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FÍSICA II

TERCERA UNIDAD

CALOR Y TEMPERATURA

Propósitos de la asignatura de física II

Promover una educación científica de calidad para el desarrollo integral de

jóvenes de bachillerato, considerando no solo la comprensión de los

procesos e ideas clave de la ciencia, sino incursionar en la forma de

descripción, explicación y modelación propias de la física.

Desarrollar las habilidades del pensamiento casual y del pensamiento

crítico, así como de las habilidades necesarias para participar en el diálogo

y tomar decisiones informadas en contextos de diversidad cultural en el

nivel local, nacional e internacional.

EJE: Expresión experimental del pensamiento matemático

COMPONENETE: Interacción materia - energía

CONTENIDO CENTRAL: Termología

Termodinámica

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EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA

1.- ¿Es lo mismo el concepto de temperatura que el concepto de Calor? ¿Por

qué?

2.- ¿Cuáles son los mecanismos mediante los cuales se propaga el calor?

3.- ¿Si se le aplica calor a una barra de cobre, que sucede con su longitud?

4.- ¿Cuáles son las escalas absolutas de temperatura? ¿Cuáles son las escalas

relativas?

5.- Los cerdos buscan estar en el lodo. ¿Es porque les gusta estar sucios?

6.- ¿Por qué se eligió al mercurio para construir termómetros?

7.- ¿Por qué existen espacios entre los rieles en que circula el ferrocarril?

8.- ¿A cuántos °F equivalen equivale la temperatura ambiente promedio?

9.- Si no deseamos que el calzado no nos apriete el pie y tuviésemos que

adquirirlos en alguna estación del año. ¿En cuál de ellas sería conveniente

comprarlos?

10.- Menciona los materiales que son buenos conductores del calor.

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ACTIVIDADES

INSTRUCCIONES: Previa consulta bibliográfica, de manera individual realiza las

siguientes actividades en tu cuaderno de apuntes.

TAREA 1: Investiga 5 tipos de termómetros (Galileo, Mercurio, Resistencia

Eléctrica, Pirómetro Óptico y termómetro de gas), anota sus características y en

donde se utilizan. (Anexa imagen de cada uno de los termómetros).

TAREA 2: Investiga el nombre de los científicos y los criterios que consideraron

para establecer las escalas de temperatura: °C, °F, K y R.

TAREA 3: Investiga y elabora una ficha técnica de la sangre que incluya:

definición, tipos de sangre, tipo de fluido, densidad, volumen en el cuerpo humano,

velocidad de sedimentación, Ph, presión sanguínea promedio. Además de realizar

un breve comentario sobre las ventajas y desventajas del uso de la sangre artificial.

TAREA 4: Investiga para que se emplea el calorímetro y elabora un esquema de

éste.

TAREA 5: Define Las siguientes unidades de calor: a) Joule b) Caloría c)

BTU d) Ergio e) Kilocaloría

TAREA 6: Anota la definición de las 3 formas de transmisión de calor: Conducción,

Radiación y Convección. (Incluye dibujos)

TAREA 7: Investiga y define lo siguiente:

Leyes de los Gases: a) Ley de Charles, Ley Boyle Mariotte, Ley de Gay

Lussac, y Ley General del estado Gaseoso

Máquina térmica

Primera Ley de la termodinámica

Proceso isocórico

Proceso térmico adiabático

Proceso térmico no adiabático

Segunda Ley de la Termodinámica

Sistemas Termodinámicos

Tercera Ley de la Termodinámica

Termodinámica

Trabajo Termodinámico.

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CALOR Y TEMPERATURA

La sensación de calor o de frío está estrechamente relacionada con nuestra vida cotidiana, es decir, con nuestro entorno; sin embargo el calor es mucho más que eso. Entre los años de 1 600 a 1 700, toda Europa vivió una pequeña era glacial cuando la temperatura fue más baja que en otros periodos de los últimos mil años. En esa época lo más importante era mantenerse caliente. Por lo que, muchas científicos se dedicaron al estudio del calor. Aunque los efectos del fuego se conocen desde la antigüedad, fue hasta el siglo XVIII cuando los científicos comenzaron a diferenciar las características entre un cuerpo frío y uno caliente. Se consideraba, al calor, como un fluido invisible sin sabor, olor ni peso: lo conocían como calórico y de él sólo conocían sus efectos: cuando más caliente estaba un cuerpo más fluido o calórico tenía. La teoría del calórico podía explicar fenómenos como la expansión de los cuerpos al calentarse pero no podía explicar por qué las manos se calentaban al frotarlas entre sí. Finalmente consideraron que el calórico no podía ser creado ni destruido, por lo que no era posible formarlo a partir de alguna cosa ni podía ser sustituido por otra.

