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Física y Química 3.º ESO · Las variables de los gases: presión, volumen y temperatura

Recuerda: qué le pasa a un gas al calentarlo, enfriarlo o comprimirlo

Objetivo: Al terminar, sabrás predecir, con la teoría cinético-molecular, qué le pasa a la presión, al volumen o a la temperatura de un gas cuando lo calientas, lo enfrías o lo comprimes.

Recuerda

Las variables de estado de un gas

Para describir el estado de un gas (con una cantidad fija de gas) usamos tres magnitudes, las variables de estado:

Variable	Qué es	Cómo lo explica la teoría cinético-molecular
Volumen ( $V$ )	El espacio que ocupa el gas	Las partículas se mueven libremente y ocupan todo el recipiente: el volumen del gas es el del recipiente.
Presión ( $P$ )	La fuerza que hace el gas sobre cada unidad de superficie de las paredes	Se debe a los choques de las partículas contra las paredes. Más choques, o más fuertes, → más presión.
Temperatura ( $T$ )	Lo caliente o frío que está	Mide lo rápido que se mueven las partículas. Más temperatura → partículas más rápidas.

Qué pasa si…

Calentamos el gas: las partículas van más rápido y chocan más y con más fuerza.
- Si el recipiente es flexible (un globo), el gas se expande: aumenta el volumen.
- Si el recipiente es rígido (un bote cerrado), no puede expandirse: aumenta la presión.
Enfriamos el gas: ocurre lo contrario (el globo se encoge o la presión baja).
Comprimimos el gas (reducimos su volumen sin cambiar la temperatura): las partículas tienen menos sitio y chocan más veces contra cada trozo de pared: aumenta la presión.

Al calentar, enfriar o comprimir un gas, el número de partículas no cambia y las partículas no cambian de tamaño: lo que cambia es lo rápido que se mueven y el espacio que tienen.

Unidades

Variable	Unidad del SI	Otras unidades frecuentes
Presión ( $P$ )	pascal (Pa)	atmósfera (atm), milímetro de mercurio (mmHg), hectopascal (hPa), bar
Volumen ( $V$ )	metro cúbico (m³)	litro (L), mililitro (mL), cm³
Temperatura ( $T$ )	kelvin (K)	grado Celsius (°C)

Equivalencias de presión: $1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg} = 101\,325\ \text{Pa} \approx 1013\ \text{hPa}$ .
Los mapas del tiempo dan la presión en hPa (o en milibares, que es lo mismo); el manómetro de una gasolinera da la presión de las ruedas en bar (1 bar es casi 1 atm).
La temperatura en kelvin se obtiene sumando 273 a la temperatura en grados Celsius: $T(\text{K}) = t(°\text{C}) + 273$ .

La presión atmosférica

El aire que nos rodea también es un gas: sus partículas chocan contra todo lo que encuentran y producen la presión atmosférica. Se mide con un barómetro.

A nivel del mar es de aproximadamente 1 atm (unos 1013 hPa).
Disminuye con la altitud, porque arriba queda menos aire por encima y hay menos partículas chocando. En Madrid, a unos 650 m de altitud, es de unos 940 hPa (valor aproximado, unas 0,93 atm).

La presión del gas encerrado en un recipiente (una rueda, una bombona) se mide con un manómetro. Si metemos más gas en un recipiente rígido, hay más partículas chocando contra las paredes y aumenta la presión.

Puntos clave

El estado de un gas se describe con tres variables: presión ( $P$ ), volumen ( $V$ ) y temperatura ( $T$ ).
La presión se debe a los choques de las partículas contra las paredes del recipiente.
Más temperatura significa partículas que se mueven más rápido.
Al calentar un gas en un recipiente flexible aumenta su volumen; en un recipiente rígido aumenta su presión.
Al comprimir un gas a temperatura constante aumenta su presión.
Unidades de presión: Pa (SI), atm, mmHg, hPa, bar. $1\ \text{atm} = 760\ \text{mmHg} \approx 1013\ \text{hPa}$ .
La presión atmosférica se debe a los choques de las partículas del aire; es de 1 atm a nivel del mar y disminuye con la altitud.
Si metemos más gas en un recipiente rígido, aumenta la presión.

