2.5. El comportamiento de los gases (Introducción a sus leyes)
Tema 2: La materia y sus estados | Física y Química 2º ESO
1. ¿Cómo podemos estudiar un gas? Las tres magnitudes clave
A diferencia de los sólidos y los líquidos, los gases son muy sensibles a los cambios del entorno porque sus partículas se mueven libremente y ocupan todo el espacio disponible. Para estudiar el comportamiento de cualquier gas, los científicos utilizamos tres magnitudes fundamentales:
🔵 Presión ($P$)
Es la fuerza con la que las partículas del gas chocan contra las paredes del recipiente que las contiene. Cuantos más choques y más violentos sean, mayor será la presión. Se mide en atmósferas ($\text{atm}$) o pascales ($\text{Pa}$).
📦 Volumen ($V$)
Es el espacio que ocupa el gas. Como los gases se expanden, el volumen del gas coincide siempre con el volumen total del recipiente en el que está encerrado. Se mide en litros ($\text{L}$) o metros cúbicos ($\text{m}^3$).
🌡️ Temperatura ($T$)
Mide la velocidad media a la que se mueven las partículas del gas (energía cinética). En física y química de gases, trabajamos preferiblemente con la escala absoluta o grados Kelvin ($\text{K}$), donde $T(\text{K}) = T(^\circ\text{C}) + 273$.
2. Explicación microscópica de la presión de un gas
¿Por qué un globo inflado mantiene su forma rígida? Debido al bombardeo constante de las partículas:
3. Las Leyes de los Gases (Relación entre variables)
Cuando modificamos una de las magnitudes de un gas (presión, volumen o temperatura), las otras dos reaccionan de manera predecible. En 2º de ESO estudiamos dos leyes fundamentales:
A) Ley de Boyle-Mariotte (Relación Presión - Volumen)
"Si mantenemos la temperatura constante (isotermo), al disminuir el volumen de un gas, la presión aumenta; y si aumentamos el volumen, la presión disminuye."
- Tipo de proporcionalidad: Inversa ($P \times V = \text{constante}$).
- Ejemplo cotidiano: Cuando presionamos el émbolo de una jeringa tapada (reducimos el volumen), el aire se comprime y la presión en el interior aumenta notablemente notando resistencia.
B) Ley de Charles / Gay-Lussac (Relación Temperatura - Presión / Volumen)
"Si mantenemos el volumen constante, al aumentar la temperatura de un gas, la presión aumenta porque sus partículas se mueven más rápido y chocan con más fuerza contra las paredes."
- Tipo de proporcionalidad: Directa ($\frac{P}{T} = \text{constante}$).
- Ejemplo cotidiano: Un desodorante en spray o una botella de plástico vacía deformada al sol. Nunca se deben arrojar botes de spray al fuego porque al subir la temperatura la presión interior se dispara y pueden explotar.
✏️ Actividades de consolidación (Apartado 2.5)
- Definición de magnitudes: Explica brevemente con tus propias palabras qué entendemos en física por presión de un gas y qué provoca que aumente dentro de un recipiente cerrado.
-
Aplicación de la Ley de Boyle: Si tenemos una determinada cantidad de gas encerrada en un recipiente con un émbolo móvil a temperatura constante, y decidimos comprimir el volumen a la mitad:
- a) ¿Qué ocurrirá con la presión que ejerce el gas en el interior?
- b) ¿Por qué razón ocurre esto a nivel microscópico según la TCM?
- Relación Temperatura-Presión: ¿Por qué está prohibido calentar o arrojar una lata de spray (aerosol) vacía a una hoguera? Justifícalo basándote en el comportamiento de los gases al subir la temperatura.
- Razonamiento práctico: Un globo aerostático se eleva en el aire caliente cuando un quemador calienta el aire de su interior. A nivel microscópico, ¿cómo afecta el aumento de temperatura al movimiento de las partículas del gas dentro del globo?
- Verdadero o Falso: Razona la veracidad de la siguiente afirmación: "Si duplicamos la temperatura absoluta de un gas manteniendo su volumen constante, la presión ejercida por el gas también se duplica."
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- Presión de un gas: Es la fuerza que ejerce el gas sobre las paredes del recipiente debido al choque constante y elástico de sus partículas en movimiento. Aumenta si hay más choques o si estos son más violentos.
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Ley de Boyle:
- a) La presión se duplicará.
- b) Al reducir el espacio a la mitad, las partículas tienen menos sitio para moverse, por lo que chocan el doble de veces contra las paredes del recipiente, elevando la presión.
- Peligro de los aerosoles: Al calentar el bote, aumenta la temperatura del gas encerrado en su interior. Según las leyes de los gases, al subir la temperatura aumenta la velocidad de las partículas y, por tanto, la presión. Si la presión supera la resistencia del metal, el bote explota.
- Globo aerostático: Al calentar el aire, las partículas absorben energía cinética y aumentan su velocidad de movimiento, chocando con más fuerza y separándose más, lo que hace que el aire interior sea menos denso y el globo ascienda.
- Verdadero: Es completamente verdadero. La presión y la temperatura absoluta guardan una relación de proporcionalidad directa (Ley de Gay-Lussac) a volumen constante. Si la temperatura absoluta ($T$ en Kelvin) se duplica, la presión ($P$) también lo hace.