A fines del siglo XVIII se descubrió que la fricción produce calor. Años después se demostró que cuando se proporciona energía, ya sea por fricción, corriente eléctrica, radiación o cualquier otro medio, para producir trabajo mecánico, éste puede ser transformado en una cantidad equivalente de calor. Con estos descubrimientos se desechó la Teoría del Calórico para explicar que era el calor:

Nuestro cuerpo puede sentir la diferencia de temperatura. El término calor es utilizado comúnmente en expresiones como ¡hace mucho calor! ¡Está muy caliente! ¡Está frío! , el Calor se define como: la energía que fluye o se transfiere entre los cuerpos de mayor temperatura a los de menor.

La energía a que nos referimos es la energía calorífica. En forma

experimental se ha comprobado que el flujo de energía calorífica cesa cuando se

igualan las temperaturas de los dos cuerpos. Es decir se logra el equilibrio

térmico. El calor no permanece en reposo, pasa constantemente de los cuerpos

de mayor a los de menor temperatura.

Temperatura: Es la propiedad que determina si un sistema se encuentra o

no en equilibrio térmico con otros sistemas. La temperatura es una magnitud

física que indica qué tan caliente o frío está una sustancia, es decir, es la medida

de su estado relativo de calor o frío. El calor se transmite en el vacío, la

temperatura sólo se manifiesta en la materia.

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TERMOMETRÍA

Generalmente los seres humanos estamos familiarizados con las medidas

de temperatura. Por ejemplo, si tienes fiebre, colocas un termómetro en tu boca y

esperas dos o tres minutos. El termómetro te proporciona una medida de la

temperatura de tu cuerpo. ¿Qué está sucediendo? Tu cuerpo está caliente

comparado con el termómetro, lo que significa que las partículas de tu cuerpo

tienen una energía térmica mayor. Cuando el vidrio frío del termómetro toca tu

cuerpo más caliente, las partículas de tu cuerpo golpean las partículas del vidrio.

Estas colisiones, transfieren energía a las partículas de vidrio, y aumenta la

energía térmica de las partículas que conforman el termómetro. A medida que las

partículas de vidrio adquieren más energía, comienzan a transferir energía de

vuelta a tu cuerpo, hasta que la tasa de transferencia mutua de energía entre el

vidrio y tu cuerpo es la misma. Tu cuerpo y el termómetro están en equilibrio

térmico. Es decir, el termómetro y tu cuerpo están a la misma temperatura.

La Termometría es la parte de la Física que se ocupa de la medición de la

temperatura de los cuerpos.

Al instrumento empleado para la medida de la temperatura se le conoce

como: TERMÓMETRO (el cual tiene una escala graduada). La temperatura es una

medida de la energía cinética media de las moléculas que conforman un cuerpo o

sustancia. Nos indica que tan caliente o frio esta un objeto.

EJERCICIOS

1. Si la temperatura interior de un automóvil con sistema de aire acondicionado es de 10 o C. ¿Cuál será su temperatura en la escala Fahrenheit?

2. La temperatura de fusión del Bromo es de 19 o F y la de ebullición 140o F. Expresar estas temperaturas en grados Celsius.

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3. La temperatura normal del cuerpo humano es de casi 37o C. Expresa esta

temperatura en: a) la escala Kelvin. b) Escala R c) Escala °F

4.- La superficie del sol tiene una temperatura de 6000 °C. Exprese esta

temperatura en °F, K y R

5.- Cuál es la equivalencia de 80 K en °F, °C y R?

6.- El petróleo crudo que entra al oleoducto de Alaska tiene una temperatura de

112 °F. Después de recorrer la distancia aproximada de 1300

Km en casi 12 días, su temperatura baja a 57°F ¿Cuantos

grados Kelvin se enfría el crudo en su viaje?