Errores frecuentes

ErrorDecir que al calentar un gas las partículas se hacen más grandes (o que «se dilatan las partículas»).
Cómo corregirloLas partículas no cambian de tamaño: se mueven más rápido y se separan más. Lo que aumenta es el espacio entre ellas.
ErrorPensar que al comprimir un gas desaparecen partículas o que al calentarlo aparecen más.
Cómo corregirloSi el recipiente está cerrado, el número de partículas es siempre el mismo. Solo cambia cómo se mueven y cuánto sitio tienen.
ErrorCreer que la presión la produce el peso del gas sobre el fondo del recipiente.
Cómo corregirloUn gas empuja igual en todas las paredes (arriba, abajo y a los lados) porque sus partículas chocan en todas direcciones.
ErrorPensar que el aire no ejerce presión porque no lo notamos.
Cómo corregirloEl aire empuja sobre todo lo que toca, en todas direcciones; no lo notamos porque el aire de dentro de nuestro cuerpo empuja hacia fuera con la misma presión.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1. Un globo al sol y en el congelador situación real
Hinchas un globo en clase y lo atas. a) ¿Qué le pasa si lo dejas un rato al sol en el patio? b) ¿Y si lo metes en el congelador? Explícalo con la teoría cinético-molecular.

Resolución
a) Al sol el aire del globo se calienta: sus partículas se mueven más rápido y chocan con más fuerza contra la goma. Como el globo es flexible, la goma cede y el globo se hincha un poco más (aumenta su volumen).

b) En el congelador el aire se enfría: las partículas se mueven más despacio y empujan menos la goma. El globo se encoge (disminuye su volumen). Al sacarlo y calentarse de nuevo, recupera su tamaño.

En los dos casos el número de partículas y su tamaño no cambian.
Ejemplo 2. La jeringa tapada experimental
Tiras del émbolo de una jeringa de 20 mL hasta llenarla de aire, tapas la punta con el dedo y empujas el émbolo. a) ¿Qué notas en el dedo? b) ¿Qué pasa cuando sueltas el émbolo? c) Explícalo con la teoría cinético-molecular.

Resolución
a) Cuanto más empujas, más fuerte empuja el aire contra el dedo: la presión del aire aumenta.

b) Al soltar, el émbolo vuelve hacia atrás casi hasta donde estaba.

c) Al empujar, el mismo número de partículas tiene menos sitio; cada trozo de pared (y tu dedo) recibe más choques por segundo, así que aumenta la presión. Al soltar, el aire de dentro empuja más que el de fuera y el émbolo retrocede hasta que las presiones se igualan.

Ejercicios

De menos a más. Intenta cada uno antes de mirar la solución.

1. Fácil
Un balón de baloncesto bien hinchado se queda en el patio durante una noche de enero en Madrid. Por la mañana bota peor: está más blando. Explica por qué con la teoría cinético-molecular.

Ver solución
El aire se ha enfriado: sus partículas se mueven más despacio, chocan menos y con menos fuerza, y la presión dentro del balón disminuye.
El balón es casi rígido, así que su volumen apenas cambia. Por la noche el aire de dentro se enfría → las partículas se mueven más despacio → chocan menos veces y con menos fuerza contra la pared → disminuye la presión y el balón está más blando. Cuando se calienta, vuelve a botar bien.
2. Media
Copia y completa la tabla con «aumenta», «disminuye» o «no cambia».

