CALOR Y TEMPERATURA

INSTRUCCIONES: Previa consulta bibliográfica, de manera individual realiza las siguientes actividades en tu cuaderno de apuntes.TAREA 1: Investiga 5 tipos de termómetros (Galileo, Mercurio, Resistencia Eléctrica, Pirómetro Óptico y termómetro de gas), anota sus características y en donde se utilizan. (Anexa imagen de cada uno de los termómetros).TAREA 2: Investiga el nombre de los científicos y los criterios que consideraron para establecer las escalas de temperatura: °C, °F, K y R.TAREA 3: Investiga los coeficientes de Dilatación lineal de los materiales expresados en (°C-1 ) y los coeficientes de Dilatación Volumétrica de sustancias líquidas ( °C-1 ).TAREA 4: Investiga las características y uso del Calorímetro.TAREA 5: Define Las siguientes unidades de calor: a) Joule b) Caloría c) BTU d) Ergio e) KilocaloríaTAREA 6: Anota la definición y ejemplos de las 3 formas de transmisión de calor (Incluye dibujos). a) Conducción b) Radiación c) Convección.TAREA 7: Investiga y define lo siguiente:

Leyes de los Gases: a) Charles, Boyle Mariotte, Gay Lussac, Ley General del estado Gaseoso Máquina térmica Primera Ley de la termodinámica Proceso isocórico Proceso térmico adiabático Proceso térmico no adiabático Segunda Ley de la Termodinámica Sistemas Termodinámicos Tercera Ley de la Termodinámica Termodinámica Trabajo Termodinámico.

Realiza la siguiente actividad

Infla un globo de hule con aire e introdúcelo en un recipiente con agua caliente (no mayor de 40 0C), observa lo que sucede con su volumen, saca el globo del agua caliente e introdúcelo en agua fría. Observa, anota y comenta con tus compañeros.

EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA

1.- ¿Es lo mismo el concepto de temperatura que el concepto de Calor? ¿Por qué?

2.- ¿Qué sucede con las dimensiones de una barra de fierro cuando se le aplica calor?

3.- ¿Cuáles son las escalas absolutas de temperatura? ¿Cuáles son las escalas relativas?

4.- ¿Qué estado de agregación de la materia presenta mayor dilatación cuando se le aplica calor?

5.- Los cerdos buscan estar en el lodo. ¿Es porque les gusta estar sucios?

6.- ¿Por qué se recomienda usar ropa blanca cuando se va a la playa?

7.- ¿En qué momento el cuerpo humano puede presentar hipotermia?

8.- Una varilla de cobre se encuentra a 50 °C. ¿A cuántos °F equivalen? ¿A cuántos K?

9.- Si no deseamos que el calzado no nos apriete el pie y tuviésemos que adquirirlos en alguna estación del año. ¿En cuál de ellas sería conveniente comprarlos?

10.- Menciona los materiales que son buenos conductores del calor.

CALOR Y TEMPERATURA

La sensación de calor o de frío está estrechamente relacionada con nuestra vida cotidiana, es decir, con nuestro entorno; sin embargo el calor es mucho más que eso. Entre los años de 1 600 a 1 700, toda Europa vivió una pequeña era glacial cuando la temperatura fue más baja que en otros periodos de los últimos mil años. En esa época lo más importante era mantenerse caliente. Por lo que, muchas científicos se dedicaron al estudio del calor. Aunque los efectos del fuego se conocen desde la antigüedad, fue hasta el siglo XVIII cuando los científicos comenzaron a diferenciar las características entre un cuerpo frío y uno caliente. Se consideraba, al calor, como un fluido invisible sin sabor, olor ni peso: lo conocían como calórico y de él sólo conocían sus efectos: cuando más caliente estaba un cuerpo más fluido o calórico tenía. La teoría del calórico podía explicar fenómenos como la expansión de los cuerpos al calentarse pero no podía explicar por qué las manos se calentaban al frotarlas entre sí. Finalmente consideraron que el calórico no podía ser creado ni destruido, por lo que no era posible formarlo a partir de alguna cosa ni podía ser sustituido por otra.

