuando el aire contenido en él se calienta? Y a la inversa, ¿por qué desciende si el aire se enfría?
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c) Llenen completamente con agua un vaso y cubran la boca de este con una hoja de papel o con un trozo de plástico. Cuiden que no quede nada de aire entre el papel o el plástico y el agua del vaso. Inviértanlo con mucho cuidado y describan lo que observan. ¿Cómo lo explican? ¿Qué es lo que sostiene el papel en su lugar? ¿Por qué no se cae el agua?
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d) Consigan un frasco de boca ancha, un trozo de vela, un plato hondo y agua. Sitúen el trozo de vela en el centro del plato y agreguen el agua necesaria para cubrir la base de la vela hasta una altura aproximada de 1.5 cm. Enciendan ahora la vela y cubranlo con el frasco de boca ancha. Observen lo que sucede cuando la vela se apaga y traten de darle explicación.
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Expansión
Los gases de forma natural tienden a expandirse, esto es, a aumentar su volumen por diversas causas. En la siguiente actividad, observarás el efecto del aumento de la temperatura en el volumen de un gas.
Consigue un matraz Erlenmeyer de 125 ml, coloca un globo pequeño en la boca del matraz y con la ayuda de un mechero de Bunsen o una lamparita de alcohol calienta el aire contenido en el matraz. ¿Qué sucede? ¿Cómo explicas este fenómeno?
El fenómeno que ocurre cuando el volumen de una masa gaseosa aumenta, debido -de forma exclusiva- al incremento de la temperatura, se le denomina dilatación. Se ha determinado que por cada 100oC de aumento en la temperatura, el volumen se incrementa aproximadamente en 37%, sea cual sea el tipo de gas del que se trate. Fíjate en los siguientes ejemplos de la vida cotidiana.
En las latas de aerosol se advierte que no deben someterse a calentamiento directo porque la expansión del gas contenido en ella podría causar la explosión del recipiente.
Los neumáticos de automóvil muestran la dilatación del aire que contienen cuando ha pasado cierto tiempo de rodamiento, porque la fricción con el pavimento causa una elevación de la temperatura que incide tanto en el incremento de la presión como en la expansión del aire en su interior.
Compresibilidad
Cuando a una masa gaseosa contenida en un recipiente se le incrementa la presión, su volumen siempre disminuye, es decir, se comprime. Los gases admiten una gran compresión, sin embargo, en un punto determinado se licuan pasando al estado líquido. Esta característica se denomina compresibilidad y es aprovechada en mecanismos que funcionan a partir de gases comprimidos.
Una aplicación importante se da en los motores de combustión interna que funcionan mediante un ciclo de cuatro tiempos (ciclo de Otto): admisión, compresión, expansión y escape. En el primer tiempo(admisión) se abre la válvula de admisión, el pistón baja y el cilindro se llena de aire mezclado con combustible; en la compresión (la segunda instancia), una vez cerrada la válvula de admisión, el pistón sube y comprime la mezcla de aire-combustible; en el tercer tiempo -expansión- las bujías emiten una chispa eléctrica que incendia la mezcla comprimida, y el calor generado por la combustión de los gases aumenta la presión que se ejerce sobre el pistón. En el cuarto tiempo (escape), se abre la válvula de escape, el pistón se mueve hasta el llamado punto muerto superior y se expulsan los residuos de la combustión.Los gases comprimidos se emplean como propelentes en la producción de los llamados spray o aerosoles. Su función principal es proporcionar la presión necesaria dentro del sistema para expulsar el contenido del envase. Entre los propelentes usados con mayor frecuencia se encuentran especialmente diversos hidrocarburos -derivados del metano, etano y propano, y de bajo peso molecular, como butanos y pentanos-, y gases comprimidos como dióxido de carbono, nitrógeno y óxido nitroso. Con frecuencia se emplean mezclas de propelentes para obtener aerosoles que resulten inocuos para las personas.
Densidad
La densidad (ρ) es una propiedad que poseen todas las sustancias, se define como la cantidad de masa presente en un volumen determinado. La densidad depende de otras magnitudes, por lo que se considera como una unidad derivada. Su relación matemática es: ρ = m/V. La densidad es una típica magnitud intensiva, es decir, que no depende de la cantidad de materia que compone al cuerpo, sino de su composición. permite distinguir a una sustancia de otra.