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DILATACIÓN TÉRMICA

En nuestras actividades diarias, nos encontramos que cuando variamos la

temperatura de un cuerpo éste cambia de tamaño: si dejamos un globo al sol,

este se revienta, cuando caminamos mucho se nos hinchan los pies y, por el

contrario, un clavo incrustado en madera al congelarlo podemos sacarlo con los

dedos, una varilla podemos reducirla de tamaño si la ponemos un rato en agua

con hielo, etc. Sin embargo, si ustedes congelan agua... ¿qué sucede ?... al

disminuir la temperatura ¡el agua aumenta de tamaño!

La Dilatación se define como la variación en las dimensiones, que

experimentan los cuerpos al variar su temperatura.

De acuerdo con los diferentes estados físicos en que se presenta la materia en la naturaleza observamos que la dilatación se puede clasificar en:

Dilatación lineal

Dilatación superficial

Dilatación volumétrica

Dilatación anómala del agua

Dilatación Lineal

La dilatación lineal es el incremento en la dimensión lineal que experimentan los cuerpos sólidos al aumentar su temperatura. Esta dilatación se debe a que la elevación de la temperatura produce un aumento en la distancia promedio entre los átomos.

L Variación de la longitud (m) coeficiente de dilatación

lineal (°C-1 )

0L Longitud inicial de la barra (m) T = Variación de la

temperatura (°C)

Lf = L0 ( 1+α ΔT)

8

El coeficiente de dilatación lineal (α), es el incremento lineal que

experimenta una varilla de determinado material, de longitud igual a la unidad, al

elevarse su temperatura un grado centígrado.

Es un valor específico para cada material, lo que provoca que se dilaten en

diferentes proporciones, ya que las fuerzas con que se unen los átomos y las

moléculas varían de una sustancia a otra. Se representa con la siguiente

expresión:

EJERCICIOS 1.- Un puente de acero tiene 0.8 km de longitud. ¿Qué longitud tendrá cuando la temperatura aumente de 12 ºC a 40 ºC?. 2.- En un experimento para determinar el coeficiente de dilatación térmica lineal del hierro, una barra de 50 cm de este material se ha calentado de la temperatura ambiente a 608 °F. El incremento de la longitud fue de 1.5 mm. ¿Cuál es el valor del coeficiente de dilatación térmica del hierro? 3.- Una barra de cobre mide 5m a la temperatura ambiente. Que longitud tendrá cuando el termómetro registre una temperatura de 323 K

TL

L

0

9

La Dilatación Superficial: Es el incremento de área o superficie que experimenta

un cuerpo al incrementar la temperatura

Introduciendo la constante de proporcionalidad ( ) la ecuación queda:

Como: 0AAA f

Sustituyendo en la ecuación anterior, obtenemos:

)1(0 TAAf

Donde:

A Variación en el área de la placa (m2 )

Coeficiente de dilatación superficial (°C-1 )

0A Área inicial de la placa (m2 )

T Variación de la temperatura (°C)

fA Área final de la placa (m2 )

El Coeficiente de Dilatación Superficial ( ), es el incremento en el área que

experimenta una placa de determinado material, de superficie igual a la unidad, al

elevarse su temperatura un grado centígrado. Es específico para cada material y

no se necesitan tablas ya que el valor se obtiene multiplicando por dos el

coeficiente de dilatación lineal.

2

La Dilatación Volumétrica.

Es el incremento en volumen que experimenta un cuerpo al incrementar

su temperatura. El coeficiente de dilatación volumétrica es un valor específico

TAA 0

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para cada material, nos indica la capacidad que tiene un cuerpo para variar su

volumen al aumentar o disminuir su temperatura y se ha demostrado que

numéricamente el valor de éste coeficiente es tres veces mayor que el valor del

coeficiente de dilatación lineal.

TVV 0

3

EJERCICIOS:

1.- Calcular el área final que tendría la plataforma de acero de un tráiler, cuya superficie es de 15.4 m2 a una temperatura de 13 o C, al transportar su carga de la ciudad de Toluca a Culiacán en un día cuya temperatura se eleva hasta 48 o C.

