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a PV=nRT] [Ley
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de un gas] [Gases
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de los gases reales] [Ejercicios
especiales] [Referencias
bibliográficas]
El nombre de la ley rinde homenaje al pionero del globo Jacques Charles, quien en 1787 hizo experimentos sobre cómo el volumen de gases dependía de la temperatura. La ironía es que Charles nunca publicó el trabajo por el cual es recordado, ni fue el primero o el último en hacer este descubrimiento. En dos de una serie de cuatro ensayos presentados entre el 2 y el 30 de octubre de 1801, John Dalton demostró por experimento que todos los gases y vapores que estudió se expandieron en la misma cantidad entre dos puntos fijos de temperatura. El filósofo natural francés Joseph Louis Gay-Lussac confirmó el descubrimiento en una presentación al Instituto Nacional Francés el 31 de enero de 1802 (Gay-Lussac, 1802), aunque atribuyó el descubrimiento al trabajo inédito de la década de 1780 por Jacques Charles. Los principios básicos ya habían sido descritos por Guillaume Amontons y Francis Hauksbee un siglo antes (Adcock, 1998; Gay-Lussac, 1802; Hauksbee, 2017).
Figura 10‑1. Jacques Charles (12 de noviembre de 1746 - 7 de abril de 1823), inventor,
científico y matemático francés. Rompió el récord de globo aerostático, el 27
de agosto de 1783. El 1 de diciembre de ese año, junto con Ainé Roberts, logró
elevarse hasta una altura de 1000 metros. Inventó varios dispositivos, entre
ellos un densímetro (también llamado hidrómetro), aparato que mide la gravedad
específica de los líquidos.
Es bastante sorprendente que docenas de
sustancias diferentes se comporten exactamente igual. La explicación aceptada,
que James Clerk Maxwell propuso alrededor de 1860, es que la cantidad de
espacio que ocupa un gas depende únicamente del movimiento de las moléculas de
gas. En condiciones típicas, las moléculas de gas están muy lejos de sus
vecinas, y son tan pequeñas que su propio volumen es insignificante. Empujan
hacia afuera en frascos, pistones o globos simplemente rebotando en esas
superficies a alta velocidad. Dentro de un globo de helio, alrededor de
Deducción de la ley de Charles
🔎
DEMOSTRACION. Obtener la ley de Charles a
partir de la ecuación de estado o ley de los gases ideales P V = n R T,
empleando como condición un sistema en el que el volumen cambia en función de
la temperatura a presión constante.
En consecuencia, la ley de Charles posee
dos formas, la estática y la dinámica:
Las leyes de gases
que involucran el término de temperatura siempre deben operarse en Kelvin.
Química
de Chang 10
✔ Problema-5.23.
Un volumen de 36.4 L de gas metano se
calienta de 25 °C
a 88 °C
a presión constante. ¿Cuál
es el volumen final del gas?
✔ Problema-5.24.
En condiciones de presión constante, una
muestra de gas hidrógeno inicialmente a 88 ° C y 9.6 L se enfría hasta que
su volumen final es 3.4 L. ¿Cuál
es su temperatura final?
✔ Problema-5.36. La temperatura de 2.5 L de un gas,
inicialmente a TPE, se eleva a 250°C a volumen constante. Calcule la presión
final del gas en atm.
Química
la ciencia central 13
✔ Muestra
10.03a. Supongamos
que tenemos un gas confinado en un cilindro con un pistón móvil que está
sellado para que no haya fugas. ¿Cómo afectará cada uno de los siguientes
cambios (i) la presión del gas, (ii) el número de moles de gas en el cilindro,
(iii) la distancia promedio entre las moléculas: al calentar el gas manteniendo
una presión constante.
✔ Práctica 10.05.2. La presión en un tanque de gas natural se mantiene a 2.20 atm. En un día en que la temperatura es de -15 °C, el volumen de gas en el tanque es de 3.25 x 103 m3. ¿Cuál es el volumen de la misma cantidad de gas en un día cuando la temperatura es de 31 °C?