A fines del siglo XVIII se descubrió que la fricción produce calor. Años después se demostró que cuando se proporciona energía, ya sea por fricción, corriente eléctrica, radiación o cualquier otro medio, para producir trabajo mecánico, éste puede ser transformado en una cantidad equivalente de calor. Con estos descubrimientos se desechó la Teoría del Calórico para explicar que era el calor:

Nuestro cuerpo puede sentir la diferencia de temperatura

El término calor es utilizado comúnmente en expresiones como ¡hace mucho calor! ¡Está muy caliente! ¡Está frío! Este concepto lo podemos definir como:

La energía a que nos referimos es la energía calorífica. En forma experimental se ha comprobado que el flujo de energía calorífica cesa cuando se igualan las temperaturas de los dos cuerpos. Es decir se logra el equilibrio térmico.

CALOREs la energía que fluye o se transfiere entre los cuerpos de mayor temperatura a los de menor

temperatura.

Temperatura: Es la propiedad que determina si un sistema se encuentra o no en equilibrio térmico con otros sistemas. La temperatura es una magnitud física que indica qué tan caliente o frío está una sustancia, es decir, es la medida de su estado relativo de calor o frío. El calor se transmite en el vacío, la temperatura sólo se manifiesta en la materia.

El calor no permanece en reposo, pasa constantemente de los cuerpos de mayor a los de menor temperatura.

TERMOMETRÍA

Generalmente los seres humanos estamos familiarizados con las medidas de temperatura.

Por ejemplo, si tienes fiebre, colocas un termómetro en tu boca y esperas dos o tres

minutos. El termómetro te proporciona una medida de la temperatura de tu cuerpo. ¿Qué

está sucediendo? Tu cuerpo está caliente comparado con el termómetro, lo que significa

que las partículas de tu cuerpo tienen una energía térmica mayor. Cuando el vidrio frío del

termómetro toca tu cuerpo más caliente, las partículas de tu cuerpo golpean las partículas

del vidrio. Estas colisiones, transfieren energía a las partículas de vidrio, y aumenta la

energía térmica de las partículas que conforman el termómetro. A medida que las partículas

de vidrio adquieren más energía, comienzan a transferir energía de vuelta a tu cuerpo, hasta

que la tasa de transferencia mutua de energía entre el vidrio y tu cuerpo es la misma. Tu

cuerpo y el termómetro están en equilibrio térmico. Es decir, el termómetro y tu cuerpo

están a la misma temperatura.

Los fenómenos relacionados con el equilibrio térmico son estudiados por:

Al instrumento empleado para la medida de la temperatura se le conoce como: TERMÓMETRO (el cual tiene una escala graduada). La temperatura es una medida de la

El calor del cuerpo se transfiere al termómetro hasta lograr el equilibrio térmico

TERMOMETRÍAEs la parte de la Física que se ocupa de la medición de la temperatura de los cuerpos.

energía cinética media de las moléculas que conforman un cuerpo o sustancia. Nos indica que tan caliente o frio esta un objeto.

EJERCICIOS

1. Si la temperatura interior de un automóvil con sistema de aire acondicionado es de 10 o C. ¿Cuál será su temperatura en la escala Fahrenheit?

2. La temperatura de fusión del Bromo es de 19 o F y la de ebullición 140o F. Expresar estas temperaturas en grados Celsius.

3. La temperatura normal del cuerpo humano es de casi 37o C. Expresa esta temperatura en:

a) la escala Kelvin. b) Escala R c) Escala °F

4.- La superficie del sol tiene una temperatura de 6000 °C Exprese esta temperatura en: °F, K y R

5.- El petróleo crudo que entra al oleoducto de Alaska tiene una temperatura de 112 °F. Después de recorrer la distancia aproximada de 1300 Km en casi 12 días, su temperatura baja a 57°F ¿Cuantos grados Kelvin se enfría el crudo en su viaje?

6.- ¿Cuál es la equivalencia de 80 K en °F, °C y R?

