Gases Ideales

Gas Ideal

Microscópicamente el gas ideal es un modelo abstracto., que cumple con los postulados de la teoría cinética de los gases.

El modelo más simple de un sistema de muchas partículas es el gas ideal. Por definición es un gas que consta de partículas materiales puntuales de masa finita, entre las cuales no existen fuerzas que actúan a distancia y cuando chocan, lo hacen siguiendo las leyes de colisiones de las esferas. Los gases suficientemente enrarecidos son los que más corresponden a las propiedades del gas ideal.

Los sistemas gaseosos ideales son aquellos regidos por generalizaciones basadas en la experiencia y en la actualidad explicada por la teoría cinética molecular. Un gas puede considerarse ideal a altas temperaturas y bajas presiones.

Teoría Cinética de los Gases Ideales

Para explicar el comportamiento de los gases ideales, Clausius, Maxwell y Boltzman crearon un modelo llamado Teoría cinética de los gases, los postulados de esta teoría son:

I) Las sustancias están constituidas por moléculas pequeñísimas ubicadas a gran distancia entre sí; su volumen se considera despreciable en comparación con los espacios vacíos que hay entre ellas.

II) Las moléculas de un gas son totalmente independientes unas de otras, de modo que no existe atracción intermolecular alguna.

III) Las moléculas de un gas se encuentran en movimiento continuo, en forma desordenada; chocan entre sí y contra las paredes del recipiente, de modo que dan lugar a la presión del gas.

IV) Los choques de las moléculas son elásticos, no hay pérdida ni ganancia de energía cinética, aunque puede existir transferencia de energía entre las moléculas que chocan.

V) La energía cinética media de las moléculas es directamente proporcional a la temperatura absoluta del gas; se considera nula en el cero absoluto.

Leyes del estado gaseoso

Son leyes experimentales (empíricas) descubirtas por diferentes científicos y en diferentes épocas, quienes realizaron trabajos cuidadosos con los gases reales.

Como una necesidad para explicar estas leyes experimentales, los científicos tuvieron que crear la teoría cinética molecular e inventar un modelo perfecto de gas (gas ideal).

La teoría cinética molecular tuvo un éxito espectacular al explicar satisfactoriamente estas leyes y otras como la ley de difusión gaseosa de Graham.

Entre las leyes de estado gaseoso que estudiaremos están:

a) Ley de Robert Boyle : proceso isotérmico

b) Ley de Jacques Charles : proceso isobárico

c) Ley de Gay Lussac : proceso isócoro o isométrico

Ley de Gay–Lussac (1802): Proceso isocoro o isométrico.

Joseph Gay – Lussac, científico francés, realizó trabajos similares que Charles (proceso isobárico) y era también muy aficionado a los globos. En 1804, ascendió hasta 7000 metros en un globo lleno de hidrógeno, marca record que permaneció imbatida durante 50 años. A diferencia de Charles, Gay-Lussac mostraba gran interés por la química, así logro aislar al elemento boro, preparó FH (fluoruro de hidrógeno) y la identificación del ácido cianhídrico o prúsico (HCN), un gas muy venenoso y tóxico. También descubrió la ley estequiometria de gases en una relación volumétrica sencilla y constante.

Si el volumen de un gas permanece constante (proceso isócoro) para una cierta masa de un gas, su presión absoluta varía directamente proporcional a la temperatura

Explicación según la teoría cinética molecular: al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de las moléculas, como el volumen no varía entonces la frecuencia de choques por unidad de área aumenta, por lo que la presión aumenta. Por lo tanto, la presión aumenta directamente proporcional a la temperatura.

Matemáticamente podemos plantearlo de la siguiente manera:

Para dos estados del gas (inicial y final) tendremos:

Gráficamente la ley de Gay – Lussac queda representada así:

La isocora (recta) formada por puntos infinitos (cada punto es un estado particular del gas) a volumen constante de magnitud V. Además la línea punteada indica que el volumen del gas nunca llegaría a ser cero, porque a temperaturas bajas se produciría la licuación del gas.

Ejemplo:

Un balón de acero de 20 L. de capacidad contiene oxígeno a 30°C y 3 atm de presión. Si la temperatura se eleva a 90°C. ¿Cuál será la nueva presión en KPa?

Solución:

Inicial (1)

P1 = 3 atm

T1 = 30°C = 303°K

V = cte

Final (2)

P1 = ? atm

T1 = 90°C = 363°K

V = cte

Aplicando la ecuación:

3 / 303 = P2 / 363

P2 = 3.5 atm = 354 KPa

* Acuérdese que para cambiar la presión de atmósfera a Kpa solo deberá multiplicar por 101,3.

Ley de Jacques Charles (1787): Proceso isobárico

Físico francés, fue pionero de los vuelos con globos que contienen gases calientes o globos aerostáticos. Charles, con ciertas limitaciones económicas, nunca llegó a publicar su trabajo. Gay-Lussac lo encontró por casualidad. Repitió el trabajo de Charles y lo publicó en 1802.

Charles en 1873, logró elevar un globo aerostático con un hombre. Este hecho impresionó tanto a Luis XVI, que le montó un laboratorio en la Sorbona.

La ley de los gases podemos plantearla de la siguiente manera:

Para cierta masa gaseosa (n = cte.), si la presión es constante (proceso isobárico), entonces su volumen varia en forma directamente proporcional a la temperatura

Por

...