Lo que hacemos Rapidez de las partículas Volumen Presión

Calentar un bote de cristal cerrado

Comprimir el aire de una jeringa tapada, sin calentarlo

Enfriar un globo
Ver solución
Bote: aumenta, no cambia, aumenta. Jeringa: no cambia, disminuye, aumenta. Globo: disminuye, disminuye, (prácticamente) no cambia.
- Bote de cristal calentado: las partículas van más rápido (aumenta); el bote es rígido (el volumen no cambia); hay más choques y más fuertes (aumenta la presión).
- Jeringa comprimida sin calentar: la temperatura no cambia, así que la rapidez no cambia; el volumen disminuye; hay más choques por unidad de superficie (aumenta la presión).
- Globo enfriado: las partículas van más despacio (disminuye); el globo se encoge (disminuye el volumen); la presión dentro del globo prácticamente no cambia, porque la goma se ajusta a la presión de fuera.
3. Difícil
Cuando subes en coche al puerto de Navacerrada, una bolsa de patatas fritas cerrada en Madrid llega muy hinchada. Arriba la presión del aire es menor que en Madrid. Explica por qué se hincha la bolsa.

Ver solución
Fuera de la bolsa hay menos presión; el aire de dentro empuja más que el de fuera y la bolsa se expande hasta que las presiones casi se igualan.
La bolsa está cerrada: dentro hay siempre el mismo aire. Al subir, el aire de fuera tiene menos presión (sus partículas chocan menos contra la bolsa por fuera). El aire de dentro empuja más que el de fuera, así que la bolsa se expande hasta que la presión de dentro baja y se iguala casi con la de fuera. Su volumen aumenta.

Para practicar más

1. Fácil
Los botes de espray llevan el aviso «No exponer a temperaturas superiores a 50 °C». Explica con la teoría cinético-molecular qué podría pasar si dejas uno junto a un radiador o dentro de un coche al sol en verano.

Ver solución
Al calentarse, las partículas del gas se mueven más rápido y la presión dentro del bote (rígido) aumenta; el bote podría reventar.
El bote es rígido: el volumen del gas no puede aumentar. Al calentarse, las partículas se mueven más rápido y chocan más veces y con más fuerza contra las paredes → la presión aumenta mucho. Si supera lo que aguanta el metal, el bote revienta.
2. Media
Llenas una jeringa con 10 mL de aire, tapas la punta y tiras del émbolo hacia fuera. a) ¿Qué pasa con la presión del aire de dentro? b) ¿Qué ocurre si sueltas el émbolo? c) Dibuja (o describe) las partículas de aire antes y después de tirar.

Ver solución
a) Disminuye. b) El émbolo vuelve hacia dentro. c) Mismo número de partículas, más separadas después de tirar.
a) Al tirar, el mismo número de partículas tiene más sitio: chocan menos veces contra cada trozo de pared → la presión disminuye.

b) Ahora el aire de fuera empuja más que el de dentro, así que el émbolo vuelve hacia dentro al soltarlo.

c) Antes: partículas en un espacio pequeño. Después: el mismo número de partículas, del mismo tamaño, pero más separadas.
3. Fácil
Indica si cada frase es verdadera o falsa y corrige las falsas: a) Al calentar un gas, sus partículas se hacen más grandes. b) La presión de un gas se debe a los choques de sus partículas contra las paredes. c) Si comprimes un gas sin calentarlo, sus partículas se mueven más rápido. d) En un recipiente rígido, al calentar el gas aumenta su presión.

Ver solución
a) F. b) V. c) F. d) V.
a) Falsa. Las partículas no cambian de tamaño; se mueven más rápido y, si el recipiente lo permite, se separan más. b) Verdadera. c) Falsa. Si la temperatura no cambia, la rapidez de las partículas tampoco: lo que aumenta es el número de choques por unidad de superficie (y, por tanto, la presión). d) Verdadera.

Lo que hacemos	Rapidez de las partículas	Volumen	Presión
Calentar un bote de cristal cerrado
Comprimir el aire de una jeringa tapada, sin calentarlo
Enfriar un globo