Teoría cinético-molecular: leyes de los gases (Boyle, Charles y Avogadro)

Teoría Cinético-Molecular (TCM)

Los postulados de esta teoría son:

1. Los gases están formados por partículas de tamaño despreciable comparado con las distancias que las separan. Consideramos las interacciones entre las partículas despreciables.
2. Las moléculas de gas se mueven continuamente y al azar, dando lugar a choques entre sí y choques contra las paredes del recipiente que lo contiene. Los choques contra las paredes del recipiente son los que ejercen la presión sobre las mismas.
3. Estos choques son elásticos, sin pérdida de energía.
4. La energía cinética media de las partículas gaseosas es directamente proporcional a la temperatura de la muestra.

Ley de Boyle

A temperatura constante, el volumen ocupado por una masa de gas es inversamente proporcional a la presión ejercida por las partículas de gas.

Explicación según la TCM

Si disminuimos el volumen de una muestra de gas, las partículas, moviéndose a la misma velocidad (si la temperatura es constante, la velocidad de las partículas también lo es), chocarán más veces contra las paredes del recipiente, ejerciendo, por lo tanto, una mayor presión contra sus paredes. Si por el contrario, aumentamos el volumen, las partículas chocarán menos veces con las paredes del recipiente, por lo que la presión disminuirá. Al aplicar una presión mayor sobre el gas a temperatura constante, el volumen del mismo se reducirá hasta que la presión que ejercen las moléculas contra las paredes del recipiente iguale la nueva presión exterior. Esto se explica teniendo en cuenta que a temperatura constante, la energía cinética de las moléculas es la misma. Al haber un menor volumen, el número de choques aumenta y la presión aumenta. Una vez que se igualen las presiones, el volumen permanecerá estable.

Ley de Charles y Gay-Lussac

A presión constante, el volumen de una masa de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta.

Explicación según la TCM

Al aumentar la temperatura aumenta la velocidad de movimiento de las partículas, que chocan más veces contra las paredes del recipiente. Esto aumentaría la presión en las paredes del recipiente. Se puede imaginar que las partículas de gas “empujan” el émbolo de un pistón aumentando el volumen del recipiente hasta igualar la presión exterior (si el volumen permaneciera constante, aumentaría la presión).

Ley de Avogadro

Volúmenes iguales de gases diferentes en las mismas condiciones de presión y temperatura contienen el mismo número de partículas.

Explicación según la TCM

Presión constante implica el mismo número de choques contra las paredes del pistón. Temperatura constante implica la misma velocidad de las partículas de gas. Volumen constante.

Para mantener este volumen en las mismas condiciones de presión y temperatura, necesitaremos el mismo número de partículas, independientemente del gas de que se trate.

La Teoría Cinético-Molecular también se aplica a Líquidos y Sólidos

La teoría cinético-molecular fue inicialmente un modelo para explicar el comportamiento de los gases. También sirve para explicar el comportamiento de los sólidos y líquidos. En ese caso, no descartamos las interacciones entre las partículas.

En un sólido, las partículas (moléculas, átomos o iones) disponen de cierta energía cinética, por lo que oscilan en posiciones concretas.

Si aumentamos la temperatura, aumenta la energía cinética. Las partículas, al aumentar su energía cinética, aumentan su movimiento y tienen mayor libertad (oscilan con más rapidez y comienzan a superar las fuerzas de cohesión), dando como resultado una estructura más fluida: se dilata.

Si aumentamos la temperatura hasta el punto de fusión, al continuar aumentando su energía cinética llega un momento en el que presentan una agitación suficiente para separar las partículas de sus posiciones fijas. El sólido funde y obtenemos un líquido.