Los efectos termodinámicos se manifiestan de manera significativa en los gases, especialmente a bajas temperaturas, debido a la actividad molecular de las moléculas de gas a temperatura ambiente. Un gas se define como el estado de la materia en el que las moléculas están poco unidas por fuerzas de cohesión, lo que le permite no tener forma ni volumen definidos. Las leyes de los gases perfectos relacionan la presión (p), el volumen (V) y la temperatura (T).
A. Ley de Boyle-Mariotte
Formulada independientemente por el físico y químico irlandés Robert Boyle (1662) y el físico francés Edme Mariotte (1676), la ley de Boyle-Mariotte establece que, a temperatura constante, el volumen VVV ocupado por una masa de gas es inversamente proporcional a su presión ppp. Esto se expresa matemáticamente como:p1⋅V1=p2⋅V2=p3⋅V3=constantep_1 \cdot V_1 = p_2 \cdot V_2 = p_3 \cdot V_3 = \text{constante}p1⋅V1=p2⋅V2=p3⋅V3=constante
B. Ley de Gay-Lussac o Ley de Charles
En 1787, el físico francés Jacques Charles descubrió la relación entre la temperatura y el volumen de un gas. Sin embargo, la ley fue formulada independientemente en 1802 por Louis Joseph Gay-Lussac. La ley de Gay-Lussac establece que, a presión constante, el volumen ocupado por cualquier gas perfecto es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Matemáticamente, esto se expresa como:V∝Ta presioˊn constanteV \propto T \quad \text{a presión constante}V∝Ta presioˊn constante
Además, Gay-Lussac descubrió experimentalmente que, a volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta:p∝Ta volumen constantep \propto T \quad \text{a volumen constante}p∝Ta volumen constante
C. Ecuación de estado de los gases perfectos
A partir de las leyes de Gay-Lussac, se deduce la ecuación de estado de los gases perfectos, que relaciona presión, volumen y temperatura de manera más general. La ecuación se expresa como:p⋅V=K⋅Tp \cdot V = K \cdot Tp⋅V=K⋅T
donde KKK es una constante que, para nnn moles de gas, se expresa como:K=n⋅RK = n \cdot RK=n⋅R
La constante RRR es la constante universal de los gases ideales, con un valor de 8.314 J/(K·mol). La ecuación general para un gas perfecto es:p⋅V=n⋅R⋅Tp \cdot V = n \cdot R \cdot Tp⋅V=n⋅R⋅T
donde:
- ppp es la presión del gas en Pascales (Pa),
- VVV es el volumen en metros cúbicos (m³),
- nnn es el número de moles del gas,
- RRR es la constante universal de los gases ideales (8.314 J/(K·mol)),
- TTT es la temperatura absoluta en Kelvin (K).
Esta ecuación se cumple para un gas perfecto a todas las presiones, aunque para gases reales, se aplica principalmente a presiones bajas. En condiciones industriales, el aire puede ser considerado un gas perfecto con un error máximo del 3%.
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