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| Tabla 1. |
Cuando la temperatura de un cuerpo aumenta, su densidad disminuye, y viceversa: si disminuye la temperatura, la densidad aumenta. Esto es independiente del estado de agregación; pero en los gases, cuyo volumen varía de manera apreciable con la temperatura, la variación de la temperatura es notoria. Un ejemplo de esto es el comportamiento del aire seco que a diferentes temperaturas tiene diferentes densidades. (Tabla 2).
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| Tabla 2. |
Es un fenómeno muy observado y se produce a causa de la agitación de las partículas de un gas que invaden el espacio ocupado por otro gas que puede ser el aire, donde sus partículas también están repartidas por todo el volumen del recipiente.
Los gases son capaces de difundirse o mezclarse libremente, de forma que si varios gases están mezclados en un recipiente, cada uno de ellos ocupa el volumen disponible. Debido a sus bajos valores de densidad, son capaces de mezclarse entre sí en cualquier proporción al difundirse uno en el otro.
Para aprovechar la capacidad de difusión y prevenir accidentes, al gas doméstico (mezcla de propano y butano) se le añade un compuesto, llamado etanotiol (C2 H5-SH), de la familia de los mercaptanos o tioles, que contiene azufre y posee un olor desagradable característico. En caso de fuga, al difundirse el gas doméstico hacia la atmósfera, también se desprende el etanotiol y el escape se detecta fácilmente, con lo cual pueden evitarse peligros mayores.
Actividad 2.
1. Reúnete con dos de tus compañeros e investiguen sobre una aplicación cotidiana y una industrial de las características de los gases que hemos visto anteriormente.
2. Imaginen que han sido nombrados parte de un comité científico que busca nuevas aplicaciones de los gases. Describan al menos dos de las ideas que se les ocurran. Si es necesario incluyan diagramas o dibujos.
LEYES DE LOS GASES
Los gases presentan una serie de propiedades medibles que permiten describir el comportamiento de las sustancias gaseosas en condiciones especiales. Entre ellas se encuentran: el volumen, la temperatura, la presión y la cantidad de sustancia (número de moles).
Presión
La presión se como la fuerza que se ejerce por unidad de área y se representa as: P= F / A
Por lo general, relacionamos la presión con la idea de fuerza, es decir, algo que tiende a mover un objeto en una dirección determinada. Pero recuerda que el área desempeña un papel determinante en la presión que ejerce un cuerpo. Por ejemplo, tenemos dos figuras que tienen exactamente las mismas medidas y tienen el mismo peso, ¿cuál de ellas ejercerá mayor presión, por su posición?
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| Piensa en lo siguiente: te encuentras en un trampolín de 10 metros a punto de lanzarte a la fosa, ¿de qué manera lograrás llegar al fondo de la fosa, tirándote parado (posición vertical) o acostado (posición horizontal) |
Comprobando esta aseveración con los datos de los cubos: 10 x 10 x 50 cm, y tienen cada uno 5 kg de peso. De acuerdo con la segunda ley de Newton, la
cual enuncia que la fuerza ejercida por un objeto es el producto de su masa por la aceleración, encontramos que ambos cuerpos tienen la misma fuerza de acuerdo con la fórmula: F = m.a, donde la aceleración es la fuerza de gravedad ejercida por la Tierra y que tiene un valor de 9.8 m/s2, y como la masa del objeto es de 5 kg tendremos:
(5 kg) (9.8 m/s2) = 49 kg.m/s2 = 49 N
Sin embargo, la presión es distinta debido a que el área de acción de los cubos es diferente, en el primer caso (posición vertical) el área es de 100 cm2 que equivalen a 0.01 m2 dado que la presión se mide en N/m2. Haciendo el cálculo, tendremos:
P = F/A = 49 N / 0.01 m2 = 4900 N/m2 = 4900 Pa = 4.9 kPa
Para el cubo en posición horizontal, que tiene un área de 500 cm2 equivalentes a 0.05 m2, tendremos una presión de:
P = F / A = 49 N /0.05 m2 = 980 N / m2 = 980 Pa = 0.980 kPa
Como puedes ver, el cubo en posición vertical ejerce mayor presión (cinco veces más) que el cubo en posición horizontal. Fíjate que la presión está expresada en pascal, Pa, en honor a Blaise Pascal, quien desarrolló el concepto de presión y vacío. Una unidad auxiliar y que resulta muy útil es el kilo pascal, kPa, que equivale a 1000 Pa.
¿Cómo medimos la presión de un gas?
