Los gases

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

1. a) Explica con tus palabras qué indica cada una de ellas.
2. b) Indica en qué unidad se mide cada una en el Sistema Internacional.
3. c) Sabiendo que $1\ \text{atm}=101325\ \text{Pa}$, expresa 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) Explica 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?

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

1. a) Enuncia la ley de Boyle: ¿qué relación hay entre la presión y el volumen de un gas a temperatura constante?
2. b) Calcula 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 llanta, el aire de dentro llega a $4\ \text{atm}$ sin cambiar de temperatura. Aplica la ley de Boyle, $p_1\times V_1=p_2\times V_2$, y calcula 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) Calcula también su volumen al pasar por $10\ \text{m}$ de profundidad, donde la presión es de $2\ \text{atm}$.
3. c) Usa 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) Enuncia la ley de Charles.
2. b) Calcula 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 carpa caliente, a $27\ \celsius$, donde el globo puede expandirse libremente a presión constante.

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

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

Los envases 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 envase no cambia?
2. b) ¿Cómo se llama la ley que describe ese comportamiento?
3. c) Explica por qué el envase puede explotar aunque ya no quede producto dentro.

Los fabricantes de autos recomiendan medir la presión de los neumáticos «en frío», antes de hacer un viaje.

1. a) Tras una hora de autopista, los neumáticos 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) Razona por qué la medición en caliente engaña: ¿parece la presión más alta o más baja de la que realmente conviene?

Un aerosol guarda su gas a $3\ \text{atm}$ estando a $27\ \celsius$. Supón que la presión crece en proporción a la temperatura medida en kelvin. El gráfico p-T muestra la situación.

1. a) Expresa $27\ \celsius$ 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 $27\ \celsius$. Calcula la presión real del gas a $54\ \celsius$ y explica por qué no es el doble que al principio: ¿dónde está el truco?

El aire comprimido de un balón de buceo de $12\ \text{L}$ está a $200\ \text{atm}$. Se deja pasar todo ese aire a un tanque de $240\ \text{L}$, a la misma temperatura.

1. a) Calcula la presión que alcanza el aire en el tanque.
2. b) ¿Cuántos balones de $12\ \text{L}$ podrías llenar a esa presión con el aire del tanque?

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) Expresa en kelvin las temperaturas del segundo paso.
3. c) ¿Qué volumen ocupa el gas al final?
4. d) Dibuja en tu cuaderno un esquema con los tres estados y escribe sobre cada flecha el nombre de la ley aplicada.

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

Dos globos idénticos contienen $1\ \text{L}$ de aire a $27\ \celsius$ y $1\ \text{atm}$. El globo A se deja al sol y su aire se calienta hasta $57\ \celsius$, pudiendo expandirse a presión constante. El globo B se sumerge $10\ \text{m}$ en una piscina, donde la presión es de $2\ \text{atm}$ y la temperatura no cambia. El esquema resume los dos casos.

1. a) Calcula el volumen final de cada globo.
2. b) ¿Cuál acaba con mayor volumen?
3. c) Explica, nombrando la ley usada en cada caso, por qué uno se hincha y el otro se encoge.