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bibliográficas]
Los gases tienen tres propiedades características: (1) son fáciles de comprimir, (2) se expanden para llenar sus recipientes y (3) ocupan mucho más espacio que los líquidos o sólidos a partir de los cuales se forman.
Compresibilidad
Un motor de combustión interna proporciona
un buen ejemplo de la facilidad con la que se pueden comprimir los gases. En un
motor típico de cuatro tiempos, primero se extrae el pistón del cilindro para
crear un vacío parcial, que atrae una mezcla de vapor de gasolina y aire hacia
el interior del cilindro (vea la figura a continuación). Luego, el pistón se
empuja hacia el interior del cilindro, comprimiendo la mezcla de gasolina y
aire a una fracción de su volumen original.
La relación entre el volumen del gas en el
cilindro después del primer golpe y su volumen después del segundo golpe es la
relación de compresión del motor. Los automóviles modernos funcionan con
relaciones de compresión de alrededor de 9:1, lo que significa que la mezcla de
gasolina y aire en el cilindro se comprime por un factor de nueve en el segundo
golpe. Después de comprimir 9 veces el volumen inicial la mezcla de gasolina y
aire gaseosos, la bujía en la parte superior del cilindro se enciende y la
explosión resultante empuja el pistón fuera del cilindro en el tercer golpe.
Finalmente, el pistón es empujado hacia atrás dentro del cilindro en el cuarto
golpe, limpiando los gases de escape.
Los líquidos son mucho más difíciles de
comprimir que los gases. Son tan difíciles de comprimir que los sistemas de
frenos hidráulicos que se utilizan en la mayoría de los automóviles funcionan
según el principio de que esencialmente no hay cambios en el volumen del
líquido de frenos cuando se aplica presión a este líquido. La mayoría de los
sólidos son aún más difíciles de comprimir. Las únicas excepciones pertenecen a
una clase rara de compuestos que incluye caucho natural y sintético. La mayoría
de las pelotas de goma que parecen fáciles de comprimir, como una pelota de
ráquetbol, están llenas de aire, que se comprime cuando se aprieta la pelota.
Expansibilidad
Cualquiera que haya entrado en una cocina
donde se estaba horneando pan ha experimentado el hecho de que los gases se
expanden para llenar sus recipientes, a medida que el aire de la cocina se
llena de olores maravillosos. Desafortunadamente, sucede lo mismo cuando
alguien rompe un huevo podrido y el olor característico del sulfuro de
hidrógeno (H2S) se difunde rápidamente por la habitación. Debido a
que los gases se expanden para llenar sus recipientes, es seguro asumir que el
volumen de un gas es igual al volumen de su recipiente.
De lo anterior también se concluye que los
gases son capaces de ejercer y recibir fuerzas newtonianas, por lo que son
susceptiobles de ser modeladops empleando las técnicas de la mecánica clásica.
Volumen de un gas
La diferencia entre el volumen de un gas y
el volumen del líquido o sólido del que se forma se puede ilustrar con los
siguientes ejemplos. Un gramo de oxígeno líquido en su punto de ebullición
(-183°C) tiene un volumen de 0.894 mL. La misma cantidad de gas O2 a
0°C y presión atmosférica tiene un volumen de 700 mL, que es casi 800 veces
mayor. Se obtienen resultados similares cuando se comparan los volúmenes de
sólidos y gases. Un gramo de CO2 sólido tiene un volumen de 0.641
mL. A 0°C y presión atmosférica, la misma cantidad de gas CO2 tiene
un volumen de 556 mL, que es más de 850 veces mayor. Como regla general, el volumen de un líquido o sólido aumenta en un
factor de aproximadamente 800 cuando se forma un gas.
Las consecuencias de este enorme cambio de
volumen y la posibilidad de recibir/ejercer fuerzas newtonianas se aprovechan
con frecuencia para realizar trabajos. La máquina de vapor, que provocó la
revolución industrial, se basa en el hecho de que el agua hierve para formar un
gas (vapor) que tiene un volumen mucho mayor. Por lo tanto, el gas se escapa
del recipiente en el que se generó y el vapor que se escapa se puede hacer
trabajar. El mismo principio se aplica cuando se usa dinamita para hacer
estallar rocas. En 1867, el químico sueco Alfred Nobel descubrió que el
explosivo líquido altamente peligroso conocido como nitroglicerina podía
absorberse en arcilla o aserrín para producir un sólido que era mucho más
estable y, por lo tanto, más seguro de usar. Cuando se detona la dinamita, la
nitroglicerina se descompone para producir una mezcla de gases CO2,
H2O, N2 y O2.
Los gases salen a presión debido a que la
descomposición de su fuente también libera enormes cantidades de energía, que
calientan los gases, generando una expansión y por ende, la posibilidad de
ejercer fuerza en sus alrededores. El mismo fenómeno ocurre en una escala mucho
más pequeña cuando hacemos palomitas de maíz. Cuando los granos de palomitas de
maíz se calientan en aceite, los líquidos dentro del grano se convierten en
gases. La presión que se acumula dentro del núcleo es enorme y eventualmente explota.
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