Es costumbre expresar la presión atmosférica en milímetros de mercurio (mmHg), o simplemente Torr (nombre dado en honor de Torricelli) y su equivalencia en pascales es:
1 atm=760 mmHg = 760 Torr = 101325 Pa = 101.325 kPa.
Presión manométrica
Cuando una muestra de gas se encuentra confinada en un recipiente, el instrumento utilizado para medir su presión se llama manómetro. Uno de los más sencillos consiste en un tubo en forma de U, que contiene el gas. La diferencia entre los dos niveles del mercurio mide la presión del gas en el recipiente. Actualmente los manómetros, aunque utilizan el mismo principio de funcionamiento, han adaptado relojes graduados cuya deflectación es proporcional a las variaciones de presión, lo que facilita su lectura.
Los manómetros son amplia mente utilizados en aplicaciones industriales y cotidianas: tuberías que transportan algún fluido tanques estacionarios de gas doméstico. En las estaciones de gasolina, cuando se mide la presión de aire de las llantas, lo que se utiliza es un manómetro, con una escala en lb /plg2 en inglés pounds per square inch, cuya abreviatura es psi). La equivalencia de psi con otras unidades de presión se indican a continuación:
1 psi = 6894.8 Pa = 6.8948 kPa = 51.715 mmHg = 51.715 torr = 0.068046 atm
Actividad 3
En equipos de 3 integrantes, investiguen los casos siguientes.
a) En una estación de gasolina: a cuántas "libras" deben inflarse los neumáticos de una auto, de una camioneta, de un camión y de un tráiler. Pregunten si los neumáticos se inflan igual en tiempo seco que en tiempo lluvioso. Con la información obtenida, elaboren un reporte en el que concentren la información y conviertan las presiones a pascales y atmósferas.
b) El gas doméstico se suministra en tanques de "20", "30" y "45". Investiguen a qué unidades corresponden esas cantidades, ¿kilogramos?, ¿litros?, ¿otras? ¿Y cuál es la presión en el interior de ellos: atmósferas, pascales y kilo pascales?
c) Los tanques estacionarios se llenan a una capacidad determinada, lo cual equivale a una presión máxima que son capaces de soportar. Investiguen sobre las capacidades más comunes, qué instrumento de medición instalan para medir la presión y en qué unidades está graduado la escala?
Elabora el reporte correspondiente.
Actividad 4
Integra con dos de tus compañeros un equipo e investiguen lo siguiente:
a) ¿Cuál es la capacidad de los tanques de gas LP que usamos en nuestros hogares? ¿A qué presión se llenan? ¿Por qué se siente <<líquido>> el contenido de los tanques? ¿Qué significa gas LP?
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
b) ¿Cuál es la diferencia entre el gas LP y el gas natural? ¿En qué unidades se mide el suministro de gas natural a los hogares? ¿Ambos tipos de gas tienen el mismo precio? ¿Cuál es el más económico y por q ué?
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
c) ¿Qué es el biogás? ¿Cómo se produce? ¿Cuáles son su uso principales?
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Cantidad de sustancia
La cantidad de sustancia se emplea para contar cantidades enormes de átomos, moléculas o iones que hay en una muestra, y en el SI se ha establecido para medirla una unidad especial llamada mol.
El mol se define como la cantidad de sustancia que contiene tantas unidades -átomos, moléculas, iones, etc.-como el número de átomos existentes en 0.012 kg de carbono- 12 puro.
Considerando que 12 g de carbono equivalen a un mol, se encontró que en esa cantidad existen 6.022 x 1023 átomos de carbono. Este valor se conoce como número de Avogadro, NA, en honor al italiano Amadeo Avogadro, quien investigó diversos aspectos cuantitativos en la química. Por tanto, 1 mol = 6.022 x 1023 átomos de carbono 12
Así:
1 atm=760 mmHg = 760 Torr = 101325 Pa = 101.325 kPa.