DILATACIÓN TÉRMICA

En nuestras actividades diarias, nos encontramos que cuando variamos la temperatura de un cuerpo éste cambia de tamaño: si dejamos un globo al sol, este se revienta, cuando caminamos mucho se nos hinchan los pies y, por el contrario, un clavo incrustado en madera al congelarlo podemos sacarlo con los dedos, una varilla podemos reducirla de tamaño si la ponemos un rato en agua con hielo, etc. Sin embargo, si ustedes congelan agua... ¿qué sucede ?... al disminuir la temperatura ¡el agua aumenta de tamaño!

De acuerdo con los diferentes estados físicos en que se presenta la materia en la naturaleza observamos que la dilatación se puede clasificar en:

Dilatación lineal Dilatación superficial Dilatación volumétrica Dilatación anómala del agua

DILATACION LINEALEs el incremento en la dimensión lineal que experimentan los cuerpos sólidos al aumentar su

temperatura.

Esta dilatación se debe a que la elevación de la temperatura produce un aumento en la distancia promedio entre los átomos.

ΔL= Variación de la longitud (m) α= coeficiente de dilatación lineal (°C-1 )

DILATACIÓNEs la variación en las dimensiones, que experimentan los cuerpos al variar su

temperatura.

Lf = L0 ( 1+α ΔT)

L0= Longitud inicial de la barra (m) T = Variación de la temperatura (°C)

COEFICIENTE

Es un valor específico para cada material, lo que provoca que se dilaten en diferentes proporciones, ya que las fuerzas con que se unen los átomos y las moléculas varían de una sustancia a otra. Se representa con la siguiente expresión:

EJERCICIOS

1.-Un puente de acero tiene 0.8 km de longitud. ¿Qué longitud tendrá cuando la temperatura aumente de 12 ºC a 40 ºC?.

2.-En un experimento para determinar el coeficiente de dilatación térmica lineal del hierro, una barra de 50 cm de este material se ha calentado de la temperatura ambiente a 608 °F. El incremento de la longitud fue de 1.5 mm. ¿Cuál es el valor del coeficiente de dilatación térmica del hierro?

COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL (α)

Es el incremento lineal que experimenta una varilla de determinada sustancia, de longitud igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado centígrado.

α= ΔLL0 ΔT

3.- Una barra de cobre mide 5m a la temperatura ambiente. Que longitud tendrá cuando el termómetro registre una temperatura de 323 K

Dilatación Superficial: Es el incremento de área o superficie que experimenta un cuerpo al incrementar la temperatura

Introduciendo la constante de proporcionalidad (β ) la ecuación queda:

Como: ΔA=A f−A0

Sustituyendo en la ecuación anterior, obtenemos:

A f=A0(1+ βΔT )

Donde:

ΔA= Variación en el área de la placa (m2 )

β= Coeficiente de dilatación superficial (°C-1 )

A0= Área inicial de la placa (m2 )

ΔT = Variación de la temperatura (°C)

A f= Área final de la placa (m2 )

COEFICIENTE DE DILATACIÓN SUPERFICIAL (β ),

Es el incremento en el área que experimenta una placa de determinado material, de superficie igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado centígrado.

Es específico para cada material y no se necesitan tablas ya que el valor se obtiene multiplicando por dos el coeficiente de dilatación lineal.

β=2 α

DILATACIÓN VOLUMÉTRICA Es el incremento en volumen que experimenta un cuerpo al incrementar su temperatura.

ΔV =γV 0 ΔT

El coeficiente de dilatación volumétrica es un valor específico para cada material, nos

indica la capacidad que tiene un cuerpo para variar su volumen al aumentar o disminuir su temperatura y se ha demostrado que numéricamente el valor de éste coeficiente es tres veces mayor que el valor del coeficiente de dilatación lineal.

ΔA=βA0 ΔT

γ=3 α

EJERCICIOS:

1.- Calcular el área final que tendría la plataforma de acero de un tráiler , cuya superficie es de 15.4 m2 a una temperatura de 13 o C, al transportar su carga de la ciudad de Toluca a Culiacán en un día cuya temperatura se eleva hasta 48 o C.

