Según la teoría cinética molecular, un gas consta de una gran cantidad de moléculas diminutas, todas en constante movimiento aleatorio, chocando entre sí y con el recipiente que las contiene. La presión es el resultado neto de la fuerza de esas colisiones contra la pared del contenedor, y la temperatura establece la velocidad general de las moléculas. Varios experimentos científicos ilustran las relaciones entre temperatura, presión y volumen de gas.
Globo en nitrógeno líquido
El nitrógeno líquido es un gas licuado de bajo costo disponible en la mayoría de los distribuidores de soldadura industrial; su temperatura extremadamente baja le permite demostrar dramáticamente varios principios de la teoría molecular cinética. Aunque es relativamente seguro, trabajar con él requiere el uso de guantes criogénicos y gafas de seguridad. Obtenga unos litros de nitrógeno líquido y un recipiente de espuma de poliestireno abierto, como una hielera para picnic. Infle un globo de fiesta y átelo. Vierta el nitrógeno líquido en el recipiente y coloque el globo encima del líquido. En unos momentos, verá que el globo se encoge notablemente hasta que se desinfla por completo. El frío extremo ralentiza las moléculas del gas, lo que también reduce la presión y el volumen. Retire con cuidado el globo del recipiente y colóquelo en el suelo. A medida que se calienta, se expandirá a su tamaño anterior.
Presión y volumen con temperatura constante
Si cambia el volumen de un recipiente de gas lentamente, la presión también cambia pero la temperatura se mantiene estable. Para demostrar esto, necesita una jeringa hermética marcada en mililitros y un manómetro. Primero, retire la jeringa para que el pistón esté en su marca más alta. Anote la lectura de presión y el volumen de la jeringa. Presione el pistón de la jeringa 1 mililitro y anote la presión y el volumen. Repite el proceso varias veces. Cuando multiplica el volumen por la presión para cada lectura, debe obtener el mismo resultado numérico. Este experimento ilustra la ley de Boyle, que dice que cuando la temperatura es constante, el producto de la presión y la temperatura también son constantes.
Encendedor de compresión
Un encendedor de compresión es un dispositivo de demostración que consta de un pistón dentro de un cilindro transparente cerrado. Si coloca un pedazo de papel de seda en el cilindro y enrosca la tapa, luego golpea el mango del pistón con la mano, la acción comprime rápidamente el aire del interior. Esto produce una condición llamada calentamiento adiabático: confinado repentinamente en un espacio más pequeño, el aire se calienta lo suficiente como para encender el papel.
Estimación del cero absoluto
Un aparato de volumen constante consta de una bombilla de metal con un manómetro adjunto. La bombilla contiene aire a una presión de 14,7 PSI. Con este dispositivo, puede estimar la presión cuando la temperatura es cero absoluto. Para hacer esto, necesitará tres recipientes: uno con agua hirviendo, otro con agua helada y un tercero con nitrógeno líquido. Sumerja la bombilla metálica en el baño de agua caliente y espere unos minutos a que se estabilice la temperatura. Anote la presión indicada en el manómetro, junto con la temperatura en kelvins - 373. Luego, coloque el bulbo en el baño de agua helada y nuevamente observe la presión y la temperatura, 273 kelvins. Repita con el nitrógeno líquido a 77 kelvin. Con papel cuadriculado, marque los puntos registrados, con presión en el eje y y temperatura en el eje x. Debería poder dibujar una línea bastante recta a través de los puntos que cruzan el eje y, indicando la presión cuando la temperatura es cero kelvin.