Ley de Charles: Relación entre el volumen y la temperatura.

Seguimos con la unidad didáctica "Los sistemas materiales" y hoy nos toca enfrentarnos a la famosa Ley de Charles, quien en 1787 estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante, observando que cuando se aumentaba la temperatura, el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar, el volumen disminuía. 

La materia y sus propiedades generales: masa y volumen

¿Sabías que la materia observable es solamente un 10% de toda la materia del universo? 

Es importante no confundir la masa de un cuerpo con su peso. El peso es una medida de la fuerza de atracción de la gravedad sobre los cuerpos. Por ejemplo, un astronauta en la luna pesa una sexta parte de su peso en la Tierra. Sin embargo, su masa sigue siendo la misma. 

Hoy vamos a experimentar un poco para explicar claramente el concepto de masa y volumen. Para ello vamos  a medir la masa de dos esferas de diferente tamaño y del mismo material (acero). Podremos comprobar que la esfera más grande tiene más masa.

Por otra parte vamos a medir la masa de dos esferas de igual tamaño pero de diferente material (por ejemplo plástico y acero). ¿Qué ocurre? Aquí, las esferas de igual tamaño no tienen la misma masa, por lo que veremos que el peso que nos marcará la balanza será diferente. 

Así podremos comprobar que la masa de un cuerpo no solo depende de su tamaño, sino también del material con el que está hecho. 

Otro experimento que vamos a llevar a cabo en el aula es la medición de volumen. Para ello vamos a necesitar dos probetas con igual cantidad de agua. Mediremos el volumen de dos esferas de diferente tamaño. Así veremos como la esfera más grande ocupará mayor volumen que la pequeñita. 

De igual forma, mediremos el volumen de dos esferas de igual tamaño pero de diferente material (acero y plástico). Las dos esferas ocuparán  igual volumen. 

Así podremos comprobar in situ que el volumen de un cuerpo depende solo de su tamaño y no del material con el que está hecho. 

Es importante que recuerdes que el volumen también se puede expresar en unidades de capacidad como el litro. Esto se debe a la especial relación que hay entre el volumen de un cuerpo y la capacidad de un recipiente para contener cierta cantidad de sustancia. Es importante que recuerdes las siguientes equivalencias: 

Ley de Boyle-Mariotte: Relación entre presión y volumen.

Ante todo lo primero daros las gracias. Ya sois más de 2700 los que os habéis dado un paseo por Física y Química de un vistazo y ¡es de agradecer!

Vamos hoy a dar un pasito más con la presión y el volumen. Seguro que en más de una ocasión jugando con una jeringuilla habéis probado a apretar el émbolo habiendo tapado previamente su punta con el dedo.  ¿Sabes qué ocurre? 

Pues muy sencillo, ya que al apretar, el volumen de aire disminuye y, cuanta más presión se haga, más se reducirá el volumen. Por el contrario, al dejar de apretar, el volumen aumentará hasta llegar a su valor inicial. 

Para encontrar la ley que va a relacionar la presión y el volumen nos topamos con Robert Boyle y Edme Mariotte; ambos en el siglo XVII y por separado, llevaron a cabo una serie de experimentos y obtuvieron datos de la presión y el volumen de un gas semejantes a los que se indican. 

La ley de Boyle-Mariotte nos dice que a temperatura constante, el volumen ocupado por una determinada masa de gas es inversamente proporcional a la presión. Es decir el producto de la presión y el volumen es constante. 

En la siguiente imagen puede verse claramente ya que para esta experiencia, la constante es 10 atmL. La gráfica obtenida tiene la forma de una hipérbola equilátera, lo que indica que ambas magnitudes son inversamente proporcionales ya que si la presión se duplica, el volumen se reduce a la mitad y viceversa. 

OJO: No metas la pata, ya que en las leyes de los gases, hay que utilizar la escala absoluta de temperaturas (T), que se mide en Kelvin. 

Interpretación cinética de la temperatura, la presión y los cambios de estado

¿Sabías que el cero absoluto se corresponde con la temperatura de -273.15 ºC? Por ello, la relación entre grados Celsius y la temperatura absoluta, que se mide en Kelvin es:

T(K) = T(ºC) + 273.15

Las partículas de cualquier gas se mueven aleatoriamente en todas las direcciones con una velocidad media determinada. Cualquier cuerpo o partícula que se mueva a cualquier velocidad posee energía cinética.  Como resultado, las partículas adquieren una energía cinética media que es proporcional a la temperatura absoluta (en Kelvin). 

A menor velocidad de las partículas, menor energía cinética y menor temperatura absoluta. Al aumentar la velocidad de las partículas, aumenta la energía cinética y por tanto la temperatura. 

Por otra parte, según la teoría cinético molecular, la presión de un gas es el resultado de las colisiones de sus partículas contra las paredes del recipiente que las contiene. Al aumentar la temperatura, la energía cinética aumenta, al igual que la velocidad y la frecuencia de las colisiones. Como resultado, aumenta también la presión. De forma análoga, si baja la temperatura, disminuye la fuerza de las colisiones y disminuye la presión. 

Al disminuir el volumen del recipiente donde se encuentra el gas, aumenta la frecuencia con que las partículas chocan contra las paredes, aumentando por ello la presión. Al contrario, si aumentamos el volumen, la frecuencia de las colisiones disminuye. 