2. Un frasco de vidrio de 1.5 litros, se llena completamente con mercurio a una temperatura de 18º C y se calienta hasta 100 º C ¿Cuánto mercurio se derrama del frasco?

3.- Una placa rectangular de plomo tiene un área de 5 m2 a 290 K. ¿Cuál será se superficie final 30°C?

CONSIDERACIONES PRÁCTICAS:

El conocimiento de estos tipos o formas de dilataciones que sufren los sólidos, ha sido de gran utilidad sobre todo en el área de la construcción. Como la temperatura ambiente cambia de forma continua durante el día, cuando se construyen vías de ferrocarril, puentes de acero, estructuras de concreto armado, y en general cualquier estructura rígida, se deben dejar huecos o espacios libres, llamados juntas de dilatación, que permitan a los materiales dilatarse libremente para evitar rupturas o deformaciones que pongan en peligro la estabilidad de lo construido.

DILATACIÓN IRREGULAR DEL AGUA

Por otra parte, los líquidos también se dilatan siguiendo las mismas leyes de dilatación que los sólidos (En la dilatación de gases se debe tomar en cuenta, además de la temperatura y volumen, la presión).

El agua no cumple con las leyes de la dilatación. Al aumentar su temperatura de 0oC a 4 ºC se contrae en lugar de dilatarse, después al continuar aumentando la temperatura se empieza a dilatar, por lo que se consideran los 0oC a 4 ºC como la temperatura en la que el agua alcanza su mayor densidad.

Debido a este comportamiento el hielo flota sobre el agua, ya que la densidad de ésta varía al incrementarse la temperatura. Un ejemplo lo tenemos en los lagos y mares de lugares muy fríos: el hielo queda en la superficie y, debajo de él encontramos agua a 4 ºC, lo que permite la vida de plantas y animales en esas regiones de aguas congeladas.

En la siguiente figura se pueden observar los tres estados físicos del agua:

a) Aire frío (gas) a menos 20ºC.b) Hielo (sólido) a 0oC.c) Agua (líquido) a 4 oC.

CALORIMETRIA

Cotidianamente estamos en contacto directo con los cuerpos de diferentes temperaturas, somos capaces de establecer diferencias entre lo caliente y lo frío, pero no podemos determinar la cantidad de calor que poseen los cuerpos por el simple contacto con ellos, necesitamos de algo más. Así como la Termometría nos muestra las escalas para la medición de la temperatura, la Calorimetría nos muestra las unidades para cuantificar el calor.

La calorimetría es la rama de la física que estudia la medición de las cantidades de calor, ó sea las cantidades de energía que intervienen en los procesos térmicos.

La unidad de calor apropiada en el sistema S.I. es el Joule. Sin embargo se utiliza todavía con mucha frecuencia: la caloría, el BTU, Kcal y los ergios.

Cuando dejas un bate de aluminio de béisbol al sol, al quererlo tomar lo sueltas inmediatamente? Porque está caliente y te quemas la mano. ¿Qué fue lo que sucedió? El bate incrementó su temperatura por el tiempo que estuvo expuesto al sol. ¿Pasaría lo mismo si fuera de otro material?

Cada material posee diferentes capacidades de incrementar su temperatura, en relación con el tiempo de exposición a la fuente de calor.

Capacidad Calorífica. Es la relación del calor suministrado con respecto al correspondiente incremento de temperatura del cuerpo.

Cuando el calor fluye a un objeto, su energía térmica se incrementa al igual que su temperatura, en relación con su tamaño y el material con que está hecho. Los valores constantes que nos permiten determinar estas cantidades de calor, se conocen como calor específico del material.

Calor específicoEs la cantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de una unidad de masa.

c=Cm ó

Ce= QmΔT

C= QΔT

1. Un bloque metálico se encuentra inicialmente a una temperatura de 30 °C. Al recibir una cantidad de calor de 390 calorías. ¿Cuál es el valor de la capacidad térmica?

2. Un bloque de vidrio cuya masa es de 180 g y se sabe que su capacidad térmica es de 36 cal/°C. ¿Cuál es el valor del calor específico del vidrio?