2.- Un frasco de vidrio de 1.5 litros, se llena completamente con mercurio a una temperatura de 18º C y se calienta hasta 100 º C ¿Cuánto mercurio se derrama del frasco? 3.- Una placa rectangular de plomo tiene un área de 5 m2 a 290 K. ¿Cuál será se superficie final 30°C? Datos

0V 1.5 lts

T 82 ºC 16109 Cx

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CONSIDERACIONES PRÁCTICAS:

El conocimiento de estos tipos o formas de dilataciones que

sufren los sólidos, ha sido de gran utilidad sobre todo en el área de la construcción.

Como la temperatura ambiente cambia de forma continua durante el día, cuando

se construyen vías de ferrocarril, puentes de acero, estructuras de concreto

armado, y en general cualquier estructura rígida, se deben dejar huecos o

espacios libres, llamados juntas de dilatación, que permitan a los materiales

dilatarse libremente para evitar rupturas o deformaciones que pongan en peligro la

estabilidad de lo construido

DILATACIÓN IRREGULAR DEL AGUA

Por otra parte, los líquidos también se dilatan siguiendo las mismas leyes de dilatación que los sólidos (En la dilatación de gases se debe tomar en cuenta, además de la temperatura y volumen, la presión).

El agua no cumple con las leyes de la dilatación. Al aumentar su

temperatura de 0oC a 4 ºC se contrae en lugar de dilatarse, después al continuar aumentando la temperatura se empieza a dilatar, por lo que se consideran los 0oC a 4 ºC como la temperatura en la que el agua alcanza su mayor densidad.

Debido a este comportamiento el hielo flota sobre el agua, ya que la

densidad de ésta varía al incrementarse la temperatura. Un ejemplo lo tenemos en

los lagos y mares de lugares muy fríos: el hielo queda en la superficie y, debajo de

él encontramos agua a 4 ºC, lo que permite la vida de plantas y animales en

esas regiones de aguas congeladas. En la siguiente figura se pueden observar

los tres estados físicos del agua:

a) Aire frío (gas) a menos 20ºC. b) Hielo (sólido) a 0oC. c) Agua (líquido) a 4 oC.

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CALORIMETRIA

Cotidianamente estamos en contacto directo con los cuerpos de diferentes

temperaturas, somos capaces de establecer diferencias entre lo caliente y lo frío,

pero no podemos determinar la cantidad de calor que poseen los cuerpos por el

simple contacto con ellos, necesitamos de algo más. Así como la Termometría

nos muestra las escalas para la medición de la temperatura, la Calorimetría nos

muestra las unidades para cuantificar el calor.

La calorimetría es la rama de la física que estudia la medición de las

cantidades de calor, ó sea las cantidades de energía que intervienen en los

procesos térmicos. La unidad de calor apropiada en el sistema S.I. es el Joule. Sin

embargo se utiliza todavía con mucha frecuencia: la caloría, el BTU, Kcal y los

ergios.

Cuando dejas un bate de aluminio de béisbol al sol, al quererlo tomar lo

sueltas inmediatamente? Porque está caliente y te quemas la mano. ¿Qué fue lo

que sucedió? El bate incrementó su temperatura por el tiempo que estuvo

expuesto al sol. ¿Pasaría lo mismo si fuera de otro material? Cada material

posee diferentes capacidades de incrementar su temperatura, en relación con el

tiempo de exposición a la fuente de calor.

Capacidad Calorífica. Es la relación del calor suministrado con respecto al

correspondiente incremento de temperatura del cuerpo.

Cuando el calor fluye a un objeto, su energía térmica se incrementa al igual

que su temperatura, en relación con su tamaño y el material con que está hecho.

Los valores constantes que nos permiten determinar estas cantidades de calor, se

conocen como calor específico del material.

T

QC

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El calor especifico, es la cantidad de calor necesaria para elevar un grado

la temperatura de una unidad de masa.

Tm

QCe

EJERCICIOS

1.- Un bloque metálico se encuentra inicialmente a una temperatura de 30 °C. Al

recibir una cantidad de calor de 390 calorías. ¿Cuál es el valor de la capacidad

térmica?

2.- Un bloque de vidrio cuya masa es de 180 g y se sabe que su capacidad térmica es de 36 cal/°C. ¿Cuál es el valor del calor específico del vidrio?

3.- En una esfera de metal se encontró que su masa es de 15 g. Y su cantidad de calor es 8.5 cal y su diferencia de temperatura es de 10°C. ¿Cuál es el valor del calor específico?

