Ley de boyle (Experimento-video)

Aqui tenemos un vídeo donde representamos la ley de Boyle.

Este fenómeno también lo podemos observar al poner el dedo en la punta de una jeringa (sin la aguja porque si nos, nos lastimamos) tapándola y presionado para disminuir el volumen de la jeringa y aumentar la presión del gas.

Ley de Boyle y sus aplicaciones en Área 2

Con la Ley de Boyle podemos explicar el funcionamiento  que tienen los pulmones en nuestra respiración, pues el volumen de los pulmones es inversamente proporcional a la presión, es decir, si la presión aumenta, el volumen y si la presión disminuye, el volumen aumenta. Estos se encuentran situados en la caja torácica, rodeados por las costillas y por el diafragma, que es una membrana muscular.

Dicho proceso ocurre mediante el intercambio de gases y se efectuar en dos fases: la inhalación y exhalación.

En la primera fase,el aire entra en los pulmones debido a que la presión interna de estos es inferior a la atmosférica y por lo tanto, existe una gradiente de presión y para la segunda fase, el aire es expulsado de los pulmones cuando estos ejercen sobre el aire contenido una presión superior a la atmosférica.

Para comprobar este proceso podemos realizar el siguiente experimento: 

                                 "LEY GENERAL DE LOS GASES. "


La ley general de los gases es resultado de combinar la ley de Boyle-Mariotte, la ley de Charles y la ley de Gay-Lussac; de hecho, estas tres leyes se pueden considerar casos particulares de la ley general de los gases. A su vez, la ley general de los gases se puede considerar como una particularidad de la ley de los gases ideales. 

La ley general de los gases establece una relación entre el volumen, la presión y la temperatura de un gas. De este modo afirma que, dado un gas, el producto de su presión por el volumen que ocupa dividido por la temperatura a la que se encuentra siempre permanece constante.

La cual es bastante útil para estudiar los cambios que experimentan los gases cuando se modifica uno o dos de las variables termodinámicas, (presión, temperatura y volumen). 

Los gases se encuentran presentes en distintos procesos de la naturaleza y en una gran multitud de aplicaciones tanto industriales como de la vida cotidiana. Por ello, no es de extrañar que la ley general de los gases cuente con múltiples y diversas aplicaciones.

Por ejemplo, esta ley permite explicar el funcionamiento de diferentes aparatos mecánicos tales como aires acondicionados y refrigeradores, el funcionamiento de los globos aerostáticos, e incluso se puede emplear para explicar los procesos de formación de las nubes.

  En el siguiente recipiente observamos que a medida que                                                                     aumentamos la temperatura, el volumen también aumentara.

FORMULA.

La formula matemática de la ley es la siguiente:

P ∙ V / T = K

En esta expresión P es la presión, T representa la temperatura (en grados Kelvin), V es el volumen del gas, y K representa un valor constante.

Pero esta ecuación puede sustituirse por esta: 

P1 ∙ V1 / T1 = P2 ∙ V2 / T2  

Esta última ecuación es bastante útil para estudiar los cambios que experimentan los gases cuando se modifica una o dos de las variables termodinámicas (presión, temperatura y volumen).

Fuentes consultadas:
Consultada el día 20 de diciembre del 2018: 

https://www.fisic.ch/contenidos/termodin%C3%A1mica/ley-de-los-gases-ideales/

Consultada el día 20 de diciembre del 2018: 
http://fisicados103.wixsite.com/fisica/ley-general-de-los-gases

Consultado el día 24 de diciembre del 2018:
https://www.quimicas.net/2015/05/ley-general-de-los-gases.html

Leyes de los gases

Anteriormente vimos a los Gases como fluidos en los cuales sus moléculas se encuentran totalmente separadas unas de otras, por lo que presentan un movimiento aleatorio; razón por la cual ocupan todo es espacio disponible y no tienen volumen ni forma fija. Las fuerzas de cohesión son muy débiles o casi nulas.

Las partículas de un gas, se encuentran muy separadas unas de otras, por lo que ocupan todo el espacio disponible.