3. En una esfera de metal se encontró que su masa es de 15 g. Y su cantidad de calor es 8.5 cal y su diferencia de temperatura es de 10°C.

¿Cuál es el valor del calor específico?

¿De qué material es la esfera? (Ya que obtengas el resultado de la pregunta anterior, localiza el material en la tabla de Calores Específicos.)

4.- Un bloque de cobre cuya masa es de 250g, absorbe calor y su temperatura se eleva de 20°C a 150 °C. ¿Cuál es la cantidad de calor absorbida por el bloque?

EJERCICIOS

5.-Calcular las calorías de un cuerpo que absorbió 2000J. ¿A cuántos BTU equivalen?

6.- Un acondicionador de aire extrae 5200 BTU de una habitación caliente. ¿A cuánto equivale dicha energía en Joules?

7.- ¿Cuál es el calor específico de un cuerpo cuya masa es de 400 gr? Si se necesitan 0.090 KCal para elevar su temperatura de 15°C a 18°C

8.- Cierta cantidad de cobre absorbe 4000 cal de energía y su temperatura aumenta un total de 80°C. Determina la masa.

Cuando proporcionamos calor a un cuerpo y se eleva su temperatura, ya sabemos que hay un aumento en la energía de agitación de sus átomos. Este incremento hace que la fuerza de cohesión de los átomos se altere, ocasionando modificaciones en su organización y separación. La absorción de calor por parte de un cuerpo puede provocar en él, un cambio de fase.

CAMBIOS PROVOCADOS POR EL CALOR

SÓLIDO LÍQUIDO GAS GAS

FUSIÓN VAPORIZACIÓN

CONDENSACIÓN

SUBLIMACIÓN

SUBLIMACIÓN

SOLIDIFIC ACIÓN

Los cambios de fase o cambios provocados por el calor que pueden ocurrir en una sustancia, reciben denominaciones especiales.

Fusión: cambio de sólido a líquido. Solidificación: cambio de líquido a sólido. Vaporización: cambio de líquido a gas. Condensación (o licuefacción): cambio de gas a líquido. Sublimación: Cambio directo de sólido a gas o de gas a sólido sin pasar por el estado líquido.

CALOR LATENTE DE FUSIÓN (Lf)

Es el calor por unidad de masa necesario para cambiar la sustancia de la fase sólida a la líquida a su temperatura de fusión.

El término latente, surge del hecho de que la temperatura permanece constante durante el proceso de fusión.

La cantidad de calor necesaria para evaporar una unidad de masa se llama: calor latente de vaporización.

LF=Qm

CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN (Lv)Es el calor por unidad de masa necesario para cambiar la sustancia de líquido a vapor a su

temperatura de ebullición.

Lv=Qm

Lf = calor latente de fusión (Cal/g°C)

Lv = calor latente de vaporización (Cal/g°C)

Q = cantidad de calor (Cal)

m = masa (g)

EJERCICIOS

1.-¿Qué cantidad de calor se necesita para transformar 50 g de hielo de -5 oC a vapor a 100oC?.Especifica las calorías necesarias para cada cambio de Estado.

2.- Si 4 Kilogramos de mercurio se encuentran a la temperatura ambiente y se desean transformar a vapor a 358°C. ¿Cuánto calor se requiere aplicar?

3.- Determina la cantidad de calor que se requiere para transformar agua de 15°C a vapor a 100°C.

PROPIEDADES DE LOS GASES

La construcción y manejo de un globo para desfiles requiere conocimiento de las Leyes de los Gases. Antes de construir éste globo se determina su volumen. Conociendo el volumen preciso del globo, los ingenieros calculan la masa de una mezcla aire-helio necesaria para inflarlo y mantenerlo a volumen constante y a una temperatura dada. ¿Qué factores deben tomarse en cuenta para el llenado de éste globo en diferentes épocas del año?

Un gas se caracteriza, fundamentalmente por carecer de una forma definida y ocupar todo el volumen del recipiente que lo contiene, esto se debe a que sus moléculas están muy separadas una de las otras.