¿De qué material es la esfera? (Ya que obtengas el resultado de la pregunta anterior, localiza el material en la tabla de Calores Específicos.)

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4.- Un bloque de cobre cuya masa es de 250g, absorbe calor y su temperatura se eleva de 20°C a 150 °C. ¿Cuál es la cantidad de calor absorbida por el bloque? 5.- Calcular las calorías de un cuerpo que absorbió 2000J. ¿A cuántos BTU equivalen? 6.- Un acondicionador de aire extrae 5200 BTU de una habitación caliente. ¿A cuánto equivale dicha energía en Joules? 7.- ¿Cuál es el calor específico de un cuerpo cuya masa es de 400 gr? Si se necesitan 0.090 KCal para elevar su temperatura de 15°C a 18°C 8.- Cierta cantidad de cobre absorbe 4000 cal de energía y su temperatura aumenta un total de 80°C. Determina la masa.

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Cuando proporcionamos calor a un cuerpo y se eleva su temperatura, ya

sabemos que hay un aumento en la energía de agitación de sus átomos. Este

incremento hace que la fuerza de cohesión de los átomos se altere, ocasionando

modificaciones en su organización y separación. La absorción de calor por parte

de un cuerpo puede provocar en él, un cambio de fase. Los cambios de fase o

cambios provocados por el calor que pueden ocurrir en una sustancia, reciben

denominaciones especiales.

Fusión: cambio de sólido a líquido.

Solidificación: cambio de líquido a sólido.

Vaporización: cambio de líquido a gas.

Condensación (o licuefacción): cambio de gas a líquido.

Sublimación: Cambio directo de sólido a gas o de gas a sólido sin pasar por el

estado líquido.

SÓL IDO LÍQUIDO GAS

GAS

FUSIÓN VAPORIZACIÓN

CONDENSACIÓN

SUBLIMACIÓN

SUBLIMACIÓN

SOLIDIFIC ACIÓN

CAMBIOS PROVOCADOS POR EL CALOR

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Calor Latente de fusión (Lf ), es el calor por unidad de masa necesario

para cambiar la sustancia de la fase sólida a la líquida a su temperatura de fusión.

El término latente, surge del hecho de que la temperatura permanece

constante durante el proceso de fusión.

El calor latente de vaporización (Lv)., es el calor por unidad de masa

necesario para cambiar la sustancia de líquido a vapor a su temperatura de

ebullición.

m

QLv

Lf = calor latente de fusión (Cal/g°C)

Lv = calor latente de vaporización (Cal/g°C)

Q = cantidad de calor (Cal)

m = masa (g)

EJERCICIOS

1.- ¿Qué cantidad de calor se necesita para transformar 50 g de hielo de -5 oC

a vapor a 100oC? Especifica las calorías necesarias para cada cambio de Estado.

2.- Si 4 Kilogramos de mercurio se encuentran a la temperatura ambiente y se desean transformar a vapor a 358°C. ¿Cuánto calor se requiere aplicar? 3.- Determina la cantidad de calor que se requiere para transformar agua de 15°C a vapor a 100°C.

m

QLF

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PROPIEDADES DE LOS GASES

La construcción y manejo de un globo para desfiles requiere conocimiento

de las Leyes de los Gases. Antes de construir éste globo se determina su

volumen. Conociendo el volumen preciso del globo, los ingenieros calculan la

masa de una mezcla aire-helio necesario para inflarlo y mantenerlo a volumen

constante y a una temperatura dada. ¿Qué factores deben tomarse en cuenta

para el llenado de éste globo en diferentes épocas del año?

Un gas se caracteriza, fundamentalmente por carecer de una forma definida

y ocupar todo el volumen del recipiente que lo contiene, esto se debe a que sus

moléculas están muy separadas una de las otras. Los gases están constituidos

por moléculas independientes como si fueran esferas elásticas en constante

movimiento, chocando entre sí y contra las paredes del recipiente que los

contiene. Si la temperatura de un gas aumenta, la agitación de sus moléculas se

incrementa y en consecuencia se eleva la presión. Pero, si la presión permanece

constante, entonces aumentará el volumen ocupado por el gas. Por otra parte, si

un gas se comprime, se incrementan los choques entre sus moléculas y, por lo

tanto, se eleva la cantidad de calor producida.