Presión manométrica
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| La aguja del manómetro indica, mediante el uso de una escala adecuada, la presión del gas. |
Los manómetros son amplia mente utilizados en aplicaciones industriales y cotidianas: tuberías que transportan algún fluido tanques estacionarios de gas doméstico. En las estaciones de gasolina, cuando se mide la presión de aire de las llantas, lo que se utiliza es un manómetro, con una escala en lb /plg2 en inglés pounds per square inch, cuya abreviatura es psi). La equivalencia de psi con otras unidades de presión se indican a continuación:
1 psi = 6894.8 Pa = 6.8948 kPa = 51.715 mmHg = 51.715 torr = 0.068046 atm
Actividad 3
En equipos de 3 integrantes, investiguen los casos siguientes.
a) En una estación de gasolina: a cuántas "libras" deben inflarse los neumáticos de una auto, de una camioneta, de un camión y de un tráiler. Pregunten si los neumáticos se inflan igual en tiempo seco que en tiempo lluvioso. Con la información obtenida, elaboren un reporte en el que concentren la información y conviertan las presiones a pascales y atmósferas.
b) El gas doméstico se suministra en tanques de "20", "30" y "45". Investiguen a qué unidades corresponden esas cantidades, ¿kilogramos?, ¿litros?, ¿otras? ¿Y cuál es la presión en el interior de ellos: atmósferas, pascales y kilo pascales?
c) Los tanques estacionarios se llenan a una capacidad determinada, lo cual equivale a una presión máxima que son capaces de soportar. Investiguen sobre las capacidades más comunes, qué instrumento de medición instalan para medir la presión y en qué unidades está graduado la escala?
Elabora el reporte correspondiente.
Temperatura
¿Qué es la temperatura? De manera intuitiva podemos determinarla, ya que por medio del tacto sentimos la temperatura de un cuerpo a través de terminaciones nerviosas ubicadas en la piel. Cuando un cuerpo absorbe energía decimos que se calienta; cuando pierde energía decimos que se enfría. Si colocamos un cuerpo caliente junto a otro que esté frío, sentimos cómo el más caliente transmite energía al más frío; y esta transferencia de energía se le llama calor. Al igualarse la energía entre ambos cuerpos, decimos entonces que tienen la misma temperatura. Por tanto, la temperatura es una magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo, es decir, su capacidad para ceder energía calorífica y el calor es la energía que se pierde o gana entre dos cuerpos que están a diferente temperatura, por lo que el calor es una manera de transferir energía.
En el estado gaseoso no todas las partículas que lo forman se mueven a la misma velocidad y en la misma dirección, así que asignamos una velocidad media de las partículas de un gas en un sistema determinado. En un gas, la temperatura es una magnitud que se relaciona con la velocidad media con que se mueven las partículas y, desde luego, nos referimos a su energía cinética. Por último, la temperatura depende de la energía cinética media de las partículas de un gas, y sabemos que al aumentar la energía cinética, aumenta la temperatura.
Al poner en contacto dos sustancias gaseosas con diferente energía cinética encontramos que las partículas de una transmiten su energía a las otras mediante choques, hasta que se igualan las velocidades medias de ambas. Esto significa que las partículas de ambas sustancias igualan su velocidad media y por tanto, la misma temperatura, por lo que decimos que han alcanzado el equilibrio térmico.
Ahora, ¿cómo medir la temperatura? Para diseñar un instrumento que mida la temperatura debe considerarse una sustancia que sea factible de dilatarse (aumente su tamaño al calentarse) y a la vez también sea fácilmente observable. Esto es el fundamento de termómetros líquidos como el de mercurio o de alcohol, aunque a este último habría que añadirle un colorante para visualizarlo mejor. Con el tiempo se han desarrollado nuevas tecnologías en la elaboración de termómetros, y en el mercado podemos encontrar ahora termómetros digitales que miden la temperatura por medio de un láser. Son conocidos como termómetros infrarrojos y no requieren que dos cuerpos estén en contacto (termómetro y sustancia) para medir la temperatura.
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| Escales Kelvin, Celsius y Fahrenheit en un termómetro. |
Para medir la temperatura de un objeto o cuerpo se emplean tres escalas que son: la escala Fahrenheit (oF), la escala Celsius (oC) y la escala Kelvin (K).
Fue el físico alemán Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) quien inventó en 1724 un termómetro de mercurio que mostraba la temperatura en grados. Para estructurarla tomó como base una mezcla de sal de amonio, hielo y agua, a la que asignó el punto cero. Después utilizó la mezcla de hielo y agua sin sal, y ubicó un segundo punto que denotó como 30. Fijó un tercer punto a la temperatura del cuerpo humano y le asignó el valor de 96. A partir de estos tres puntos, determinó que el agua hervía a 212 grados y asignó su punto de congelación al 32, con lo cual, el intervalo entre la congelación y la ebullición del agua fue de 180. Esta escala es común mente utilizada en los países de habla inglesa y no se utiliza para trabajos científicos.