Los gases están constituidos por moléculas independientes como si fueran esferas elásticas en constante movimiento, chocando entre sí y contra las paredes del recipiente que los contiene. Si la temperatura de un gas aumenta, la agitación de sus moléculas se incrementa y en consecuencia se eleva la presión. Pero, si la presión permanece constante, entonces aumentará el volumen ocupado por el gas. Por otra parte, si un gas se comprime, se incrementan los choques entre sus moléculas y, por lo tanto, se eleva la cantidad de calor producida.

Todos los gases pueden pasar a tener un estado líquido si se les comprime a una temperatura inferior a su temperatura crítica, y se les llama gases licuados. Por ejemplo, en los tanques de gas butano que usan en tu casa, en los dirigibles, en los tanques de oxígeno líquido usados en los talleres para soldar, en los tanques de oxígeno usados en los hospitales, en el envasado de refrescos, en los aerosoles (desodorantes, pinturas, fijadores de cabello, etc.).

Los gases se dilatan 1/273 de su volumen inicial cada vez que su temperatura aumenta un grado centígrado o en un grado Kelvin (cuyas divisiones tienen la misma magnitud), por lo que se considera el valor 1/273 como el coeficiente de dilatación de los gases. Dado que en el S.I. las temperaturas de estos se miden en Kelvin.

Para determinar el estado de un gas se deben considerar tres magnitudes físicas para una masa dada en un gas: presión, volumen y temperatura

¡BÁJENLO!

Las leyes que rigen esta transformación son:

En base al diagrama anterior, cuando un gas es sometido a una transformación en la cual su temperatura se mantiene constante, se dice que ésta es una transformación isotérmica, y solo observamos variaciones en su presión y su volumen.

En 1662, el inglés Robert Boyle, que es considerado el padre de la química moderna, llevó a cabo un estudio de los gases respecto a los cambios de su volumen, como consecuencia de las variaciones en la presión aplicada, enunciando la siguiente ley que lleva su nombre: Cuando la temperatura de una masa dada de un gas permanece constante, el volumen ocupado por un gas es inversamente proporcional a la presión aplicada.

La definición de la Ley de Boyle significa que cuando un gas se puede dilatar o contraer, la presión dentro del gas varía en proporción inversa con el volumen; es decir, si se duplica el volumen, la presión baja a la mitad, y viceversa.

P1 V1 = P2 V2

1.- Una masa de helio contenida en un globo de 0.4 m3, soporta una presión de 49

x 10- 5

Nm2

en su estado inicial. ¿Cuál será su volumen al duplicar la presión?

(T Cte.)

BOYLE

EJERCICIOS

P V

T

(P Cte.) CHARLESGAY-LUSSAC (V Cte.)

2. ¿A qué presión se encontrará un gas confinado a un volumen de 2.6 m3?, si su presión

es de 5 x 105

Nm2 y su volumen es de 1.0 m3 a temperatura constante.

EL primero en hacer mediciones acerca de los gases que se expanden al aumentar su temperatura fue el científico francés Jacques Alexandre César Charles, aproximadamente en 1787, y enunció una ley que lleva su nombre: Para una masa dada de un gas cualquiera, el volumen que ocupa es directamente proporcional a su temperatura si la presión se mantiene constante.

Matemáticamente esta ley se enuncia como:

EJERCICIOS:

1.-¿Qué volumen ocupará un gas ideal a una temperatura de 70o C, confinado en una llanta de, si a 7o C ocupa un volumen de 0.6 m3?.

2.- El gas de un globo aerostático, ocupa un volumen de 3 m3 a una temperatura de 25 oC, ¿A cuántos grados centígrados alcanzará los 5 m3, si se mantiene el sistema a presión constante?

V 1

T 1=

V 2

T 2

El científico francés Joseph Louis Gay – Lussac, aproximadamente en 1 802, encontró la relación existente entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen del recipiente que lo contiene permanece constante, a través de la siguiente ley que lleva su nombre: Si el volumen de una masa dada de un gas permanece constante, las presiones ejercidas por éste sobre las paredes del recipiente que lo contiene son proporcionales a sus temperaturas absolutas.