Y pues bueno una vez entendido como es la composición molecular de un gas, ya podemos hablar de las Leyes de los Gases, las cuales son 3:

1) Ley de CHARLES:

Esta ley afirma que el volumen y la temperatura son directamente proporcionales siempre y cuando la presión permanezca invariable.

• Si la temperatura aumenta, el volumen del gas aumenta.
• Si la temperatura disminuye, el volumen del gas disminuye.

Expresándose:

Que es lo mismo que:

Fundamento: Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. 

En el siguiente recipiente observamos que a medida que aumenta la temperatura, el volumen también aumentara.

2) Ley de Boyle:

Esta ley establece que la presión y el volumen presentan una relación de proporcionalidad inversa entre si cuando la temperatura permanece constante.

• Si la presión aumenta, el volumen del gas disminuye.
• Si la presión disminuye, el volumen del gas aumenta.

Expresándose:

Que es lo mismo que:

Fundamento: Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes.

Cuando disminuye el volumen la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo: aumenta la presión.

En el siguiente recipiente observamos que a medida que disminuye el volumen, la presión de las moléculas aumenta.

3) Ley de Gay-Lussac:

Esta ley establece que la temperatura y la presión son directamente proporcionales para los casos en los que el volumen del gas no varía.

Si aumenta la temperatura, aumentara la presión.

Si disminuye la temperatura, disminuirá la presión.

Expresándose:

Que es lo mismo que:

Fundamento: Al aumentar la temperatura las moléculas del gas se mueven más rápidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar.

A medida que aumenta la presión, la temperatura también incrementará.

Bibliografías:

• http://www.educaplus.org/gases/ley_boyle.html

• http://www.educaplus.org/gases/ley_charles.html

• http://www.educaplus.org/gases/ley_gaylussac.html

Movimiento Browniano

Imaginemos a ese cuadrado como

un recipiente lleno de agua, el cual 

presenta partículas de polen, las cuales se 

encuentran en constante movimiento.

En 1827, el botánico británico Robert Brown observó con un microscopio las partículas de polen que había suspendido en agua, las cuales mostraban un movimiento constante y aleatorio, como si se las estuviera empujando.

No había ninguna razón para creer que los granos de polen tuvieran algún poder oculto que les hiciera moverse en el agua.

Brown encontró también que cualquier cosa con un mismo tamaño, ya fuera orgánica o inorgánica, mostraría el mismo comportamiento. Por lo tanto concluyó que la “danza” de los granos de polen era algo relacionado con el agua.

Dicho comportamiento se debe al MOVIMIENTO BROWNIANO, el cual es un movimiento aleatorio que presentan las partículas que integran un FLUIDO (líquido o gas), como resultado de una excitación térmica, es decir, de una ganancia de calor; la cuál  proporciona Energía Cinética a dichas partículas de determinado fluido, para que estás choquen entre si, así como con las paredes del recipiente que las contiene.

Al ser un movimiento aleatorio, las moléculas de dicho fluido siguen una trayectoria tortuosa, es decir, que siguen un camino con varias vueltas en diferentes direcciones.

Con lo que el movimiento que presentan los granos de polen no se debe a la colisión entre una molécula de agua y una de polen, ya que esto requeriría que las moléculas de agua fueran muchísimo más grandes. Pero si cada pequeño movimiento de un grano de polen es el resultado de que muchas moléculas colisionen con él. En un tiempo dado, el efecto acumulado de estas colisiones se desequilibrará en una dirección, empujando al grano en esa dirección. En un instante posterior, las colisiones se desequilibrarán en otra dirección aleatoria, y así sucesivamente.

Representación del Movimiento
Browniano de una partícula de
polen en agua.

Representación del Movimiento
Browniano de varías partículas
de polen en agua.

                                                   

A través de dicho movimiento que presentan las moléculas de un fluido, se puede visualizar de una mejor forma el proceso de DIFUSIÓN en un: 

• Gas: Al poner en contacto dos gases distintos, las partículas de uno de ellos se esparcirá por la región ocupada por las moléculas del otro gas, colisionándose y moviéndose aleatoriamente; mezclándose rápidamente, a una velocidad que es mayor cuanto menor sea la masa de las partículas que constituyen los gases y mayor sea la temperatura. 