Todos los gases pueden pasar a tener un estado líquido si se les comprime

a una temperatura inferior a su temperatura crítica, y se les llama gases licuados.

Por ejemplo, en los tanques de gas butano que usan en tu casa, en los dirigibles,

en los tanques de oxígeno líquido usados en los talleres para soldar, en los

tanques de oxígeno usados en los hospitales, en el envasado de refrescos, en los

aerosoles (desodorantes, pinturas, fijadores de cabello, etc.).

Los gases se dilatan 1/273 de su volumen inicial cada vez que su

temperatura aumenta un grado centígrado o en un grado Kelvin (cuyas divisiones

tienen la misma magnitud), por lo que se considera el valor 1/273 como el

coeficiente de dilatación de los gases. Dado que en el S.I. las temperaturas de

estos se miden en Kelvin.

¡BÁJENLO!

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Para determinar el estado de un gas se deben considerar tres magnitudes

físicas para una masa dada en un gas: presión, volumen y temperatura. Las

leyes que rigen esta transformación son:

En base al diagrama anterior, cuando un gas es sometido a una

transformación en la cual su temperatura se mantiene constante, se dice que ésta

es una transformación isotérmica, y solo observamos variaciones en su presión y

su volumen.

En 1662, el inglés Robert Boyle, que es considerado el padre de la química

moderna, llevó a cabo un estudio de los gases respecto a los cambios de su

volumen, como consecuencia de las variaciones en la presión aplicada,

enunciando la siguiente ley que lleva su nombre: “Cuando la temperatura de una

masa dada de un gas permanece constante, el volumen ocupado por un gas

es inversamente proporcional a la presión aplicada”

La definición de la Ley de Boyle significa que cuando un gas se puede dilatar

o contraer, la presión dentro del gas varía en proporción inversa con el volumen; es

decir, si se duplica el volumen, la presión baja a la mitad, y viceversa.

P1 V1 = P2 V2

P V

T

(P Cte.) CHARLES GAY-LUSSAC (V Cte.)

(T Cte.)

BOYLE

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EJERCICIOS

1.-Una masa de helio contenida en un globo de 0.4 m3, soporta una presión de

49 x 10- 5 2m

N en su estado inicial. ¿Cuál será su volumen al duplicar la

presión?

2. ¿A qué presión se encontrará un gas confinado a un volumen de 2.6 m3?, si su presión

es de 5 x 105 2m

N y su volumen es de 1.0 m3 a temperatura constante.

El primero en hacer mediciones acerca de los gases que se expanden al

aumentar su temperatura fue el científico francés Jacques Alexandre César

Charles, aproximadamente en 1787, y enunció una ley que lleva su nombre:

“Para una masa dada de un gas cualquiera, el volumen que ocupa es

directamente proporcional a su temperatura si la presión se mantiene

constante”

Matemáticamente esta ley se enuncia como:

2

2

1

1

T

V

T

V

20

EJERCICIOS:

1.-¿Qué volumen ocupará un gas ideal a una temperatura de 70o C, confinado en

una llanta de, si a 7o C ocupa un volumen de 0.6 m3?.

2.- El gas de un globo aerostático, ocupa un volumen de 3 m3 a una temperatura

de 25 oC, ¿A cuántos grados centígrados alcanzará los 5 m3, si se mantiene el

sistema a presión constante?

El científico francés Joseph Louis Gay – Lussac, aproximadamente en 1

802, encontró la relación existente entre la temperatura y la presión de un gas

cuando el volumen del recipiente que lo contiene permanece constante, a través

de la siguiente ley que lleva su nombre: Si el volumen de una masa dada de un

gas permanece constante, las presiones ejercidas por éste sobre las paredes

del recipiente que lo contiene son proporcionales a sus temperaturas

absolutas.

EJERCICIO El gas confinado en un tanque de buceo, se encuentra a la presión absoluta de 2.21 atmósferas a la temperatura ambiente de 30 ° C, ¿ Qué temperatura adquiere si se le somete a una presión absoluta de 3.1 atmósferas?

a. En grados Kelvin b. En Centígrados grados

2

2

1

1

T

P

T

P

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En el comportamiento de los gases, se tiene un valor constante cuya

determinación se la debemos al Físico italiano Amadeo Avogadro, quien en 1811 formuló

una hipótesis para el número de moléculas de un gas confinado en un recipiente: se

toman dos porciones de gases diferentes y se colocan en dos recipientes de igual

volumen a la misma temperatura y presión y el número de moléculas de cada recipiente

debe ser el mismo. Numerosos experimentos han demostrado esta ley.