EJERCICIO

El gas confinado en un tanque de buceo, se encuentra a la presión absoluta de 2.21 atmósferas a la temperatura ambiente de 30 ° C, ¿ Qué temperatura adquiere si se le somete a una presión absoluta de 3.1 atmósferas?

a. En grados Kelvinb. En Centígrados grados

En el comportamiento de los gases, se tiene un valor constante cuya determinación se la debemos al Físico italiano Amadeo Avogadro, quien en 1811 formuló una hipótesis para el número de moléculas de un gas confinado en un recipiente: se toman dos porciones de gases diferentes y se colocan en dos recipientes de igual volumen a la misma temperatura y presión y el número de moléculas de cada recipiente debe ser el mismo. Numerosos experimentos han demostrado esta ley.

El valor del número de Avogadro, fue determinado por Jean-Baptiste Perrin, y es una cantidad constante para todos los gases, muy útil en los cálculos realizados en las reacciones químicas.

P1

T1=

P2

T2

LEY DE AVOGADROVolúmenes iguales de gases diferentes a la misma presión y temperatura, contienen el

mismo número de moléculas.

ECUACIÓN DEL ESTADO DEL GAS IDEAL

Es un gas hipotético que permite hacer consideraciones prácticas que facilitan los cálculos matemáticos. Se caracteriza por que sus moléculas están muy separadas unas de otras, razón por la cual carecen de forma y ocupan el volumen del recipiente que lo contiene y son sumamente compresibles debido a la mínima fuerza de cohesión entre sus moléculas.

LEY GENERAL DEL ESTADO GASEOSO

con base en las leyes de BOYLE, CHARLES y GAY LUSSAC, se estudia la

dependencia existente entre dos propiedades de los gases, conservándose las demás

constantes, esto parte de la consideración que la relación

PVT , será siempre constante.

Y se representa.

P1 V 1

T 1=

P2V 2

T 2

Las propiedades de los gases tienen muchas aplicaciones en la industria.

NÚMERO DE AVOGADRO (No)Para volúmenes iguales de gases diferentes en condiciones normales de

presión y temperatura ( 1 atm y 273 K), el número de moléculas es:23 x 1023 por cada mol de cualquier gas.

LEY GENERAL DEL ESTADO GASEOSO

El volumen ocupado por la unidad de masa de un gas, es directamente proporcional a su temperatura absoluta, e inversamente proporcional a la presión soportada.

Donde (P1,V 1 ,T1) pueden considerarse como las condiciones del estado inicial y

(P2 ,V2 yT2 ) las condiciones del estado final. Por lo tanto la Ley General de Estado Gaseoso

establece que para una masa dada de un gas, su relación PVT siempre será constante.

EJERCICIOS

1. Calcular el volumen que ocupará 75 L de aire a 4 atm y 100 ºC , que se pasan a condiciones normales (presión = 1 atm, temperatura = 0 ºC )

2. Una masa de hidrógeno gaseoso ocupa un volumen de 3 L. a una temperatura de 42 ºC y una presión absoluta de 684 mm de Hg. ¿ Cuál será su presión absoluta si su temperatura aumenta a 58 ºC y su volumen es de 3.5 L ?

3. Un gas que está dentro de un recipiente de 6 litros se le aplica una presión absoluta de 1265 mm de Hg y su temperatura es de 14 ºC. ¿Cuál será su temperatura si ahora recibe una presión absoluta de 940 mm de Hg y su volumen es de 4.8 L.?

Debido a ello, en un gas ideal el volumen ocupado por sus moléculas es mínimo en comparación con el volumen total, por este motivo no existe atracción entre sus moléculas.

GAS IDEALUn gas ideal es un gas hipotético (modelo perfecto) que permite hacer consideraciones prácticas que facilitan algunos cálculos matemáticos. Se le supone conteniendo un número pequeño de moléculas, por tanto, su densidad es baja y su atracción intermolecular es nula.

Es evidente que en caso de un gas real sus moléculas ocupan un volumen determinado y existe atracción entre las mismas. Sin embargo, en muchos casos estos factores son insignificantes y el gas puede considerarse como ideal.

