Las leyes de los gases

Los gases son un estado de la materia con características únicas: ocupan todo el volumen disponible y se adaptan a la forma del recipiente que los contiene. A diferencia de los sólidos y líquidos, sus partículas se mueven libremente y con mucha energía.

Cuando estudiamos los gases, nos centramos en tres propiedades principales que están íntimamente relacionadas: presión, volumen y temperatura. Si modificamos una de estas propiedades, las otras también cambian siguiendo patrones muy precisos.

En esta unidad, descubriremos las leyes que gobiernan el comportamiento de los gases y aprenderemos a predecir qué sucederá cuando cambiamos alguna de sus propiedades. ¡Esto te ayudará a entender muchos fenómenos que ves todos los días!

💡 ¿Sabías que? Los globos aerostáticos funcionan gracias a las leyes de los gases: al calentar el aire de su interior, este se expande y se vuelve menos denso que el aire exterior, lo que hace que el globo se eleve.

Modelo cinético-corpuscular de los gases

Para entender bien cómo funcionan los gases, necesitamos conocer el modelo cinético-corpuscular. Según este modelo, los gases están formados por pequeñísimas partículas (átomos o moléculas) en constante movimiento, separadas por espacios vacíos.

Las partículas de los gases:

• Se mueven a gran velocidad y de forma desordenada
• Chocan entre sí y contra las paredes del recipiente
• Apenas tienen fuerzas de atracción entre ellas

La temperatura de un gas está directamente relacionada con la velocidad de sus partículas. Cuando calentamos un gas, sus partículas se mueven más rápido y tienen más energía cinética. Cuando lo enfriamos, ocurre lo contrario.

La presión es el resultado de las colisiones de las partículas contra las paredes del recipiente. Cuantas más colisiones y más fuertes sean, mayor será la presión. La presión depende de:

• La velocidad con que chocan las partículas
• El número de colisiones por segundo

Cuando modificamos el volumen de un recipiente con gas, cambiamos el espacio disponible para las partículas y, por tanto, la frecuencia de las colisiones y la presión.

🔬 Cuando inflas un globo y lo aprietas, reduces el espacio para las partículas de aire, aumentando las colisiones contra las paredes del globo y, por tanto, la presión.

La ley de Boyle y Mariotte

La primera ley de los gases que estudiaremos relaciona la presión y el volumen cuando la temperatura se mantiene constante.

La ley de Boyle y Mariotte establece que, a temperatura constante, la presión y el volumen de un gas son inversamente proporcionales. Esto significa que:

• Si el volumen aumenta, la presión disminuye
• Si el volumen disminuye, la presión aumenta

Matemáticamente lo expresamos como: P × V = constante

Por ejemplo, si duplicamos el volumen de un gas, su presión se reduce a la mitad. Si comprimimos un gas a un tercio de su volumen, su presión se triplica.

Según el modelo cinético-corpuscular, cuando reducimos el volumen de un gas:

• Las partículas tienen menos espacio para moverse
• Aumenta el número de colisiones con las paredes
• La presión aumenta

Al contrario, cuando aumentamos el volumen:

• Las partículas tienen más espacio
• Disminuye el número de colisiones
• La presión disminuye

Esta ley explica por qué cuando comprimes el émbolo de una jeringa tapada, se vuelve cada vez más difícil seguir empujando: ¡la presión del aire en el interior aumenta!

💡 Las ventosas se adhieren a las superficies gracias a la ley de Boyle y Mariotte. Al presionarlas, expulsan aire y crean un espacio con baja presión que hace que la presión atmosférica las mantenga pegadas.

La ley de Gay-Lussac

La segunda ley que estudiaremos relaciona la temperatura y la presión cuando el volumen se mantiene constante.

La ley de Gay-Lussac establece que, a volumen constante, la presión y la temperatura de un gas son directamente proporcionales. Esto significa que:

• Si la temperatura aumenta, la presión también aumenta
• Si la temperatura disminuye, la presión también disminuye

Matemáticamente se expresa como: P/T = constante

Por ejemplo, si duplicamos la temperatura absoluta de un gas (en Kelvin), su presión también se duplicará. Si reducimos la temperatura a la mitad, la presión también se reducirá a la mitad.

Según el modelo cinético-corpuscular, cuando calentamos un gas en un recipiente cerrado de paredes rígidas:

• Las partículas se mueven más rápido
• Chocan con más fuerza contra las paredes
• La presión aumenta

Al enfriar el gas:

• Las partículas se mueven más lentamente
• Chocan con menos fuerza
• La presión disminuye

Es importante recordar que, para que esta ley se cumpla, la temperatura debe expresarse en la escala Kelvin (K), no en grados Celsius.

