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) Di 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 rueda 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) Razona 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?

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. Aplica la ley de Boyle, $p_1\cdot V_1=p_2\cdot V_2$, y calcula qué volumen ocupa entonces el aire en la bomba.

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

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

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. La gráfica 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.

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) 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 tienda.

Un buceador 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 globo contiene $2\ \text{L}$ de aire a $27\ \celsius$. Se deja al sol y, expandiéndose a presión constante, alcanza un volumen de $2,2\ \text{L}$.

1. a) Expresa la temperatura inicial en kelvin.
2. b) Calcula la temperatura final del aire en kelvin.
3. c) Exprésala en grados Celsius.

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?

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.