No es necesario un cuerpo por el que difundirse, ya que se difunde también por el vacío.

Difusión de un gas al aire libre (vacío) 

• Líquido: Cuando se mezclan dos líquidos, las moléculas de uno de ellos se difunde en todas las moléculas del otro liquido a una menor velocidad que cuando se mezclan dos gases. Esto debido a que las moléculas en ambos líquidos están tan cercas, cada molécula sufre miles de millones de choques (constantes interrupciones en sus trayectorias) antes de alejarse y así poder difundirse.

La difusión de dos líquidos se puede observarse dejando caer una pequeña cantidad de tinta en un poco de agua. 

Al agregar un poco de tinta en agua, está se
difundirá muy lentamente.

Para mayor información sobre este proceso de difusión consulta el siguiente vídeo:

Dicho movimiento no está presente en los Sólidos, ya que las moléculas de estos se encuentran muy pegadas las unas con las otra, por las grandes fuerzas de cohesión entre ellas lo que hace que estás tengan un movimiento vibratorio que no presenta ninguna dirección.  

Las partículas que forman a los
sólidos sólo presentan vibraciones.

En un sólido con forma bien definida
sus partículas presentan
vibraciones.

 Bibliografías:                                                             

• http://teoriacinetica607.blogspot.com/

• https://es.wikipedia.org/wiki/Difusi%C3%B3n_gaseosa

• https://es.wikipedia.org/wiki/Movimiento_browniano

• https://historiaybiografias.com/albert03/

• https://rodas5.us.es/file/96934121-71ed-4ee8-23d9-47cd5960c452/1/tema10_word_SCORM.zip/page_13.htm

• http://www.deciencias.net/simulaciones/quimica/materia/difusion.htm

• https://www.youtube.com/watch?v=vLGjOga0ctQ&t=9s

Presion y Temperatura

Presion

Definimos a la presion como la fuerza dividida por el area sobre la que se aplica dicha fuerza. Cuanto mayor es la fuerza que actua sobre un area dada, mayor es la presion. 

Figura 2. Formula general de la presion

El origen de la fuerza de ejercida por un gas es el choque incesante de las moleculas contra las paredes del recipiente, estas son tan numerosas que ejercen una fuerza estacionaria eficaz (variable), que se detecta como presion estacionaria. La unidades de esta presion en el SI es el Pa (Pascal) definido como 1 newton por metro cuadrado. 

Pa= N/m²

Si introducimos dos gases en dos recipientes separados por una pared movil, el gas que tiene una presion mas elevada tendera a comprimir (reducir el volumen) de aquel gas con presion mas baja, en todo este proceso, el primer gas, de acuerdo a la relacion entre el area y la presion, la cual es inversamente proporcional, al desplazar la pared movil su presion disminuira mientras que la del segundo, aumentara. En algun punto, se llegara a un equilibrio entre las dos presiones de los gases y la pared no se movera mas, como se ve en la siguiente imagen. 

Figura 3. Sistema de presion de gases

En el caso de los fluidos, la presion puede estar influida por la profundidad y la densidad de los mismos. Consideremos un punto que esta a una profundidad h de la superficie, la presion debida a esta profundidad es provocada por el peso de la columna de liquido encima de él.
De esta manera, la fuerza debida al peso del liqudio que actua sobre el area A es F=mg=DAhg, donde D es la densidad del liquido, Ah el volumen de la columna de liquido y g la aceleracion de la gravedad. Por lo tanto esta relacion puede ser expresa de la siguiente manera:

P= F/A = DAhg/ A es decir, P=Dgh

De lo anterior podemos decir, que la presion es directamente proporcional a todos los terminos que la componen.

Ahora, para obtener la presion total ejercida sobre dicho punto debe sumarse la presion de la atmosfera, que si se toma en cuenta representaria el doble de la profundidad. 