⚠️ Nunca expongas un bote de aerosol al calor. Al aumentar la temperatura, la presión interior aumenta y podría explotar. Por la misma razón, debes revisar la presión de los neumáticos de tu bici después de circular en un día caluroso.

La ley de Charles y Gay-Lussac

La tercera ley relaciona la temperatura y el volumen cuando la presión se mantiene constante.

La ley de Charles y Gay-Lussac establece que, a presión constante, el volumen y la temperatura de un gas son directamente proporcionales. Esto significa que:

• Si la temperatura aumenta, el volumen también aumenta
• Si la temperatura disminuye, el volumen también disminuye

Matemáticamente se expresa como: V/T = constante

Por ejemplo, si aumentamos la temperatura absoluta de un gas un 20%, su volumen también aumentará un 20%, siempre que la presión se mantenga constante.

Según el modelo cinético-corpuscular, cuando calentamos un gas en un recipiente con una pared móvil (como un émbolo):

• Las partículas se mueven más rápido
• Chocan con más fuerza contra el émbolo
• El émbolo se desplaza y el volumen aumenta

Al enfriar el gas:

• Las partículas se mueven más lentamente
• Ejercen menos fuerza sobre el émbolo
• El gas se comprime y el volumen disminuye

Como en la ley de Gay-Lussac, la temperatura debe expresarse en Kelvin para que se cumpla esta relación.

🎈 ¿Has notado que un globo se desinfla cuando lo metes en el frigorífico? Esto ocurre porque, al disminuir la temperatura, el volumen del aire en su interior también disminuye según la ley de Charles y Gay-Lussac.

Límites de las leyes de los gases y el cero absoluto

Las leyes que hemos estudiado funcionan muy bien en condiciones normales, pero tienen sus límites. Se cumplen cuando las partículas de gas se mueven libremente e independientemente unas de otras, lo que se conoce como comportamiento de gas ideal.

Sin embargo, las leyes de los gases pueden fallar en estas condiciones:

1. Temperaturas muy bajas: Cuando un gas se enfría mucho, las partículas se mueven tan lentamente que empiezan a atraerse entre sí, pudiendo condensarse en líquido o solidificarse.

2. Presiones muy altas: Cuando comprimimos mucho un gas, las partículas están tan cerca que las fuerzas entre ellas se vuelven importantes y ya no se comportan independientemente.

Otro aspecto interesante es el punto de ebullición. La temperatura a la que hierve un líquido depende de la presión:

• A mayor presión, mayor punto de ebullición
• A menor presión, menor punto de ebullición

Por eso, en la cima de una montaña (donde la presión atmosférica es menor), el agua hierve a menos de 100°C, lo que dificulta cocinar alimentos.

Las leyes de los gases nos llevan al concepto del cero absoluto $-273,15°C o 0 K$, la temperatura teórica más baja posible. A esta temperatura, las partículas de gas tendrían la mínima energía posible. En la práctica, es imposible alcanzar exactamente el cero absoluto.

🌡️ En la cima del Everest, a 8.848 metros de altitud y con una presión atmosférica de sólo 0,34 atm, el agua hierve a apenas 71°C. ¡Preparar un té caliente sería todo un desafío!

Aplicaciones prácticas de las leyes de los gases

Las leyes de los gases no son solo teorías abstractas; explican numerosos fenómenos cotidianos y tienen aplicaciones muy importantes.

Aplicaciones en la vida diaria:

• Neumáticos de vehículos: La presión aumenta cuando se calientan al circular, por eso es importante revisarla cuando están fríos.
• Ollas a presión: Aumentan el punto de ebullición del agua, cocinando los alimentos más rápido.
• Globos aerostáticos: Se elevan porque el aire caliente del interior ocupa más volumen y es menos denso que el aire exterior.
• Buceo: Los tanques de aire comprimido permiten llevar mucho aire en poco espacio.

En el laboratorio:

• Jeringuillas: Son herramientas perfectas para demostrar la relación entre presión y volumen.
• Manómetros: Miden la presión de gases en recipientes cerrados.
• Termómetros de gas: Utilizan la expansión de gases para medir temperaturas.

En la industria:

• Refrigeración: Los refrigeradores aprovechan los cambios de presión para alterar la temperatura de los gases refrigerantes.
• Motores de combustión interna: Funcionan gracias a la expansión de gases calientes.
• Generación de electricidad: Muchas centrales eléctricas utilizan vapor a presión para mover turbinas.

Entender estas leyes nos ayuda a diseñar mejor muchos dispositivos y a predecir cómo se comportarán los gases en diferentes situaciones.

🚗 Cuando inflas las ruedas de tu bici o coche en invierno y luego hace mucho calor, la presión puede aumentar tanto que podrían dañarse. Siempre revisa la presión con cambios de temperatura significativos.