Descripción de la imagen: La relación entre presión, volumen y temperatura se describe mediante la ley de los gases ideales. Por ejemplo, si la temperatura disminuye a volumen constante, la presión también disminuye.
La ley o ecuación de los gases ideales es una de las más fundamentales en termodinámica. Relaciona cuatro variables importantes para describir un gas: la presión (\(P\)), el volumen (\(V\)), la temperatura (\(T\)) y la cantidad de gas (\(n\)).
La ecuación de los gases ideales permite modelar el comportamiento de los gases ideales, que son aquellos cuyas partículas no interactúan entre sí, excepto por las colisiones. Este modelo es una aproximación válida a temperaturas y presiones moderadas, donde los gases reales se comportan casi como gases ideales.
La ecuación nos dice que, para una cantidad dada de gas (\(n\)) y una temperatura constante (\(T\)), la presión y el volumen están inversamente relacionados. Esto significa que si aumentas el volumen, la presión disminuye, y viceversa, siempre que la temperatura y la cantidad de gas permanezcan constantes.
Cuando usas una bomba de bicicleta, la presión del gas dentro de la bomba aumenta a medida que comprimes el aire. El efecto térmico observado, es decir, que la bomba se calienta, es una consecuencia directa de la ley de los gases ideales.
Cuando accionas la bomba, aplicas una fuerza para reducir el volumen del gas dentro de la bomba. Según la ecuación de los gases ideales, si el volumen (V) disminuye manteniendo constante la cantidad de gas (n) y el número de moles constante, la presión (P) debe aumentar. Cuando se comprime un gas, libera energía en forma de calor.
El fenómeno donde la puerta del refrigerador se vuelve difícil de abrir después de haberla dejado abierta un rato, especialmente en verano, puede explicarse mediante la ley de los gases ideales.
Cuando dejas la puerta del refrigerador abierta durante un tiempo, el aire dentro del refrigerador se mezcla con el aire caliente del ambiente. Esta mezcla de aire caliente aumenta la temperatura dentro del refrigerador. Cuando cierras la puerta, el gas dentro del refrigerador comienza a enfriarse nuevamente y su presión disminuye. Sin embargo, el aire exterior ejerce una presión mayor sobre la puerta cerrada, lo que hace que sea más difícil abrirla.
Cuando volteas un tarro de mermelada caliente después de haberlo cerrado, el aire dentro del tarro experimenta un enfriamiento rápido. Al enfriarse, el aire dentro del tarro se contrae.
Según la ley de los gases ideales, si la temperatura disminuye a volumen constante, la presión dentro del tarro también disminuye. Esto ocurre porque el gas pierde energía cinética y las moléculas de aire ocupan menos espacio. Esta reducción de la temperatura y la presión crea una subpresión dentro del tarro en comparación con la presión atmosférica exterior. Debido a esta subpresión, se puede escuchar un ligero «pop» cuando se voltea el tarro y la tapa se deforma ligeramente hacia adentro. Esto ocurre porque la presión exterior es mayor que la presión dentro del tarro. Este fenómeno no es un vacío perfecto, sino una baja subpresión que crea una especie de sellado hermético alrededor de la tapa.
La ecuación de los gases ideales muestra que la presión está directamente relacionada con la temperatura y el volumen en un gas. En el caso de la ebullición del agua, el vapor de agua se escapa desde la superficie del agua. Cuando la presión del vapor de agua iguala la presión atmosférica, se alcanza el punto de ebullición y la evaporación mantiene esa temperatura de ebullición.
A gran altitud, la presión atmosférica disminuye con respecto a la del nivel del mar. Esto afecta el punto de ebullición del agua, que está íntimamente relacionado con la presión ambiente. A gran altitud, la presión atmosférica es más baja, por lo que el agua hierve a una temperatura más baja. Por ejemplo, a 2000 metros de altitud, el agua hierve a unos 93°C, y a 4000 metros, a 86°C.
La cocción de la pasta depende de la temperatura a la que el agua se mantiene durante la ebullición. Como el agua hierve a una temperatura más baja en altitudes elevadas, la temperatura a la que se cocinan las pastas también es más baja. Dado que el agua no puede alcanzar las temperaturas más altas que se encuentran al nivel del mar (100°C), la cocción de la pasta a gran altitud será más lenta.
El funcionamiento de la olla a presión puede explicarse utilizando la ley de los gases ideales, particularmente la relación entre presión, temperatura y volumen.
Una olla a presión funciona aumentando la presión dentro de la olla, lo que eleva la temperatura a la que el agua dentro puede hervir. A medida que el agua se calienta, su temperatura aumenta y el vapor de agua genera una presión cada vez mayor dentro de la olla a presión.
A temperatura constante, si se aumenta la presión (el volumen permanece constante ya que la tapa está cerrada), la temperatura de ebullición del agua también aumenta. Es decir, en la olla a presión, el agua puede alcanzar una temperatura superior a los 100°C antes de comenzar a hervir. Por ejemplo, a una presión de aproximadamente 2 bares (el doble de la presión atmosférica), el agua hierve a unos 120°C.
La ley de los gases ideales nos muestra que la temperatura a la que un gas (o aquí el vapor de agua) hierve depende directamente de la presión. A una mayor presión, la temperatura a la que las moléculas de agua tienen suficiente energía para pasar del estado líquido al estado gaseoso (vapor) aumenta.
La ecuación \( PV = nRT \) ofrece una visión simple pero poderosa del comportamiento de los gases. Aunque no es aplicable en todos los casos (por ejemplo, para gases a alta presión o baja temperatura), constituye la base de muchos estudios en termodinámica y sigue siendo una herramienta fundamental para físicos e ingenieros.
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