Hipertexto
✔ Problemas básicos 10a. Un recipiente contiene 5 L
de nitrógeno gaseoso a 225 °C. Calcula el volumen que ocupará este gas a
presión constante y a las siguientes temperaturas: 1 °C
✔ Problemas básicos 10b. Un recipiente contiene 5 L
de nitrógeno gaseoso a 225 °C. Calcula el volumen que ocupará este gas a
presión constante y a las siguientes temperaturas: 210 K
✔ Problemas básicos 10c. Un
recipiente contiene 5 L de nitrógeno gaseoso a 225 °C. Calcula el volumen que
ocupará este gas a presión constante y a las siguientes temperaturas: 15 °F
✔Problemas básicos 10d. Un recipiente contiene 5 L de nitrógeno gaseoso a 225 °C. Calcula el volumen que ocupará este gas a presión constante y a las siguientes temperaturas: 20 °F
Calculando la
constante molar de Charles
👉Enunciado: Hallar el valor de la constante en la ley de Charles a 1.00 atm y
1.00 mol de gas ideal.
Graficando la ley
de Charles
Figura 10‑2. Curva de la ley de Charles. La gráfica de la ley de Charles es una línea recta, a menor
temperatura, el volumen de un gas disminuye.
Consecuencias de la ley de Charles
Esta ley nos trae ciertas consecuencias,
el volumen de un gas depende de las vibraciones, no del volumen de sus
moléculas, por lo que es teóricamente posible reducir el volumen de un gas
hasta el mínimo paralizando sus vibraciones, si conseguimos disminuir su
temperatura lo suficiente. Para hacer esto, los científicos determinaron las
rectas para varios gases diferentes y analizaron sus pendientes para ver a que
temperaturas teorías debería congelarse un gas para lograr el volumen casi
cero. La sorpresa fue que dicha temperatura siempre era la misma sin importar
el gas que se estaba trabajando, -273.15 °C, valor denominado el cero absoluto.
Aplicaciones de la ley de Charles.
Nos encontramos con esta ley muchas veces
en nuestra vida diaria. Comencemos con un ejemplo muy simple;
👉 Lata
de refresco
Cuando abres una lata fría simplemente ves
burbujas, pero si abres una lata más caliente, las burbujas derraman la bebida.
¿Por qué crees que esto ocurre? Definitivamente por la ley de Charles. En una
lata más cálida, el volumen de gases aumenta y al abrir la lata, las moléculas
de gas encuentran su salida empujando al refresco.
👉 Panadería
En los productos de panadería, la levadura
se usa para la fermentación. La levadura produce dióxido de carbono y cuando
horneamos pan / pastel, el dióxido de carbono se expande debido al aumento de
la temperatura y da esponjosidad a nuestro pan y pasteles al empujar la masa
desde adentro.
👉 Botellas
de desodorante
A veces tenemos que estar alertas ante los
efectos de esta ley. ¿Has leído las advertencias escritas en la botella de
desodorante? Sugieren almacenarlo por debajo de 50 ° C y también advierten de
mantenerlo alejado de la luz solar directa y el encendido. Porque a
temperaturas más altas, el volumen de gases aumenta y si llega al límite puede
reventar la botella.
👉 Globos
Si quiere presenciar la ley de Charles,
puede hacer un experimento con el globo usted mismo. Elija un día soleado para su
experimento, salga a una temperatura más cálida y llene un globo con gas. Luego
llévalo a un lugar más frío. Verá que su globo se reduce de tamaño a medida que
lo coloca en un lugar más frío y reanuda su tamaño original al salir. En un
lugar más frío, el volumen de gas se reduce, lo que resulta en la contracción
del globo. Cuando te diriges afuera, la temperatura aumenta y también lo hace
el volumen de gas, por lo que el globo recupera su tamaño. Un globo cuyo gas
este a una temperatura mayor que la del medio circundante se expandirá hasta
tener una menor densidad, por lo que tenderá a elevarse, este es el principio
de los globos aerostáticos.
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