Termodinámica. Calor y Temperatura. Gases. Temas

Transcripción

1 Termodinámica Calor y Temperatura Temas 3. GSES IDELES Y ESTDOS TERMODINÁMICOS. 3. Concepto y características del gas ideal. 3. Ley de Boyle, Ley de Charles, Ley de Gay- Lussac e hipótesis de vogadro. 3.3 Ecuación de estado del gas ideal P = nrt y su aplicación en la determinación de los diferentes estados termodinámicos y su representación grafica de presión vs. volumen. Gases Una sustancia se considera gas cuando las fuerzas interatómicas (o intermoleculares) entre los distintos átomos (o moléculas) que la forman son tan pequeñas que la sustancia no adopta, ni forma, ni volumen fijo, tendiendo a expandirse todo lo posible para ocupar el recipiente que lo contiene. Refiriéndose a los gases, las condiciones normales de presión y temperatura (CNPT) para la determinación de sus propiedades son, por acuerdo internacional: 0ºC (73,5K) y atm (ó 0 5 Pa, como recomienda la International Union of Pure and pplied Chemistry, IUPC), con la salvedad de que los medidores de gasto volumétrico se calibran a 5 ºC. 3

2 Gases Es importante mencionar que un gas es una sustancia que se encuentra en ese estado a temperatura y presión normales, mientras que vapor es la forma gaseosa de cualquier sustancia que normalmente es líquida o sólida a condiciones normales. En condiciones normales de presión y temperatura (CNPT) existen elementos que son gaseosos como los del grupo 8, (las moléculas de) O, N, H, F y Cl. El O es esencial para la vida. H S y HCN son venenos mortales. CO, NO, O 3, y SO, son tóxicos. El He, r y Ne son químicamente inertes. 4 Gases Presión de un Gas Los gases ejercen presión sobre cualquier superficie con la que entren en contacto, dado que las moléculas gaseosas están en constante movimiento y chocan con la superficie del recipiente que los contienen. 5 Gas ideal 6

3 Gas ideal L gas de baja densidad y sin interacción entre sus componentes Se define un gas ideal como aquel en el que todas las colisiones entre los átomos y/o moléculas son perfectamente elásticos y en el cual no hay fuerzas de interacción intermoleculares. Se modela como un gas de esferas duras sin volumen que solo interaccionan mediante choques perfectamente elásticos. La energía interna es la energía cinética total de las moléculas Todo cambio de energía interna va acompañado de un 7 cambio en la temperatura P,, T y n no son independientes. P = cte ( a T = cte) ley de P Boyle: (n, T constantes) P T T 8 En 66, el irlandés Robert Boyle (67-69) enuncia la hoy conocida como Ley de Boyle- Mariotte*, que establece: Cuando el gas se mantiene a temperatura constante, su presión es inversamente proporcional a su volumen. P = P * En 660, el francés Edme Mariotte (60-684) emprendió investigaciones sobre las deformaciones elásticas de los sólidos e, independientemente de su colega Robert Boyle, enunció una ley relacionada con la compresibilidad de los gases. En su tratado De la naturaleza del aire (676) formuló la ley de compresibilidad de los gases: "a temperatura constante, el volumen de un gas varía en razón inversa a su presión". 9 3

4 En 787, el francés Jacques lexandre César Charles (746-83) enuncia la hoy conocida como ley de Charles, que establece: Cuando la presión del gas se mantiene constante, su volumen es directamente proporcional a su temperatura. /T = /T 0 ley de Charles - T (n, P Gay Lussac constantes ) P P T/ = cte ( a P = cte) T En 80, el francés Joseph Louis Gay-Lussac ( ) enuncia la hoy conocida como Ley de Gay- Lussac, que establece: Cuando el gas se mantiene en un recipiente a volumen constante, la presión experimentada es directamente proporcional a su temperatura. P /T = P /T 4

5 ley de vogadro: n (P, T = constantes) Propuesta en 8 por el químico italiano medeo vogadro ( ) y establece que los volúmenes iguales de gases en la misma temperatura y presión contienen el mismo número de moléculas sin importar su naturaleza química y características físicas. Este número es conocido como número de vogadro y su valor es 6.03 x Ecuación de estado para el gas ideal R = N P = nrt N = Número de moles k 3 Número de vogadro R = J / mol º K R = 0.08 atm l / mol º K Constante de los gases 3 k =.38 0 J / K Constante de Boltzmann 4 Ecuación de estado y diagrama p- Para terminar, introduciremos una herramienta muy útil en termodinámica: el diagrama p-, empleado para estudiar sistemas termodinámicos, como los gases ideales. De la ecuación de estado del gas ideal podemos escribir nrt p = y si fijamos el valor de la temperatura T, podemos graficar la expresión anterior en un sistema de coordenadas p vs., resultando lo que se conoce como diagrama p-. 5 5