Los gases

El aire dentro de una llanta se puede describir con tres variables: presión, volumen y temperatura.

1. a) Explique con sus palabras qué indica cada una de ellas.
2. b) Diga en qué unidad se mide cada una en el Sistema Internacional.
3. c) Sabiendo que $1\ \text{atm}=101325\ \text{Pa}$, exprese en pascales la presión de $2\ \text{atm}$ de una llanta de bicicleta.

Para estudiar los gases, la temperatura debe expresarse siempre en kelvin: $T(\text{K})=T(\celsius)+273$.

1. a) Un laboratorio está a $22\ \celsius$: ¿a cuántos kelvin equivale?
2. b) El nitrógeno líquido está a $-196\ \celsius$: ¿y en kelvin?

La escala kelvin empieza en el cero absoluto, la temperatura más baja que puede existir: $-273\ \celsius$.

1. a) ¿Cuántos kelvin son $-273\ \celsius$?
2. b) Razone por qué no puede existir nada a $-300\ \celsius$.
3. c) ¿Qué les ocurre a las partículas de un gas cuando su temperatura se acerca al cero absoluto?

Usted tapa la salida de una jeringa que contiene $10\ \text{mL}$ de aire a la presión ambiente de $1\ \text{atm}$ y empuja el émbolo hasta los $5\ \text{mL}$, sin que cambie la temperatura. La gráfica presión-volumen representa las dos situaciones.

1. a) Enuncie la ley de Boyle: ¿qué relación hay entre la presión y el volumen de un gas a temperatura constante?
2. b) Calcule la presión del aire dentro de la jeringa.

Una bomba de bicicleta contiene $300\ \text{cm}^3$ de aire a $1\ \text{atm}$. Al empujar el émbolo con la salida conectada a la rueda, el aire de dentro llega a $4\ \text{atm}$ sin cambiar de temperatura. Aplique la ley de Boyle, $p_1\times V_1=p_2\times V_2$, y calcule qué volumen ocupa entonces el aire en la bomba.

Un buzo suelta una burbuja de $2\ \text{cm}^3$ a $40\ \text{m}$ de profundidad, donde la presión total es de $5\ \text{atm}$. La temperatura del agua apenas cambia durante el ascenso. La figura muestra el ascenso de la burbuja.

1. a) ¿Qué volumen tendrá la burbuja al llegar a la superficie, a $1\ \text{atm}$?
2. b) Calcule también su volumen al pasar por $10\ \text{m}$ de profundidad, donde la presión es de $2\ \text{atm}$.
3. c) Use los resultados para explicar la primera regla del buceo: por qué nunca se debe aguantar la respiración durante el ascenso.

Un cilindro con un émbolo que se mueve libremente, de modo que la presión interior no cambia, contiene $600\ \text{mL}$ de aire a $300\ \text{K}$. Se calienta hasta $400\ \text{K}$. La gráfica V-T muestra el proceso.

1. a) Enuncie la ley de Charles.
2. b) Calcule el volumen final del aire.

Un equipo científico en el Ártico llena un globo con $400\ \text{mL}$ de aire a $-23\ \celsius$. Lo llevan a una tienda caliente, a $27\ \celsius$, donde el globo puede expandirse libremente a presión constante.

1. a) Exprese las dos temperaturas en kelvin.
2. b) Aplique la ley de Charles, $\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}$, y calcule el volumen del globo dentro de la tienda.

En el laboratorio se calienta aire a presión constante y se obtienen estas medidas: a $300\ \text{K}$ el volumen es $600\ \text{mL}$; a $350\ \text{K}$, $700\ \text{mL}$; a $400\ \text{K}$, $800\ \text{mL}$. La gráfica recoge las tres medidas.

1. a) Calcule el cociente $\frac{V}{T}$ de cada medida: ¿qué observa?
2. b) ¿Qué ley se está comprobando?
3. c) Prediga el volumen que mediría a $450\ \text{K}$.
4. d) Si prolonga los datos hacia atrás, ¿a qué temperatura el volumen sería cero? ¿Cómo se llama esa temperatura y por qué cree que un gas real nunca llega a ella?

Los botes de aerosol llevan esta advertencia: «No perforar ni quemar, incluso después de su uso».

1. a) ¿Qué le ocurre a la presión del gas de dentro cuando la temperatura sube mucho, si el volumen del bote no cambia?
2. b) ¿Cómo se llama la ley que describe ese comportamiento?
3. c) Explique por qué el bote puede explotar aunque ya no quede producto dentro.

Los fabricantes de carros recomiendan medir la presión de las llantas «en frío», antes de hacer un viaje.

1. a) Tras una hora de carretera, las llantas están calientes: ¿qué les ha pasado a la temperatura del aire interior y a su presión, si el volumen apenas cambia?
2. b) ¿Cómo se llama la ley que explica ese comportamiento?
3. c) Razone por qué la medición en caliente engaña: ¿parece la presión más alta o más baja de la que realmente conviene?

Un espray guarda su gas a $3\ \text{atm}$ estando a $27\ \celsius$. Suponga que la presión crece en proporción a la temperatura medida en kelvin. La gráfica p-T muestra la situación.

1. a) Exprese $27\ \celsius$ en kelvin.
2. b) Si la lata aguanta como máximo $6\ \text{atm}$, ¿a qué temperatura, en kelvin y en grados Celsius, llegaría la presión al límite?
3. c) Un carro estacionado al sol alcanza $54\ \celsius$ en su interior, «el doble» que $27\ \celsius$. Calcule la presión real del gas a $54\ \celsius$ y explique por qué no es el doble que al principio: ¿dónde está el truco?

Según el modelo cinético, un gas está formado por partículas diminutas que se mueven sin parar y chocan contra las paredes del recipiente. Observe el modelo en la figura.

1. a) Explique con sus palabras qué es la presión de un gas según este modelo.
2. b) Si mete más partículas en el mismo recipiente, ¿qué les pasa a los choques y a la presión?
3. c) Y si calienta el gas sin cambiar el número de partículas, ¿qué cambia en los choques?

Un émbolo comprime aire a temperatura constante y la presión sube. Explíquelo con el modelo cinético:

1. a) Si la temperatura no cambia, ¿cambia la velocidad de las partículas al comprimir?
2. b) Si la velocidad es la misma, ¿por qué sube la presión? Piense en cuántas veces chocan las partículas contra las paredes cuando el recipiente se hace más pequeño.

Un gas ocupa $4\ \text{L}$ a $27\ \celsius$ y $1\ \text{atm}$. Primero se comprime a temperatura constante hasta $2\ \text{L}$ y, a continuación, se calienta a presión constante hasta $177\ \celsius$.

1. a) ¿Qué presión tiene el gas tras la compresión?
2. b) Exprese en kelvin las temperaturas del segundo paso.
3. c) ¿Qué volumen ocupa el gas al final?
4. d) Dibuje en su cuaderno un esquema con los tres estados y escriba sobre cada flecha el nombre de la ley aplicada.

Puede hacerlo en papel y enviar una foto con su respuesta.