La
naturaleza de un gas
El
siguiente video fue tomado de http://www.youtube.com/watch?v=_JgMcWQRnuA
y muestra un ejemplo sencillo de lo que es un cierto gas.
Las
partículas de sustancias son gases a la temperatura ambiente, son moléculas;
algunas moléculas constan de un sólo átomo, muchas de dos átomos y otras de
varios átomos. Como la materia en estado gaseoso ocupa un volumen del orden de
103 veces el que ocupa en estado líquido, las moléculas de los gases
están mucho más separadas que las de los líquidos. Sin embargo 1 cm3
de gas contiene alrededor de 3 x 1019 moléculas. Muchas moléculas
ordinarias tienen diámetros del orden 4 x 10-10 m.
En
los gases, las moléculas tienen un promedio de 4 x 10-9 m, es decir
están separadas en promedio unos 10 diámetros. La energía cinética de las
moléculas de un gas es suficiente para vencer totalmente las fuerzas de Van der
Waals. Por eso las moléculas son partículas esencialmente independientes,
moviéndose a una velocidad de unos 500 m / s
Y a
está velocidad recorren unos 10-7m antes de chocar con otras
moléculas o paredes del recipiente, experimentando unos 5 x 109
choques / s.
La
evidencia de estos conceptos, relativos a la naturaleza de un gas, resulta de
la observación de varias propiedades de los gases:
1)
Expansión
2)
Presión
3)
Difusión
Dicha medida es la presión relativa. La presión absoluta es la que marca el manómetro más la atmosférica.
1.- EXPANSIÓN
El
hecho de que un gas no tenga forma ni volumen definidos, pero llene
completamente el recipiente que lo contiene, demuestra que sus moléculas son
partículas que se mueven rápidamente en forma independiente.
El
siguiente video fue tomado de http://www.youtube.com/watch?v=CGrmBn0smzI&feature=related y muestra un ejemplo sencillo de
lo que es la expansión de un gas.
2.- PRESIÓN
Cuando
inflamos en exceso un globo lo podemos reventar a la presión que el aire
encerrado ejerce sobre la superficie interior. Está presión es causada por el
incesante bombardeo de miles de millones de moléculas en movimiento. Si
aumentamos el número de moléculas al soplar más en él, aumenta el número de
choques sobre la superficie interna.
El
siguiente video fue tomado de http://www.youtube.com/watch?v=Ywg_hUiQFW0 y muestra un ejemplo sencillo de
lo que es la presión de un gas.
3.- DIFUSIÓN
El
siguiente video fue tomado de http://www.youtube.com/watch?v=uRWrBqqx-zk y muestra un ejemplo sencillo de lo que es la
difusión de un gas.
MIDIENDO LOS GASES
Para
medir los gases no se siguen los mismos métodos que para sólidos y líquidos. En
éstos, el volumen varia ligeramente con la temperatura y presión; en cambio en
los gases, la variación es notable.
Entonces,
para comparar gases, los científicos han elegido condiciones normales para
medir volúmenes en los gases. La temperatura normal es la del hielo fundente, 0
ºC. La presión normal es la ejercida por una columna de mercurio de 760 mm de
altura.
LA DENSIDAD DE LOS GASES
En
el laboratorio podemos calcular la masa de cierto volumen de aire y así
encontrar su densidad. Se mide primeramente la masa de una bola hueca de metal,
con aire interior.
FIGURA
DENSIDADDELOSGASES
Luego
se saca el aire y se calcula la masa. La diferencia es la masa del aire que
sacó. Sabiendo el volumen d la bola, se encuentra la densidad absoluta. En
condiciones normales, la densidad del aire es
1.293 kg / m3 que se usa como patrón para calcular las
densidades relativas de los gases. En la tabla /, Apéndice B, se tienen las
densidades relativas de algunos gases.
TABLAAAA
PRESIÓN DEL AIRE
El
aire debe ejercer presión debido a su peso. Si atamos una membrana delgada de
hule en la parte interior de una vasija de laboratorio colocada sobre el plato
de la bomba de vacío, y hacemos el vacío la membrana es empujada cada vez más
hacia adentro del envase hasta reventarse.
FIGURA
PRESIONDELAIRE
Al
extraer el aire, la fuerza del mismo sobre la parte inferior de la membrana
disminuye. La fuerza no equilibrada hacia abajo, revienta finalmente a la
membrana. Aunque vivamos bajo una capa de aire de enorme peso, no sentimos la
presión porque se ejerce prácticamente por igual en todas direcciones.
COMPORTAMIENTO DE LÍQUIDOS EN TUBOS DE
VACÍO.
Cada
vez que tomamos un refresco con popote, el líquido sube, porque es empujado por
la presión atmosférica. Reducimos la presión en el popote por la acción de
nuestros labios y pulmones.
FIGURA
COMPORTAMIENTODELIQUIDOSENTUBOSDEVACIO
Experimentos
relativos a la presión atmosférica se llevaron a cabo por Torricelli. En esta
época, a mediados del siglo XVII, se buscaba la explicación de por qué el agua
no era subida más allá de los 10 m, al ser bombeada.
Torricelli supuso que el
peso del aire obligaba al agua a subir, al hacer vacío. Entonces es razonable
que el mercurio que es 13.6 veces más denso que el agua, subiera 1 / 13.6 de la
altura del agua en un tubo del vacío del Torricelli tomó un tubo de vidrio de
unos 90 cm de largo y después de sellar un extremo, lo lleno de mercurio.
