Imagina que eres un buceador y necesitas calcular la capacidad de aire de tu tanque. O imagina que has inflado un globo hasta cierto tamaño y te preguntas cómo es la presión dentro del globo. O suponga que está comparando los tiempos de cocción de un horno normal y un horno tostador. Por donde empiezas
Todas estas preguntas tienen que ver con el volumen de aire y la relación entre la presión, la temperatura y el volumen del aire. Y sí, ¡están relacionados! Afortunadamente, ya se han elaborado una serie de leyes científicas para abordar estas relaciones. Solo tienes que aprender a aplicarlos. A estas leyes las llamamos Leyes de los gases.
Presión y volumen del aire: ley de Boyle
La ley de Boyle define la relación entre un volumen de gas y su presión. Piensa en esto: si tomas una caja llena de aire y luego la presionas a la mitad de su tamaño, las moléculas de aire tendrán menos espacio para moverse y chocarán entre sí mucho más. Estas colisiones de moléculas de aire entre sí y con los lados del recipiente son las que crean presión de aire.
La ley de Boyle no tiene en cuenta la temperatura, por lo que lala temperatura debe ser constantepara poder usarlo.
Ley de Boyleestablece que, a temperatura constante, el volumen de una determinada masa (o cantidad) de gas varía inversamente con la presión.
En forma de ecuación, eso es:
P_1V_1 = P_2V_2
donde P1 y V1 son el volumen y la presión iniciales y P2 y V2 son el nuevo volumen y presión.
Ejemplo: Suponga que está diseñando un tanque de buceo donde la presión del aire es de 3000 psi (libras por pulgada cuadrada) y el volumen (o la "capacidad") del tanque es de 70 pies cúbicos. Si decide que prefiere hacer un tanque con una presión más alta de 3500 psi, ¿cuál sería el volumen del tanque, asumiendo que lo llena con la misma cantidad de aire y mantiene la misma temperatura?
Conecte los valores dados en la ley de Boyle:
3000 \ text {psi} \ times 70 \ text {ft} ^ 3 = 3500 \ text {psi} \ times V_2
Simplifique, luego aísle la variable en un lado de la ecuación y resuelva para V2:
V_2 = \ frac {3000 \ text {psi} \ times 70 \ text {ft} ^ 3} {3500 \ text {psi}} = 60 \ text {ft} ^ 3
Entonces, la segunda versión de su tanque de buceo sería de 60 pies cúbicos.
Temperatura y volumen del aire: Ley de Charles
¿Qué pasa con la relación entre volumen y temperatura? Las temperaturas más altas hacen que las moléculas se aceleren, chocando cada vez más fuerte con los lados de su recipiente y empujándolo hacia afuera. La ley de Charles da las matemáticas para esta situación.
Ley de Charlesestablece que a presión constante, el volumen de una determinada masa (cantidad) de gas es directamente proporcional a su temperatura (absoluta).
O:
\ frac {V_1} {T_1} = \ frac {V_2} {T_2}
Para la ley de Charles, la presión debe mantenerse constante y la temperatura debe medirse en Kelvin.
Presión, temperatura y volumen: la ley combinada de los gases
Ahora, ¿qué pasa si tiene presión, temperatura y volumen todos juntos en el mismo problema? También hay una regla para eso. LaLey combinada de los gasestoma la información de la Ley de Boyle y la Ley de Charles y las combina para definir otro aspecto de la relación presión-temperatura-volumen.
LaLey combinada de los gasesestablece que el volumen de una determinada cantidad de gas es proporcional a la relación entre su temperatura Kelvin y su presión. Eso suena complicado, pero eche un vistazo a la ecuación:
\ frac {P_1V_1} {T_1} = \ frac {P_2V_2} {T_2}
Nuevamente, la temperatura debe medirse en Kelvin.
La ley de los gases ideales
Una ecuación final que relaciona estas propiedades de un gas es laLey de los gases ideales. La ley viene dada por la siguiente ecuación:
PV = nRT
donde P = presión, V = volumen, n = número de moles, R es elconstante universal de gas, que es igual a 0.0821 L-atm / mol-K, y T es la temperatura en Kelvin. Para obtener todas las unidades correctas, deberá convertir aUnidades SI, las unidades de medida estándar dentro de la comunidad científica. Por volumen, eso es litros; para presión, atm; y para la temperatura, Kelvin (n, el número de moles, ya está en unidades SI).
Esta ley se denomina ley de los gases "ideales" porque supone que los cálculos se refieren a gases que siguen las reglas. En condiciones extremas, como calor o frío extremos, algunos gases pueden actuar de manera diferente al gas ideal. Law sugeriría, pero en general es seguro asumir que sus cálculos usando la ley serán correcto.
Ahora conoce varias formas de calcular el volumen de aire en una variedad de circunstancias.