LA CONSTANTE UNIVERSAL DE LOS GASES

De la Ley General del Estado Gaseoso sabemos que:

El valor de K se encuentra determinado en función del número de moles(n) del gas en cuestión:

PV = n RT

Donde :

m = masa del gasPM = peso molecular del gasP = presión absoluta a la que se encuentra el gas. (atm)V = volumen ocupado por el gas. (m3)n = número de moles del gas. (mol)

R = es la constante Universal de los gases. (8.314J/mol K) R=0 .0821 atmL

molKT = temperatura absoluta. (K)

EJERCICIOS

1. ¿Qué volumen ocuparán 7 moles de bióxido de carbono (CO2) a una temperatura de 36 ºC y 830 mm de Hg ?

2. Una masa de hidrógeno gaseoso (H2) ocupa un volumen de 180 litros en un depósito a una presión 0.9 atmósferas y una temperatura de 16 ºC. Calcular:

a) ¿Cuántos moles de hidrógeno se tienen?

b) ¿A qué masa equivale el número de moles contenidos en el depósito?

3. ¿Cuántos moles de gas helio (He) hay en un cilindro de 8 litros, cuando la presión es de 2.5 x105 N/m² y la temperatura es de 37ºC ? ¿Cuál es la masa del hel

n= mPM

EJERCICIOS PROPUESTOS

1. Un tanque de buceo se considera un recipiente hermético, si lo llenamos con 2m 3 de aire

comprimido a una presión de 764 Pa a una temperatura ambiente de 29 oC. ¿Qué presión soportaría si la temperatura disminuye a 22 oC? R. P2 = 746.291 Pa

2. La presión que actúa sobre 0.63 m3 de un gas a 28 oC, se mantiene constante al variar su temperatura hasta 34 oC . ¿Qué nuevo volumen ocupará el gas? R. V2 = 0.642 m3

3. Un globo inflado ocupa un volumen de 2 Litros, el globo se amarra con una cuerda a una piedra. ¿ Cuál es el volumen cuando se hunde hasta el fondo de una laguna de 20.8 m de profundidad?. Consideremos que una presión de una atmósfera soportará una columna de agua de 10.4 m de altura. Suponiendo que la presión que actúa sobre el globo antes de que se hunda es de una atmósfera. R. V2 = 1 L

4. En el manómetro de un tanque de gas, con émbolo móvil, de 200 L, se lee una presión de 2000 KPa. en un día de verano cuya temperatura es de 36 ºC. ¿Cuál será su volumen en un día de invierno a una temperatura de 12 ºC, si la presión disminuye a 1060 KPa? R. V 348.049 L.

5. Un tanque de 30 L. contiene una muestra de un gas bajo una presión absoluta de 3x105 N/m² y una temperatura de 48 ºC. ¿Cuánto aumentará la presión si la misma muestra de gas se coloca en un recipiente de 10 litros y se enfría hasta una temperatura de 10 ºC? R. P 4.934 x 105 Pa

6 ¿Qué volumen ocupan 2 moles de un gas en condiciones normales?

Respuesta: V= 44.826 L.

7¿Cuántas moléculas hay en 1 cm3 de gas en condiciones normales ? ( N.A= 6.023 X1023 moléculas/mol )

RESPUESTA. n=4.461x10-5 mol n=26.868 x 1018 moléculas

8 ¿Cuántos gramos de oxígeno ocupa un volumen de 2300 L. a una presión de 2 atm y 190

ºC ? ( PM del oxígeno es de 32 g

mol ). Respuesta: m= 3872.416 g

9 ¿Cuál es la masa molecular de 2694 g. que tiene un volumen de 1600 L. a una presión de 2 atm y una temperatura de 190 ºC ?

Respuesta: m=32

gmol

10 ¿Calcular el volumen ocupado por 8 g. de oxígeno en condiciones normales? Respuesta: V=5603.325 cm3

11. Un tanque de 690 L. de volumen, contiene oxigeno a 30 ºC y 5 atm de presión. Calcular la masa del oxígeno en el tanque.