Figura 3: Expresion de la relacion existente entre la presion hidrostatica y la presion atmosferica

Tomando en cuenta esta relacion, deducimos, que si la profundidad aumenta al doble, tambien lo hara la presion, si es al tripe aumentara al triple y asi sucesivamente; si es el caso de la densidad sucedera el mismo fenomeno, el grado en el que aumente la densidad sera proporcional al que aumentara la presion. 

La densidad, como propiedad caracteristica de la materia, en el caso de los liquidos no posee significativas variaciones al menos que la temperatura del mismo aumente, por lo que esta propiedad cuantitativa no cambia en la mayoria de las profundidades. 

Temperatura

De acuerdo al modelo cinetico de particulas, toda la materia, en sus tres estado de agregacion basicos esta compuesta de atomos y moleculas, los cuales poseen un determinado movimiento que podemos definir como energia cinetica, esta propiedad es de suma importancia dado que el promedio de esta energia determinara cuan caliente estara un determinado objeto. 

Por ejemplo, si poner a calentar agua, el movimiento de sus particulas aumentara y por lo tanto se calentara, el mismo caso supone la friccion de un objeto contra otro como es el caso de los neumaticos de un automovil con el pavimento.

Figura 4: Representacion de movimiento molecular

Cuando un determinado objeto se calienta, sus molecular se mueven con mayor rapidez, por lo tanto hay un aumento en el valor de la energia cinetica. 

A la propiedad que deriva de esta relacion se le denomina temperatura y en el modelo cinetico de particulas es definida como el promedio de la energia cinetica de las particulas de un cuerpo.

A su vez, la mayoria de los objetos al aumentar su temperatura se expanden, como es el caso de las vias del metro de la Ciudad de Mexico en una epoca calurosa, que por accion tanto de la friccion causada por el paso de los trenes como la exposicion a los rayos del sol, las vias sufren una modificacion en su volumen, el cual aumenta. 

Figura 5: Representacion grafica de la dilatacion en una via

Esta dilatacion es util para la medicion de la temperatura de los cuerpos, y es un principio fisico utilizado por los termometros, como es el caso del de mercurio. 

El mercurio es uno de los metales con alto indice de dilatacion, de modo que ser expuesto a una sustancia determinada la cual posea una temperatura elevada, la dilatacion del mercurio sea facilmente visible. 

Figura 6: Termometro de mercurio

En el cuerpo, el aumento de la temperatura corporal puede representar un serio problema que puede llevar a un individuo a la muerte.

Uno de estos casos es el sincope por calor, que es una reaccion sistemica secundaria a la perdida de sales y agua derivadas principalmente de un aumento excesivo en la temperatura corporal, como consecuencia, hay presencia de cefaleas (dolor de cabeza), vertigo, hipotension y taquicardia. 

Figura 7: Representacion grafica del padecimiento

Uno de los principales mecanismos de regulacion homeostatica (equilibrio corporal) es la vasodilatacion periferica, en este hay un aumento en el diametro del vaso sanguineo para que circule con mayor facilidad la sangre y por lo tanto hay una mayor redistribucion de la sangre, lo que permite una mayor perdida de calor. 

Figura 7: Vasodilatacion

Esta vasodilatacion permite que se de una mayor liberacion de sudor y por lo tanto la temperatura corporal disminuya a niveles normales.

Fuentes de consulta.

• Atkins, P. (1999). Fisicoquimica. Barcelona: Ediciones Omega
• Giancoli, D.(2008). Fisica para ciencias e ingenieria. Mexico: Peason Educacion
• Gomez, A. Transtornos de la temperatura corporal. Recuperado el dia 30 de diciembre de 2018 en: http://www.elsevier.es/es-revista-offarm-4-articulo-trastornos-temperatura-corporal-13108301
• Sosa, S. Vasodilatacion: Fisiologia, sustancias vasodilatadoras. Recuperado el dia 30 de diciembre de 2018 en: https://www.lifeder.com/vasodilatacion/

Postulados de la Teoría Cinético-Molecular

Para empezar debemos de tener en cuenta que una Teoría es una explicación probable de algún fenómeno observable, la cual se fundamenta con todos aquellos datos obtenidos a través del método científico de dicho fenómeno.