La Ley de Avogadro establece:” Volúmenes iguales de gases diferentes a

la misma presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas”. El

valor del número de Avogadro, fue determinado por Jean-Baptiste Perrin, y es una

cantidad constante para todos los gases, muy útil en los cálculos realizados en las

reacciones químicas.

ECUACIÓN DEL ESTADO DEL GAS IDEAL

Es un gas hipotético que permite hacer consideraciones prácticas que facilitan los cálculos matemáticos. Se caracteriza por que sus moléculas están muy separadas unas de otras, razón por la cual carecen de forma y ocupan el volumen del recipiente que lo contiene y son sumamente compresibles debido a la mínima fuerza de cohesión entre sus moléculas.

NÚMERO DE AVOGADRO

Para volúmenes iguales de gases diferentes en condiciones normales de presión y temperatura ( 1 atm y 273 K), el número de moléculas es:

23 x 1023

por cada mol de cualquier gas.

Las propiedades de los gases tienen muchas aplicaciones en la industria.

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LEY GENERAL DEL ESTADO GASEOSO

Con base en las leyes de BOYLE, CHARLES y GAY LUSSAC, se estudia la

dependencia existente entre dos propiedades de los gases, conservándose las

demás constantes, esto parte de la consideración que la relación T

PV, será

siempre constante.

Y se representa.

Donde 111, ,TVP pueden considerarse como las condiciones del estado inicial y

( 222 yTV,P ) las condiciones del estado final. Por lo tanto la Ley General de Estado

Gaseoso establece que para una masa dada de un gas, su relación T

PV siempre

será constante.

EJERCICIOS

1. Calcular el volumen que ocupará 75 L de aire a 4 atm y 100 ºC , que se pasan a condiciones normales (presión = 1 atm, temperatura = 0 ºC )

2. Una masa de hidrógeno gaseoso ocupa un volumen de 3 L. a una temperatura de 42 ºC y una presión absoluta de 684 mm de Hg. ¿ Cuál será su presión absoluta si su temperatura aumenta a 58 ºC y su volumen es de 3.5 L ?

LEY GENERAL DEL ESTADO GASEOSO

El volumen ocupado por la unidad de masa de un gas, es directamente proporcional a

su temperatura absoluta, e inversamente proporcional a la presión soportada.

2

22

1

11

T

VP

T

VP

23

3.- Un gas que está dentro de un recipiente de 6 litros se le aplica una presión absoluta de 1265 mm de Hg y su temperatura es de 14 ºC. ¿Cuál será su temperatura si ahora recibe una presión absoluta de 940 mm de Hg y su volumen es de 4.8 L?

Debido a ello, en un gas ideal el volumen ocupado por sus moléculas es

mínimo en comparación con el volumen total, por este motivo no existe atracción

entre sus moléculas. Es evidente que en caso de un gas real sus moléculas

ocupan un volumen determinado y existe atracción entre las mismas. Sin

embargo, en muchos casos estos factores son insignificantes y el gas puede

considerarse como ideal.

LA CONSTANTE UNIVERSAL DE LOS GASES

De la Ley General del Estado Gaseoso sabemos que: El valor de K se encuentra

determinado en función del número de moles(n) del gas en cuestión:

PV = n R T

Donde: m = masa del gas PM = peso molecular del gas P = presión absoluta a la que se encuentra el gas. (atm) V = volumen ocupado por el gas. (m

3)

n = número de moles del gas. (mol) T = temperatura absoluta. (K)

R = es la constante Universal de los gases. (8.314J/mol K) molK

atmLR 0821.0

GAS IDEAL

Un gas ideal es un gas hipotético (modelo perfecto) que permite hacer consideraciones

prácticas que facilitan algunos cálculos matemáticos. Se le supone conteniendo un número

pequeño de moléculas, por tanto, su densidad es baja y su atracción intermolecular es nula.

PM

mn

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EJERCICIOS

1. ¿Qué volumen ocuparán 7 moles de bióxido de carbono (CO2) a una

temperatura de 36 ºC y 830 mm de Hg?

