Todos los días, sin darnos cuenta, experimentamos las leyes de la termodinámica de los gases. Cuando inflas una rueda de bicicleta o la válvula de una olla a presión libera un chorro de vapor, el comportamiento del gas sigue una relación fundamental: la ley de los gases ideales. Esta ley, establecida gradualmente por varios físicos, relaciona de manera sencilla tres magnitudes físicas esenciales: la presión, el volumen ocupado por el gas y la temperatura absoluta.
Un gas ideal es un modelo teórico idealizado en el que las moléculas se asimilan a puntos materiales sin volumen propio ni interacciones, excepto colisiones perfectamente elásticas. Su movimiento aleatorio y su agitación térmica relacionan directamente la presión, el volumen y la temperatura, conduciendo a una relación de estado simple y universal: \(PV = nRT\).
Este modelo se denomina "ideal" porque describe con buena aproximación el comportamiento de los gases a baja presión y alta temperatura, cuando las interacciones reales se vuelven despreciables.
Todos los gases físicos son gases reales, y el gas ideal no existe como sustancia. Solo existe como modelo teórico. Pero este modelo no es una ficción arbitraria: es una aproximación límite físicamente bien definida.
Todos los gases existentes se desvían del modelo ideal, porque sus moléculas poseen un volumen propio y ejercen interacciones entre sí. A alta presión, el volumen ocupado por las moléculas ya no es despreciable: el gas se vuelve menos compresible de lo previsto por el modelo ideal. A baja temperatura, las fuerzas de atracción intermoleculares reducen la presión ejercida sobre las paredes.
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 (\(n\)).
Nota:
La temperatura siempre debe expresarse en kelvins en la ecuación. Usar grados Celsius producirá sistemáticamente un resultado falso.
La ecuación de los gases ideales es una aproximación válida a temperatura y presión 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 (\(PV = nRT\)).
Cuando accionas la bomba, ejerces una fuerza para reducir el volumen del gas dentro de la bomba. Según la ecuación de los gases ideales, si el volumen (\(V\)) disminuye mientras se mantiene constante la cantidad de gas (\(n\)), la presión (\(P\)) debe aumentar. Cuando se comprime un gas, libera energía en forma de calor.
El fenómeno por el cual la puerta del refrigerador se vuelve difícil de abrir después de dejarla abierta un tiempo, especialmente en verano, puede explicarse por la ley de los gases ideales (\(PV = nRT\)).
Cuando dejas la puerta del refrigerador abierta durante un tiempo, el aire en su interior se mezcla con el aire caliente ambiental. Esta mezcla de aire caliente aumenta la temperatura dentro del refrigerador. Cuando cierras la puerta, el gas en el interior comienza a enfriarse nuevamente y su presión disminuye. En consecuencia, el aire exterior ejerce una presión mayor sobre la puerta cerrada, lo que dificulta su apertura.
Cuando vuelcas un tarro de mermelada caliente después de cerrarlo, el aire en su interior se enfría rápidamente. Al enfriarse, el aire dentro del tarro se contrae.
Según la ley de los gases ideales (\(PV = nRT\)), 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 temperatura y presión crea una subpresión dentro del tarro en comparación con la presión atmosférica exterior.
Debido a esta subpresión dentro del tarro, se puede escuchar un leve "pop" cuando el tarro se vuelve a colocar 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 presión muy baja que permite crear un sello hermético.
La ecuación de los gases ideales (\(PV = nRT\)) 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 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 esta temperatura de ebullición.
A mayor altitud, la presión atmosférica disminuye en comparación con el nivel del mar. Esto afecta el punto de ebullición del agua, que está íntimamente ligado a la presión ambiental. A gran altitud, donde la presión atmosférica es menor, el agua hierve a una temperatura más baja. Por ejemplo, a 2000 metros sobre el nivel del mar, 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 permanece durante la ebullición. Dado que el agua hierve a una temperatura más baja en altitud, la temperatura a la que se cocina la pasta también es más baja. Como el agua no puede alcanzar las temperaturas más altas que se encuentran a nivel del mar (100°C), la cocción de la pasta en altitud será más lenta.
El funcionamiento de la olla a presión ilustra perfectamente la aplicación de la ley de los gases ideales (\(PV = nRT\)).
Una olla a presión funciona aumentando la presión en su interior. 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. Cuando la presión aumenta (el volumen permanece constante porque la tapa está cerrada), la temperatura de ebullición del agua también aumenta. En otras palabras, en una olla a presión, el agua puede alcanzar una temperatura más alta que 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.
En la ley de los gases ideales (\(PV = nRT\)), las tres variables \(P\), \(V\) y \(T\) están interrelacionadas: modificar una necesariamente afecta al menos a otra. No se puede aumentar la presión en un volumen fijo sin que la temperatura suba. A la inversa, no se puede reducir el volumen a temperatura constante sin que la presión aumente. Del mismo modo, no se puede enfriar un gas confinado sin que la presión disminuya.
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