Y bien, lo que busca explicar la Teoría Cinético-Molecular es el comportamiento de la materia, es decir el hecho de que esta se encuentre en un estado SÓLIDO, LÍQUIDO o GASEOSO; así como el cambio de un estado a otro, para lo cual se auxilia de ciertos postulados, los cuales son los siguientes:

1) Toda la materia esta formada por partículas muy pequeñas, las cuales pueden ser átomos, moléculas y iones.

Por ejemplo, en la siguiente imagen podemos observar que tanto el balón, el agua y el gas están compuestos por pequeñas partículas, las cuales no pueden ser observadas a simple vista, pero ahí se encuentran constituyendo a dichos objetos. 

2) Dichas partículas ejercen entre si fuerzas de atracción (fuerzas de cohesión o intermoleculares) lo que ocasiona que estas estén en constante movimiento.

Esto dependerá de cada estado de agregación.

• Estado Sólido: Las moléculas están muy juntas, por lo que presentan un movimiento vibratorio alrededor de posiciones fijas razón por la cual presentan una masa y volumen fijo. Las fuerzas de cohesión son muy grandes.

• Estado Líquido: Las moléculas están más separadas , por lo que presentan un movimiento libre que les permite cambiar de lugar razón por la cual los líquidos pueden fluir y adoptar la forma del recipiente que las contiene. Las fuerzas de cohesión, aunque son menos intensas que en el estado sólido, impiden que las moléculas puedan independizarse. 

• Estado Gaseoso: Las moléculas se encuentran totalmente separadas unas de otras, por lo que presentan un movimiento aleatorio razón por la cual ocupan todo el espacio disponible y no tienen volumen ni forma fija.Las fuerzas de cohesión son muy débiles o casi nulas.

En la siguiente imagen podemos apreciar más claramente como las moléculas del sólido están muy juntas y ya poseen un volumen propio definido, mientras que las del líquido están más separadas y adoptan la forma del recipiente que las contiene, siendo todo lo contrario en el gaseoso en el cual vemos que sus moléculas están muy separadas y no adoptan la forma del recipiente, pues ocupan un mayor espacio.

3) A mayor temperatura, el movimiento de las partículas es mayor, y por lo tanto también la Energía Cinética. Dando paso a los cambios de estado.

Calor = Energía Cinética = Movimiento

Aquí podemos observar que a medida que se aplica calor, la energía cinética aumenta al igual que el espacio entre las moléculas dando paso a los cambios de estado de sólido a líquido y de líquido a gaseoso. Y por el contrario si se reduce la cantidad de calor, vemos como el espacio entre cada molécula disminuirá dando paso a los a los cambios de estado contrarios a los ya antes mencionados.

           Aquí podemos observar que a medida que varia el calor, se generan 

                     los llamados Cambios de Estado. Dicho cambio puede 

         ser PROGRESIVO si aumenta el calor y REGRESIVO si disminuye.

En el siguiente vídeo podemos observar los Cambios Progresivos de la Materia.

4) Los choques entre las partículas, así como con las paredes del recipiente son elásticos, es decir, no hay perdida de la Energía Cinética Total, sólo transmisión.

CHOQUES ELÁSTICOS ENTRE
PARTÍCULAS

Aquí podemos observar la colisión entre dos partículas, las cuales tienen una masa y una velocidad fijas, de las cuales después de dicho impacto ambas partículas mantienen intacta su masa, mientras que su velocidad cambia, es decir, la velocidad que tenía una partícula se la pasa a la otra y viceversa.

Ec inicial = Ec final

Bibliografías:

• https://teoriacineticadelamateria.blogspot.com/2012/10/postulados-de-la-teoria-cinetica.html
• https://www.quimicaweb.net/actividades/Teoria_cinetica/Teoria_cinetica.htm
• https://www.youtube.com/watch?v=KccTR-QsUkU