¿Qué es la ley de los gases ideales?

La ley de los gases ideales es una ecuación matemática que puede utilizar para resolver problemas relacionados con la temperatura, el volumen y la presión de los gases. Aunque la ecuación es una aproximación, es muy buena y es útil para una amplia gama de condiciones. Utiliza dos formas estrechamente relacionadas que explican la cantidad de un gas de diferentes maneras.

TL; DR (demasiado largo; No leí)

La ley de los gases ideales es PV = nRT, donde P = presión, V = volumen, n = número de moles de gas, T es la temperatura y R es una constante de proporcionalidad, generalmente 8.314. La ecuación te permite resolver problemas prácticos con gases.

Se ocupa de los gases de la vida cotidiana, como el aire que respira, el helio en un globo de fiesta o el metano, el "gas natural" que utiliza para cocinar los alimentos. Estas sustancias tienen propiedades muy similares en común, incluida la forma en que responden a la presión y al calor. Sin embargo, a temperaturas muy bajas, la mayoría de los gases reales se vuelven líquidos. En comparación, un gas ideal es más una idea abstracta útil que una sustancia real; por ejemplo, un gas ideal nunca se convierte en líquido y su compresibilidad no tiene límites. Sin embargo, la mayoría de los gases reales están lo suficientemente cerca de un gas ideal que puede usar la ley de los gases ideales para resolver muchos problemas prácticos.

Las ecuaciones de la ley de los gases ideales tienen presión y volumen en un lado del signo igual y cantidad y temperatura en el otro. Esto significa que el producto de la presión y el volumen permanece proporcional al producto de la cantidad y la temperatura. Si, por ejemplo, aumenta la temperatura de una cantidad fija de gas en un volumen fijo, la presión también debe aumentar. O, si mantiene la presión constante, el gas debe expandirse a un volumen mayor.

Para utilizar correctamente la ley de los gases ideales, debe emplear unidades absolutas de temperatura. Los grados Celsius y Fahrenheit no funcionarán porque pueden ir a números negativos. Las temperaturas negativas en la ley de los gases ideales le dan una presión o volumen negativos, que no pueden existir. En su lugar, use la escala Kelvin, que comienza en el cero absoluto. Si trabaja con unidades inglesas y desea una escala relacionada con Fahrenheit, use la escala Rankine, que también comienza en cero absoluto.

La primera forma común de la ecuación del gas ideal es PV = nRT, donde P es la presión, V es el volumen, n es el número de moles de gas, R es una constante de proporcionalidad, típicamente 8.314, y T es la temperatura. Para el sistema métrico, use pascales para la presión, metros cúbicos para el volumen y Kelvin para la temperatura. Para tomar un ejemplo, 1 mol de gas helio a 300 Kelvin (temperatura ambiente) está por debajo de 101 kilopascales de presión (presión al nivel del mar). ¿Cuánto volumen ocupa? Tome PV = nRT y divida ambos lados por P, dejando V solo en el lado izquierdo. La ecuación se convierte en V = nRT ÷ P. Un mol (n) por 8.314 (R) por 300 Kelvin (T) dividido por 101,000 pascales (P) da 0.0247 metros cúbicos de volumen, o 24.7 litros.

En las clases de ciencias, otra forma común de ecuación de gas ideal que verá es PV = NkT. La "N" grande es el número de partículas (moléculas o átomos) y k es una constante de Boltzmann, un número que le permite usar el número de partículas en lugar de moles. Tenga en cuenta que para el helio y otros gases nobles, utiliza átomos; para todos los demás gases, utilice moléculas. Utilice esta ecuación de la misma manera que la anterior. Por ejemplo, un tanque de 1 litro contiene 10²³ moléculas de nitrógeno. Si baja la temperatura a 200 grados Kelvin, ¿cuál es la presión del gas en el tanque? Tome PV = NkT y divida ambos lados por V, dejando P solo. La ecuación se convierte en P = NkT ÷ V. Multiplica 10²³ moléculas (N) por la constante de Boltzmann (1,38 x 10^-23), multiplique por 200 Kelvin (T) y luego divida por 0.001 metros cúbicos (1 litro) para obtener la presión: 276 kilopascales.