Por su parte, Anders Celsius (1701-1744), físico y astrónomo sueco, propuso sustituir la escala Fahrenheit por otra en la que asignó el cero al punto de congelación del agua y 100 a su punto de ebullición, a presión atmosférica normal. Entre ambos puntos se establecieron cien divisiones y a cada una de ellas se le llamó grado, por lo cual esta es una escala centígrada.
Lord Kelvin -Sir William Thomson- (1824-1907) inventó una escala en la que establecía la idea de cero absoluto., donde teóricamente todo movimiento molecular se colapsa y no puede detectarse ninguna energía. La temperatura en la que ocurre este estado teórico es -273.15 oC y por razones practicas conserva el tamaño de las divisiones fijadas por la escala Celsius.
La unidad de temperatura del SI es el Kelvin (K), se define como la fracción 1/273.15 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.
La conversión de una escala a otra es posible mediante el empleo de expresiones matemáticas sencillas:
- Para convertir de grados Celsius a Fahrenheit, basta con multiplicar la lectura en oC por 1.8 y al resultado sumarle 32: F = 1.8(oC) + 32
- A la inversa, para convertir grados Fahrenheit a Celsius, se resta 32 a la lectura en oF y posteriormente se divide el resultado entre 1.8: oC = (oF - 32) / 1.8
- La equivalencia entre la escala Celsius y la escala Kelvin se realiza de manera muy sencilla mediante la suma de 273.15 a la lectura en oC: K = oC + 273.15
Volumen
En términos simples, el volumen de un cuerpo es el espacio que este ocupa. En el caso de los sólidos, el volumen se calcula directamente a partir de sus medidas, en los líquidos se calcula el volumen del recipiente que lo contiene o, como un método indirecto, se toma en cuenta la masa y la densidad que la relaciona con el volumen. El volumen de un gas depende del volumen del recipiente que lo contiene. Así, por ejemplo, si un gas se encuentra encerrado en recipientes de 5 L, 10 L o solo de 1 L, su volumen cambiará a estos valores respectivamente.
En el SI, la unidad de medida de volumen es el metro cúbico (m3) y para medir volúmenes mayores o menores se utilizan sus múltiplos y sus submúltiplos, que aumentan o disminuyen de 1000 en 1000, como se muestra a continuación:
Para los gases se acostumbra usar como unidad de medida el litro, que equivale a un decímetro cúbico (dm3) y el submúltiplo del litro; también se usa con mucha frecuencia el mililitro (ml), que equivale al centímetro cúbico (cm3).
Actividad 4
Integra con dos de tus compañeros un equipo e investiguen lo siguiente:
a) ¿Cuál es la capacidad de los tanques de gas LP que usamos en nuestros hogares? ¿A qué presión se llenan? ¿Por qué se siente <<líquido>> el contenido de los tanques? ¿Qué significa gas LP?
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b) ¿Cuál es la diferencia entre el gas LP y el gas natural? ¿En qué unidades se mide el suministro de gas natural a los hogares? ¿Ambos tipos de gas tienen el mismo precio? ¿Cuál es el más económico y por q ué?
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c) ¿Qué es el biogás? ¿Cómo se produce? ¿Cuáles son su uso principales?
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Cantidad de sustancia
La cantidad de sustancia se emplea para contar cantidades enormes de átomos, moléculas o iones que hay en una muestra, y en el SI se ha establecido para medirla una unidad especial llamada mol.
El mol se define como la cantidad de sustancia que contiene tantas unidades -átomos, moléculas, iones, etc.-como el número de átomos existentes en 0.012 kg de carbono- 12 puro.
Considerando que 12 g de carbono equivalen a un mol, se encontró que en esa cantidad existen 6.022 x 1023 átomos de carbono. Este valor se conoce como número de Avogadro, NA, en honor al italiano Amadeo Avogadro, quien investigó diversos aspectos cuantitativos en la química. Por tanto, 1 mol = 6.022 x 1023 átomos de carbono 12
Así:
- El neón es un gas mono atómico y en consecuencia 1 mol de Ne = 6.022 x 1023 átomos de Ne.
- Como el cloro es un gas que forma moléculas de dos átomos, entonces: 1 mol de Cl2 = 1 x 6.022 x 1023 moléculas de Cl2. 2 mol de Cl2 = 2 x 6.022 x 1023 = 12.044 x 10 23 átomos de Cl2.
