Física y Química 3.º ESO · Las variables de los gases: presión, volumen y temperatura
Presión, volumen y temperatura de un gas: unidades y escala Kelvin
Objetivo: Al terminar, sabrás expresar la presión de un gas en atm, mmHg, Pa, hPa y bar, el volumen en L, mL y m³, y pasar temperaturas de grados Celsius a kelvin y al revés.
Explicación
El volumen
El volumen de un gas es el del recipiente que lo contiene. En el SI se mide en metros cúbicos (), pero para los gases se usan mucho el litro (L) y el mililitro (mL):
La presión
La presión es la fuerza que se ejerce sobre cada unidad de superficie: . En un gas se debe a los choques de las partículas contra las paredes.
- Unidad del SI: el pascal (Pa): . Es una presión muy pequeña, por eso se usan otras unidades.
- Atmósfera (atm): la presión media del aire al nivel del mar.
- Milímetro de mercurio (mmHg): en 1643, Torricelli llenó de mercurio un tubo de 1 m, le dio la vuelta sobre una cubeta de mercurio y vio que la columna bajaba hasta quedarse en 760 mm al nivel del mar. El aire, al empujar sobre la cubeta, sostiene esa columna.
- Hectopascal (hPa) o milibar (mbar): los usan los mapas del tiempo. Bar: se usa en neumáticos, bombonas y botellas de buceo.
Para cambiar de unidad usamos factores de conversión, por ejemplo:
La temperatura y la escala Kelvin
Cuanto más se enfría un gas, más despacio se mueven sus partículas. Hay una temperatura por debajo de la cual no se puede bajar: el cero absoluto, que es (más exactamente, ).
La escala Kelvin (o escala absoluta) empieza en el cero absoluto. Su unidad, el kelvin (K), es la unidad de temperatura del SI. Un kelvin es igual de «grande» que un grado Celsius, así que solo hay que desplazar el cero:
- Se escribe «300 K» (sin el símbolo de grado) y se lee «300 kelvin».
- En la escala Kelvin no hay temperaturas negativas.
- En las leyes de los gases la temperatura siempre se usa en kelvin.
Puntos clave
- ; ; .
- La unidad de presión del SI es el pascal: .
- ; .
- El cero absoluto () es la temperatura más baja posible.
- : un aumento de 1 °C es un aumento de 1 K.
- En las leyes de los gases la temperatura siempre va en kelvin.
Errores frecuentes
ErrorRestar 273 en vez de sumarlo al pasar de °C a K (por ejemplo, 20 °C = −253 K).
Cómo corregirloEn kelvin no hay temperaturas negativas: al pasar de °C a K el número siempre aumenta en 273.
ErrorEscribir «300 °K» o «grados kelvin».
Cómo corregirloLa unidad es el kelvin, sin símbolo de grado: 300 K.
ErrorUsar mal el factor de conversión: multiplicar por 760 cuando hay que dividir.
Cómo corregirloEscribe el factor como fracción y comprueba que la unidad que quieres quitar se simplifica: .
ErrorPensar que si la temperatura pasa de 10 °C a 20 °C se ha duplicado.
Cómo corregirloPásalo a kelvin: de 283 K a 293 K. La temperatura absoluta solo ha aumentado un poco (un 3,5 %).
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1. El parte del tiempo numérico (factores de conversión)
En el mapa del tiempo de la AEMET, el centro de un anticiclón sobre la península marca 1020 hPa. Expresa esa presión en pascales, en atmósferas y en milímetros de mercurio.
Resolución
En Pa: .
En atm: .
En mmHg: .
Es una presión algo mayor que la normal (1 atm = 1013 hPa): por eso se llama «alta presión».
Ejemplo 2. El experimento de Torricelli en Madrid experimental (histórico)
Torricelli comprobó que, al nivel del mar, el aire sostiene una columna de mercurio de 760 mm. Si repitiéramos su experimento en Madrid (a unos 650 m de altitud), la columna mediría unos 705 mm. a) ¿Por qué es más baja? b) Expresa esa presión en atm y en Pa.
Resolución
a) En Madrid hay menos aire por encima que al nivel del mar: el aire empuja menos sobre la cubeta y sostiene una columna más baja. La presión atmosférica disminuye con la altitud.
b)
(unos 940 hPa).
Son valores aproximados: la presión cambia un poco de un día a otro.
Ejemplo 3. De grados Celsius a kelvin, en una gráfica gráfico
La gráfica relaciona la temperatura en kelvin, , con la temperatura en grados Celsius, . a) ¿Cuántos kelvin son 0 °C? ¿Y 37 °C (temperatura del cuerpo humano)? b) ¿En qué temperatura Celsius la recta corta el eje horizontal? ¿Qué significa? c) Si un gas se calienta 10 °C, ¿cuántos kelvin aumenta su temperatura?
Resolución
La recta es .
a) . .
b) Corta el eje horizontal ( K) en : es el cero absoluto. A la izquierda de ese punto la recta no sigue porque no existen temperaturas más bajas.
c) La recta sube lo mismo que avanza (pendiente 1): 10 °C de aumento son 10 K de aumento. Por ejemplo, de 20 °C a 30 °C se pasa de 293 K a 303 K.
