Propiedades de los Gases: Presión, Volumen y Leyes Fundamentales

Estática y Propiedades de los Gases

Los gases se caracterizan por ocupar todo el espacio disponible, a diferencia de los sólidos y los líquidos. Están compuestos por partículas con gran movilidad que llenan por completo el volumen del recipiente que los contiene.

Propiedades Generales

• Expansibilidad: Los gases no poseen un volumen fijo. Su volumen varía y se expande hasta ocupar todo el recipiente, adaptándose a la presión a la que están sometidos.
• Compresibilidad: Pueden ser comprimidos fácilmente al aplicar una presión externa, lo que provoca una reducción significativa de su volumen.

Densidad de los Gases

El peso de los gases es una propiedad medible. A continuación, se presentan las densidades de algunos gases comunes en condiciones estándar (0 °C y 760 mmHg de presión):

• Aire: Aproximadamente 1,3 g/L
• Oxígeno (O₂): 1,430 g/L
• Nitrógeno (N₂): 1,256 g/L
• Hidrógeno (H₂): 0,0895 g/L
• Cloro (Cl₂): 3,180 g/L

Presión Atmosférica y su Medición

La presión atmosférica es la fuerza que ejerce el peso de la columna de aire de la atmósfera sobre cada unidad de superficie. Esta presión se ejerce en todas las direcciones y con la misma intensidad en un punto dado.

El Experimento de Torricelli

El experimento de Evangelista Torricelli fue fundamental para medir por primera vez la presión atmosférica. Demostró que, en condiciones estándar (a 0 °C, al nivel del mar y a 45° de latitud), la presión atmosférica es capaz de equilibrar una columna de mercurio de 76 cm (760 mm) de altura.

El cálculo de la presión (P) se deriva de la fórmula P = h × d × g, donde h es la altura, d es la densidad del fluido y g es la aceleración de la gravedad. Para el mercurio, esto resulta en aproximadamente 1.013.000 barias.

Unidades de Presión

• 1 atmósfera (atm) ≈ 1033,6 g-fuerza/cm²
• 1 bar = 1.000.000 barias
• 1 bar = 1000 milibares (mbar)
• 1 atm = 1013,25 mbar ≈ 1,013 bar

Instrumentos de Medición: Barómetros

Los barómetros son los aparatos utilizados para medir la presión atmosférica. Existen principalmente dos tipos:

• Barómetros de Mercurio: Son los más precisos.
  • Barómetro de cubeta: Consiste en un tubo de vidrio con mercurio, invertido sobre una cubeta que también contiene mercurio. La altura de la columna indica la presión.
  • Barómetro de Fortin: Es una versión mejorada del barómetro de cubeta, donde el nivel del mercurio en el recipiente se puede ajustar con precisión.
• Barómetros Metálicos o Aneroides: Son más prácticos, portátiles y robustos.
  • Barómetro de Vidi: Utiliza una cápsula metálica cilíndrica, cerrada y flexible. La tapa se deforma con los cambios de presión atmosférica, moviendo una aguja indicadora.
  • Barómetro de Bourdon: Emplea un tubo metálico delgado y curvado que tiende a cambiar su curvatura con las variaciones de presión, transmitiendo este movimiento a una aguja.

Leyes Fundamentales de los Gases

Ley de Boyle-Mariotte

Esta ley describe la relación inversa entre la presión y el volumen de un gas a temperatura constante. Establece que, para una masa de gas determinada, si la temperatura no cambia, el producto de la presión (P) por el volumen (V) es una constante.

P × V = constante

Por ejemplo, si la presión sobre un gas se duplica, su volumen se reducirá a la mitad, manteniendo la temperatura constante.

Medición de la Presión de un Gas: Manómetros

Los manómetros miden la presión de un gas confinado en un recipiente.

• Manómetro de tubo abierto: Consiste en un tubo en forma de U con un líquido (generalmente mercurio). Una rama se conecta al recipiente con el gas y la otra queda abierta a la atmósfera. Mide la diferencia entre la presión del gas y la presión atmosférica.
• Manómetro de tubo cerrado: Similar al anterior, pero una de las ramas está cerrada y contiene un vacío. Mide la presión absoluta del gas, basándose en la Ley de Boyle.
• Manómetros metálicos: Funcionan de manera análoga a los barómetros metálicos (como el de Bourdon) y son muy comunes en aplicaciones industriales por su robustez.

Humedad y Presiones Parciales

Composición del Aire y Humedad

El aire seco es una mezcla de gases, compuesta aproximadamente por un 78% de nitrógeno (N₂), un 21% de oxígeno (O₂), y pequeñas cantidades de otros gases como el dióxido de carbono (CO₂). Sin embargo, el aire atmosférico siempre contiene cierta cantidad de vapor de agua.

• La humedad absoluta es la masa de vapor de agua presente por unidad de volumen de aire.

Ley de Dalton y Humedad Relativa

La presión atmosférica total es la suma de las presiones que ejerce cada gas de la mezcla. La presión de cada gas individual se conoce como presión parcial. Este principio se conoce como la Ley de Dalton.

La cantidad máxima de vapor de agua que el aire puede contener (saturación) depende directamente de la temperatura. Por ejemplo, la presión de vapor de saturación del agua es:

• A 10 °C: no excede los 9,21 mmHg.
• A 15 °C: no excede los 12,79 mmHg.

Nota: Se han actualizado los valores de presión de vapor a datos más estándar, manteniendo la idea original del texto.

Cuando la presión parcial del vapor de agua alcanza este valor máximo para una temperatura dada, se dice que el aire está saturado.

La humedad relativa es la relación entre la cantidad de vapor de agua presente en el aire y la máxima que podría contener a esa misma temperatura. Se expresa como un porcentaje:

Humedad Relativa (%) = (Presión parcial del H₂O / Presión de vapor de saturación) × 100