2. Una masa de hidrógeno gaseoso (H2) ocupa un volumen de 180 litros en un depósito a una presión 0.9 atmósferas y una temperatura de 16 ºC. Calcular:

a) ¿Cuántos moles de hidrógeno se tienen?

b) ¿A qué masa equivale el número de moles contenidos en el depósito?

3. ¿Cuántos moles de gas helio (He) hay en un cilindro de 8 litros, cuando la presión es de 2.5 x105 N/m² y la temperatura es de 37ºC ? ¿Cuál es la masa del helio.

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EJERCICIOS PROPUESTOS

1. Un tanque de buceo se considera un recipiente hermético, si lo llenamos con

2m3 de aire comprimido a una presión de 764 Pa a una temperatura

ambiente de 29 oC. ¿Qué presión soportaría si la temperatura disminuye a 22 oC? R. P2 = 746.291 Pa

2. La presión que actúa sobre 0.63 m3 de un gas a 28 oC, se mantiene constante al variar su temperatura hasta 34 oC . ¿Qué nuevo volumen ocupará el gas? R. V2 = 0.642 m3

3. En el manómetro de un tanque de gas, con émbolo móvil, de 200 L, se lee una presión de 2000 KPa. en un día de verano cuya temperatura es de 36 ºC. ¿Cuál será su volumen en un día de invierno a una temperatura de 12

ºC, si la presión disminuye a 1060 KPa? R. V 348.049 L.

4. Un tanque de 30 L. contiene una muestra de un gas bajo una presión absoluta de 3x105 N/m² y una temperatura de 48 ºC. ¿Cuánto aumentará la presión si la misma muestra de gas se coloca en un recipiente de 10 litros y se enfría hasta una temperatura de 10 ºC?

R. P 7.934 x 105 Pa

5.- ¿Qué volumen ocupan 2 moles de un gas en condiciones normales?

Respuesta: V= 44.826 L.

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6.- ¿Cuántas moléculas hay en 1 cm3 de gas en condiciones normales ? (N.A= 6.023 X1023 moléculas/mol )

RESPUESTA. n=4.461x10-5 mol n=26.868 x 1018 moléculas

7.- ¿Cuántos gramos de oxígeno ocupa un volumen de 2300 L. a una presión de

2 atm y 190 ºC ? ( PM del oxígeno es de mol

g32 ).

Respuesta: m= 3872.416 g

8.- ¿Cuál es la masa molecular de 2694 g. que tiene un volumen de 1600 L. a una presión de 2 atm y una temperatura de 190 ºC ?

Respuesta: m=32 mol

g

9.- ¿Calcular el volumen ocupado por 8 g. de oxígeno en condiciones normales?

Respuesta: V=5603.325 cm3

10.- Un tanque de 690 L. de volumen, contiene oxigeno a 30 ºC y 5 atm de presión. Calcular la masa del oxígeno en el tanque.

27

CONEXIONES

Agujeros en la capa de ozono

El químico estadounidense de origen mexicano Mario Molina Henríquez,

egresado de la UNAM, denunció en 1974 el peligro de que los clorofluocarbonos

pudieran dañar la ozonosfera (capa de ozono situada entre los 15 y 30 km de

altitud). Entre las sustancias más dañinas está el freón, que se utilizaba como

refrigerante, como formador de burbujas en el proceso de fabricación de espumas

plásticas y como propelente en los envases de aerosoles. La predicción se ha

visto confirmada en los últimos años con la detección de agujeros en la capa de

Ozono sobre los Polos Norte y Sur. Por su trabajo Mario Molina recibió el Premio

Nobel de Química en 1995.

Actividad de aprendizaje

En equipos de 5 integrantes realiza una investigación referente al efecto

invernadero. Al final elaboren un resumen que describa las características del

fenómeno, así como el conjunto de fenómenos y conceptos que intervienen.

Den respuesta a las siguientes preguntas:

1.- ¿Qué formas de transferencia de calor intervienen en el efecto invernadero?

Describe con claridad en que situaciones se presentan.

2.- ¿Cómo se modifica la temperatura de una región debido al efecto invernadero?

3.- Determina la manera en que la primera o segunda Ley de la Termodinámica

ayuda a explicar el fenómeno del efecto invernadero.