Ejercicios
De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.
1. Fácil
a) Pasa a kelvin: 25 °C; −18 °C (un congelador); 100 °C; −196 °C (el nitrógeno líquido hierve). b) Pasa a grados Celsius: 300 K; 250 K.
Ver solución
a) 298 K; 255 K; 373 K; 77 K. b) 27 °C; −23 °C.
a) Sumamos 273: ; ; ; . b) Restamos 273: ; .
2. Fácil
Expresa: a) 2 atm en mmHg. b) 380 mmHg en atm. c) 1,5 atm en Pa. d) 50 000 Pa en atm.
Ver solución
a) 1520 mmHg. b) 0,5 atm. c) ≈ 152 000 Pa. d) ≈ 0,49 atm.
a) b) c) d)
3. Fácil
Expresa en litros: a) 250 mL; b) 2,5 m³; c) 750 cm³. d) Expresa 0,04 L en mL.
Ver solución
a) 0,25 L. b) 2500 L. c) 0,75 L. d) 40 mL.
a) b) c) d)
4. Media
En el puerto de Navacerrada (a unos 1860 m de altitud) la presión atmosférica es de unos 810 hPa. a) Exprésala en atm y en mmHg. b) ¿Qué columna de mercurio mediría allí el barómetro de Torricelli? c) ¿Qué porcentaje de la presión al nivel del mar es, aproximadamente?
Ver solución
a) ≈ 0,80 atm; ≈ 608 mmHg. b) Unos 608 mm. c) Aproximadamente el 80 %.
a) ; . . b) Una columna de unos 608 mm de mercurio. c) frente a : alrededor del 80 %.
5. Difícil
Un gas se calienta de 20 °C a 40 °C. Pablo dice: «Su temperatura se ha duplicado». a) Pasa las dos temperaturas a kelvin. b) ¿Tiene razón Pablo? ¿Cuántas veces mayor es la temperatura absoluta final que la inicial?
Ver solución
a) 293 K y 313 K. b) No: la temperatura absoluta solo aumenta 1,07 veces (un 7 %).
a) ; . b) . No tiene razón: la temperatura absoluta solo se multiplica por 1,07 (aumenta un 7 %). Para duplicarla habría que llegar a , es decir, .
Por eso, en las leyes de los gases, que usan proporciones, la temperatura debe ir en kelvin.
Para practicar más
1. Fácil
Completa: a) El mercurio se solidifica a −39 °C. ¿Cuántos kelvin son? b) La superficie del Sol está a unos 5800 K. ¿Cuántos grados Celsius son, aproximadamente? c) Un día de julio en Madrid se alcanzan 40 °C. ¿Cuántos kelvin son? d) ¿A cuántos grados Celsius equivale 0 K?
Ver solución
a) 234 K. b) Unos 5500 °C (5527 °C). c) 313 K. d) −273 °C.
a) b) (el dato es aproximado) c) d) (el cero absoluto)
2. Media
a) Dentro de una olla a presión, el vapor llega a unas 2 atm. Exprésalo en Pa y en hPa. b) El aire de una botella de buceo llena está a unos 200 bar. ¿Cuántas atmósferas son, aproximadamente? c) Expresa 1,2 atm en mmHg.
Ver solución
a) ≈ 202 650 Pa ≈ 2027 hPa. b) Unas 197 atm (casi 200 atm). c) 912 mmHg.
a) ; . b) ; . Como 1 bar es casi 1 atm, son casi 200 atm. c)
3. Fácil
a) Un aula mide 8 m × 6 m × 3 m. ¿Cuántos litros de aire contiene? b) Expresa en litros el aire de una jeringa de 20 mL. c) Expresa en cm³ el volumen de una botella de 1,5 L.
Ver solución
a) 144 000 L. b) 0,020 L. c) 1500 cm³.
a) ; . b) . c) .
4. Media
El barómetro digital de una estación meteorológica de un instituto de Madrid marca 945 hPa. a) Expresa esa presión en atm y en mmHg. b) ¿Es mayor o menor que la presión normal al nivel del mar? ¿Por qué crees que ocurre?
Ver solución
a) ≈ 0,93 atm; ≈ 709 mmHg. b) Menor, porque Madrid está a unos 650 m de altitud: hay menos aire encima.
a) ; ; . b) Es menor que 1 atm (1013 hPa). Madrid está a unos 650 m sobre el nivel del mar: hay menos aire por encima y la presión atmosférica es menor.
5. Difícil
Un gas está a 27 °C. ¿Hasta qué temperatura, en grados Celsius, hay que calentarlo para que su temperatura absoluta se duplique?
Ver solución
Hasta 327 °C (600 K).
- Temperatura inicial en kelvin: .
- Doble: .
- En grados Celsius: .
Fíjate: duplicar la temperatura absoluta no es pasar de 27 °C a 54 °C.