Propiedades y Transformaciones de los Gases Ideales
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Propiedades de los Gases
Compresibilidad y Expansibilidad
Los gases se caracterizan por su alta compresibilidad y expansibilidad. A diferencia de los sólidos y líquidos, los gases pueden comprimirse fácilmente, reduciendo su volumen, y expandirse para ocupar el volumen del recipiente que los contiene.
Volumen
El volumen de un gas no es fijo y se ve afectado por la temperatura y la presión. El calor provoca la expansión de los gases en mayor medida que en los sólidos y líquidos.
Presión
Los gases ejercen presión sobre las paredes del recipiente que los contiene debido al movimiento constante y las colisiones de sus moléculas.
Densidad y Peso Específico
La densidad de un gas se define como la relación entre su masa y volumen (ρ = m/V). A medida que el volumen aumenta, la densidad disminuye, y viceversa. Se mide en kg/m³ o UTM/m³.
El peso específico es el peso por unidad de volumen (P = w/V) y se mide en N/m³ o kgf/m³.
Presión
La presión se define como la fuerza ejercida por unidad de área sobre una superficie (P = F/A). Se mide en N/m² o pascales (Pa). La presión atmosférica es la presión ejercida por la atmósfera terrestre y varía con la altitud.
Existen dos tipos de presión:
- Presión absoluta: medida con relación al vacío absoluto (cero absoluto).
- Presión relativa: medida con relación a la presión atmosférica local.
Un manómetro es un instrumento que mide la presión relativa. La presión absoluta se puede calcular sumando la presión relativa a la presión atmosférica (Pabs = Pr + Patm).
Gases Ideales y sus Leyes
Un gas ideal es un gas teórico cuyas moléculas no interactúan entre sí y ocupan un volumen despreciable. Las leyes de los gases ideales describen el comportamiento de estos gases bajo diferentes condiciones.
Ley de Boyle-Mariotte
A temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a su presión (P₁V₁ = P₂V₂).
Ley de Gay-Lussac
A presión constante, el volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura (V₁/T₁ = V₂/T₂).
Ley de Charles
A volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura (P₁/T₁ = P₂/T₂).
Ley General de los Gases y Ecuación de Estado
La ley general de los gases combina las leyes anteriores en una sola ecuación: PV/T = R, donde R es la constante universal de los gases.
La ecuación de estado describe el estado de un gas en términos de presión, volumen y temperatura.
Transformaciones de los Gases Ideales
Las transformaciones de los gases ideales se representan en un diagrama de Clapeyron (presión vs. volumen).
Transformación Isotérmica
La temperatura permanece constante (T = cte). La ecuación es P₁V₁ = P₂V₂.
Transformación Isobárica
La presión permanece constante (P = cte). El volumen y la temperatura son directamente proporcionales (V₁/T₁ = V₂/T₂).
Transformación Isométrica (Isocórica)
El volumen permanece constante (V = cte). La presión y la temperatura son directamente proporcionales (P₁/T₁ = P₂/T₂).
Transformación Adiabática
No hay intercambio de calor con el entorno. La ecuación es P₁V₁k = P₂V₂k, donde k es el índice adiabático.