Tapando con un dedo, colocó el tubo dentro de un vaso con mercurio AB se bajó y
se estabilizó en 76 cm arriba del nivel de la vasija.
FIGURA
COMPORTAMIENTODELIQUIDOSENTUBOSDEVACIO2
Torricelli
demostró que la presión atmosférica al nivel del mar equilibra la presión del
mercurio de 76 cm de alto.
Pascal
confirmó la hipótesis de Torricelli: la columna de mercurio debe ser menor a
mayor altura sobre el nivel del mar. Armó el aparato en el monte de unos 7.6 cm
comparada con la longitud obtenida al nivel de la montaña.
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
Sabemos
que la presión de un líquido es directamente proporcional a la profundidad.
Entonces, el tubo de Torricelli, la presión de la columna de mercurio equilibra
la presión atmosférica. Al nivel del mar de la columna de mercurio mide 76 cm.
Tenemos:
p =
Dgh
p =
13 600 kg / m3 x 9.8 m / s2 x 0.76 m
p =
1.01 x 103 Pa
Está
es la presión atmosférica normal al nivel del mar, o una atmósfera de presión.
Todavía
las llantas de nuestros carros son calibradas en el sistema inglés:
1 Atmósfera
= 14.7 libras / pulgada 2
Si
en lugar de mercurio, en el tubo de Torricelli usamos agua, la altura del
líquido será de 13.6 x 0.76 m = 10.34 metros, lo que explica por qué en el
siglo XVII, las bombas no podían subir agua más allá de los 10 m.
EL BARÓMETRO DE MERCURIO
El
barómetro es el aparato utilizado para medir la presión atmosférica. El
barómetro de mercurio es el aparato de Torricelli montado en un soporte.
FIGURA
BAROMETRODEMERCURIO
Se
le añade una escala de precisión para leer con mayor exactitud. Como el
mercurio se dilata con los cambios de temperatura, el aparato tiene un
termómetro para hacer las correcciones debidas a dichos cambios.
BARÓMETRO ANEROIDE
El
barómetro de Torricelli es difícil de transportar, y siempre existe el riesgo
de romperlo y derramar el mercurio. El barómetro aneroide resuelve esos
problemas, pero no es tan exacto como el mercurio.
Consiste
en una caja de poca altura con una tapa metálica corrugada delgada. La base de
la tapa metálica está unida a la base del barómetro. Como se ha hecho el vacío
parcial, el diafragma es muy sensible a los cambios de presión. Los movimientos
del diafragma se amplifican por un sistema de palancas o engranes conectados
con una aguja que se mueve sobre una escala graduada.
Un
barómetro aneroide se construye en varios tamaños: de bolsillo o de pared. Los
altímetros en aviones son barómetros aneroides calibrados para leer
directamente alturas.
EMPUJE EJERCIDO POR LOS GASES
El
principio de Arquímedes se aplica a los fluidos. Así como el agua ejerce un
empuje sobre un cuerpo sumergido en ella, el aire también ejerce empuje sobre
un cuerpo sumergido en él.
Un
cuerpo que desplaza un litro de aire, de masa 1.293 gramos, experimenta un
empuje de 1.293 x 10-3 x 9.8 m / s2 = 1.27 x 10-2 N
en condiciones normales.
Un
globo se llena con gas menos denso que el aire. Se eleva si su peso más el peso
del gas es menor que el peso del aire desplazado.
Si un globo se llena con helio (un gas pesa
1.77 x 10-3 N / litro), cada litro de aire desplazado ejerce una
fuerza ascensional igual a la diferencia entre el peso de un litro de aire y
uno de helio.
Es decir 1.27 x 10-2 N --> 1.77
x 10-3 N = 1.09 x 10-2 N.
VARIACIÓN DE LA DENSIDAD DE UN GAS CON
LA PRESIÓN
La
masa de un gas no cambia al ejercer presión sobre él. Ya que un incremento en
la presión produce una disminución de volumen, entonces también habrá un
incremento en la densidad del gas.
La densidad
de un gas varía directamente con la presión ejercida sobre él:
D /
D´= p / p´
Ejemplo:
Cierto gas tiene la densidad de 1.5 g / L a
la presión de 760 mm Hg. ¿Qué densidad tendrá si la presión se disminuye a 730
mm?
Solución:
D /
D´ = p / p´
D´= D p´/ p
D´= 1.5 g / L x 730 mm / 760 mm
D´= 1.44 g 7 L
COMO MEDIR LA PRESIÓN DE UN GAS
Si
colocamos un tubo delgado que contiene agua a la llave del gas del laboratorio,
la presión del gas eleva algunos centímetros el agua. La diferencia de altura
(h) del agua nos permite medir el exceso de presión del gas sobre la
atmosférica.
También
se puede utilizar mercurio en este manómetro abierto. Para altas presiones se
usa el manómetro cerrado.
El
manómetro de resorte se utiliza para medir la presión de las llantas de los
carros.
Dicha medida es la presión relativa. La presión absoluta es la que marca el manómetro más la atmosférica.
El
aire comprimido se usa para transmitir presión, según el principio de Pascal,
en muchos dispositivos.
En
colchones de aire se usa como absorbente.
Los
frenos de aire en las locomotoras dan mayor seguridad en el transporte.
Herramientas
como el aire comprimido, como martillos neumáticos, son ampliamente utilizadas.
