Gases (física): definición, propiedades y ejemplos

El aire que respiramos y por el que nos movemos a diario, el helio en nuestros globos de cumpleaños y el metano que se usa para calentar el hogar son ejemplos comunes de gases. El gas es uno de los tres estados principales de la materia, junto con los sólidos y los líquidos.

Los estados de la materia difieren según el tamaño de las partículas, una consecuencia de la cantidad de energía cinética que tienen, lo que da como resultado características distintas.

En su estado sólido, la materia es la más compacta. Las moléculas de un sólido se mantienen unidas mediante enlaces atómicos y atracciones. Como resultado, vibran en su lugar en lugar de fluir libremente. Los sólidos tienen formas y volúmenes definidos y no se comprimen fácilmente; es decir, mantienen bastante bien su forma.

En su estado líquido, la materia está menos empaquetada que en un sólido, gracias a enlaces intermoleculares más débiles. Cuando en presencia de un campo gravitacional, un líquido tomará la forma de su recipiente; en ausencia de gravedad, adquiere formas esféricas.

En su estado gaseoso, la materia experimenta interacciones débiles consigo misma. Las partículas pueden moverse con bastante libertad. Como resultado, los gases adquieren la forma y el volumen de cualquier recipiente en el que se encuentren. Abre el horno después de hornear un bizcocho, y el gas que había dentro se esparcirá por toda la casa para que el bizcocho se pueda oler desde todas las habitaciones.

El estado más reciente de la materia conocido por los físicos es el plasma, una condición en la que los átomos que forman la materia se descomponen. El plasma se produce solo a temperaturas y presiones extremas, como las que se encuentran en el centro del sol. Debido a que los electrones se eliminan de los átomos en estas condiciones, un plasma termina siendo una mezcla de electrones libres, los iones con carga positiva sobrantes y los átomos neutros. En términos de comportamiento, un plasma actúa como un gas, pero debido a las cargas involucradas, también tiene propiedades electromagnéticas.

La materia puede cambiar de un estado a otro dependiendo de las condiciones de presión y temperatura. Tal transformación se conoce como cambio de fase. Por ejemplo, el agua sólida en forma de hielo cuando se calienta hasta su punto de ebullición se derretirá en agua líquida, que a su vez se evaporará en vapor de agua con aún más calor agregado.

Lo opuesto a la evaporación es la condensación. Cuando un gas se condensa, se vuelve líquido.

Un sólido puede pasar directamente a un estado gaseoso de materia al someterse sublimación. La sublimación ocurre cuando un sólido está a una presión particular por debajo de su punto triple en un diagrama de fase. Por ejemplo, el hielo seco (dióxido de carbono sólido) se sublima cuando se calienta en una atmósfera, a diferencia del hielo "normal" (agua) que simplemente se derrite en líquido cuando se calienta en una atmósfera.

La descripción física formal de un gas es una sustancia que no tiene un volumen definido (también llamado volumen fijo) o una forma definida. En cambio, un gas tomará la forma de su contenedor porque las moléculas de gas pueden moverse libremente unas sobre otras.

Un famoso problema hipotético creado por el destacado físico de partículas Enrico Fermi ayuda a ilustrar esto. Fermi pidió a sus estudiantes que calcularan cuántas moléculas del último aliento de César puede esperar encontrar un ser humano de hoy con cada una de sus propias inhalaciones. Suponiendo que el último aliento del emperador romano se haya distribuido uniformemente por todo el mundo a estas alturas (y no haya sido reabsorbido por el océano o plantas), los cálculos muestran que los seres vivos de hoy inhalan aproximadamente una molécula de su último aliento con cada uno de los suyo.

Aunque un líquido también puede tomar la forma de su recipiente, un líquido no cambia su volumen sin ayuda. Pero un gas siempre se esparcirá para llenar su recipiente y, a la inversa, se puede comprimir en un recipiente más pequeño.

Una medida importante para describir un gas es presión. La presión de un gas es la fuerza por unidad de área que el gas ejerce sobre su recipiente. Más presión conduce a más fuerza y ​​viceversa.

Por ejemplo, una llanta de bicicleta bombeada a una presión alta se siente enseñada y dura desde el exterior. Un neumático de baja presión, por otro lado, ejerce menos fuerza hacia afuera y, como resultado, se siente más flojo y suave.

Otra característica clave de un gas es su temperatura. La temperatura de un gas se define como una medida de la energía cinética promedio por molécula en el gas. Debido a que todas las moléculas vibran, todas tienen cierta cantidad de energía cinética.

Se necesitan tanto la presión como la temperatura para determinar si el estado de la materia es gaseoso. Algunos materiales son gases solo a altas temperaturas, mientras que otros son gases a bajas temperaturas o temperatura ambiente. Mientras tanto, algunos materiales son solo gases a altas temperaturas. y presiones bajas. Un diagrama de fases muestra el estado de la materia para una sustancia dada en varias combinaciones de temperatura y presión.

Los gases abundan en el mundo que nos rodea. El dióxido de carbono, un gas de efecto invernadero común, se emite cuando se quema combustible para impulsar muchas de las actividades actuales de la humanidad. Cuando el agua líquida se vaporiza, se convierte en vapor o vapor de agua, un proceso que ocurre en las cocinas y en los charcos al aire libre bajo el sol.

La mezcla de gases conocida como aire, que generalmente es 78 por ciento de nitrógeno, 21 por ciento de oxígeno y 1 por ciento otros gases: rodea a todas las criaturas terrestres e intercambia con sus cuerpos a través de las vías respiratorias sistema. Al respirar, muchos animales extraen oxígeno del aire y eliminan el dióxido de carbono de sus cuerpos, mientras que muchas plantas hacen lo contrario, absorben dióxido de carbono y emiten oxígeno.

Para ayudar a explicar mejor el comportamiento de los gases, a los físicos les gusta aproximar cómo se comportarían los gases si estuvieran hechos de muchos partículas puntuales que se mueven en línea recta y no experimentan fuerzas intermoleculares, en otras palabras, sin interactuar con una otro.

Por supuesto, ningún gas es realmente ideal, pero considerando cómo un gas haría Al actuar bajo tal descripción, los físicos pueden combinar múltiples leyes simples sobre las propiedades gaseosas en una sola: la ley de los gases ideales.

• La ley de los gases ideales es PV = nRT, dónde PAG es la presión, V es el volumen, norte es el número de moles del gas, R es la constante del gas y T es la temperatura.

Específicamente, la ley de los gases ideales se deriva de cuatro leyes de los gases más simples que muestran partes de las relaciones en la ley de los gases combinados. Ellos son:

• Ley de Boyle: la presión de un gas es inversamente proporcional a su volumen a temperatura y cantidad constantes de gas.
• Ley de Charles: El volumen y la temperatura de un gas son proporcionales cuando la presión se mantiene constante.
• Ley de Avogadro: el volumen de un gas es proporcional a la cantidad de gas cuando la presión y la temperatura son constantes.
• Ley de Amonton: la presión y la temperatura de un gas son proporcionales siempre que la cantidad y el volumen del gas se mantengan constantes.