¿Te atreves ahora a explicar por qué si tenemos un gas encerrado en una jeringuilla inicialmente el gas ocupa 50 ml pero tras meter la jeringuilla en un frigorífico durante media hora, observamos que el volumen del gas ha disminuido hasta 30 ml? 

Los cambios de estado de la materia

La materia se puede presentar en la naturaleza en un estado u otro dependiendo de las condiciones en las que se encuentre. Los cambios de estado son procesos físicos que se producen cuando una sustancia pasa de un estado de agregación a otro diferente. 

Cada uno de los cambios de estado tiene un nombre específico. En unos casos se absorbe calor (fusión y vaporización) y en otros se desprende calor (condensación y solidificación). 

A la temperatura a la que un sólido se transforma en líquido, o a la inversa, se la denomina punto de fusión. Cuando el cambio es de líquido a gas, o a la inversa, se llama punto de ebullición. Las dos magnitudes son características para cada sustancia y se pueden utilizar para identificarlas, como se muestra en la siguiente tabla:

Proceso de ebullición y de evaporación

En la vaporización hay que diferenciar entre la ebullición, que es el cambio de estado de líquido a gas que ocurre en toda la masa del líquido, y la evaporación, que se produce solo en la superficie del líquido y a cualquier temperatura (inferior a la de ebullición). Esto explica por qué, al cabo de un tiempo, un vaso lleno de agua a temperatura ambiente disminuye de nivel. 

Ya sabes un poquito más de los cambios de estado de la materia... ¿Continuamos? 

El movimiento browniano y el origen de la teoría cinético-molecular

En 1827 el botánico escocés Robert Brown, que se encontraba investigando una suspensión de partículas de polen en una solución acuosa, observó al microscopi que dichas partículas tenían un movimiento caótico e incesante. 

Al principio se pensó que este movimiento podía deberse al polen vivo, pero se observó que los granos de polen que habían sido conservados durante siglos también se movían de la misma forma y las motas de polvo suspendidas en el aire tenían un comportamiento similar. 

En 1905 Einstein publicó un artículo titulado "Sobre el movimiento requerido por la teoría cinético molecular del calor de pequeñas partículas suspendidas en un líquido estacionario en el que, por métodos estadísticos, obtuvo una ecuación que representaba el movimiento de las moléculas de agua golpeando a los granos de polen o a cualquier otro pequeño cuerpo. 

Resulta sorprende que en esta ecuación figurara el tamaño de la molécula del agua, ya que por entonces aún había científicos que no creían en la existencia real de los átomos y moléculas y sólo los consideraban ficciones teóricas útiles para comprender las reacciones químicas. 

En este trabajo, Einstein no sólo explicaba el movimiento browniano, sino que proporcionaba una evidencia experimental de la existencia de los átomos y daba un considerable impulso a los estudios de mecánica estadística y a la propia teoría cinética de los fluidos, que por aquél entonces se encontraban inmersas en importantes controversias. 

Para poder explicar el movimiento browniano y otras propiedades de la materia, en el siglo XIX surgió la teoría cinético-molecular basada en varios postulados: 

1. La materia está formada por partículas muy pequeñas entre las que existe el vacío. La materia no es continua en el espacio, se dice que es discontinua. 
2. Las partículas se encuentran en continuo movimiento. Al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad y la energía cinética de las partículas. 
3. Existen fuerzas de atracción (o de cohesión) entre las partículas que las mantiene unidas. Al aumentar la distancia entre las partículas, disminuye dicha fuerza. 

En el siguiente vídeo podéis ver un claro ejemplo del movimiento browniano y el efecto que produce la temperatura en el mismo. 

La densidad, una propiedad característica de la materia

¿Qué pesa más, 1 kg de plomo o 1 kg de plumas? 

¡Los dos pesan igual; porque la masa es la misma en ambos casos. Coloquialmente se suele decir que el plomo es "muy pesado" y que la pluma es "muy ligera", cuando lo que se quieres expresar es una propiedad que indica la cantidad de masa por unidad de volumen, es decir la densidad. 

La densidad es una propiedad característica de la materia y su valor no depende de la cantidad de materia, solamente de la naturaleza de las sustancias. En el sistema internacional se mide en kg/m ˆ3.

Hay sustancias que tienen más átomos por unidad de volumen que otros, en consecuencia tienen más gramos, o kilogramos por unidad de volumen. Por lo tanto, hay sustancias que tienen más densidad que otros. 

La densidad del agua, por ejemplo, es de 1 g/cm^3. Esto significa, que si tomamos  un cubo de 1 cm de lado y lo llenamos de agua, el agua contenida en dicho cubo tendrá una masa de un gramo. 

En cambio, el mercurio que es más denso que el agua, tiene una densidad de 13,6 g/cm^3. Esto significa que en un cubo de 1 cm de lado lleno con mercurio se tiene una masa de 13,6 gramos. 

Generalmente los sólidos tienen mayor densidad que los líquidos, y estos últimos más que los gases. Es por el hecho de que en un gas las partículas que lo forman están menos cohesionadas, en términos vulgares significa que están más separadas. En los líquidos hay mayor cohesión y en los sólidos ya es mayor aún.