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Leyes de gas

En general, las leyes de los gases son las primeras ecuaciones de estado , que correlacionan las densidades de gases y líquidos con las temperaturas y presiones. Las leyes de los gases se desarrollaron por completo a fines del siglo XVIII. Estas leyes o declaraciones precedieron a la ley del gas ideal , ya que individualmente estas leyes se consideran casos especiales de la ecuación del gas ideal, con una o más de las variables mantenidas constantes. Como han sido reemplazados casi por completo por la ecuación del gas ideal, no es habitual que los estudiantes aprendan estas leyes en detalle. La ecuación del gas ideal fue establecida por primera vez por Émile Clapeyron en 1834 como una combinación de estas leyes:

Ley de Avogadro

La Ley de Avogadro es una de las leyes del gas. A principios del siglo XIX, un científico italiano Lorenzo Romano Amedeo Carlo Avogadro estudió la relación entre el volumen  y la cantidad de sustancia del gas presente. Los resultados de ciertos experimentos con gases lo llevaron a formular una conocida Ley de Avogadro . Establece que, bajo las mismas condiciones de temperatura y presión, volúmenes iguales de gases diferentes contienen un número igual de moléculas, o:

Para una masa fija de un gas ideal a presión y temperatura constantes, el volumen y la cantidad del gas son directamente proporcionales.

Puede expresar esto matemáticamente como:

V ∝ n

o

V = constante. norte

donde nR / V es constante y:

• n es la cantidad de sustancia medida en moles
• V es el volumen del gas

la constante es igual a RT / p, donde p es la presión absoluta del gas, T es la temperatura absoluta y R  es la constante de gas ideal o universal, igual al producto de la constante de Boltzmann y la constante de Avogadro.

el número de Avogadro

En homenaje a Avogadro , también el número de partículas (átomos, moléculas, iones u otras partículas) en 1 mol de una sustancia, 6.022 × 10 ²³ , fue nombrado después de Avogadro como la constante de Avogadro o el número de Avogadro . La constante de Avogadro es una de las unidades de base SI siete y representada por N _A .

La Ley de Avogadro se puede usar para comparar la misma sustancia bajo dos conjuntos diferentes de condiciones:

V ₁ / n ₁ = V ₂ / n ₂

Volumen Molar de Gases

Uno de los resultados más prácticos de esta ley es el volumen molar de un gas , V _m , que trata sobre:

V _m = 22,4 dm ³ / mol

Significa que, a temperatura estándar (273.15 K, 0 ° C) y presión atmosférica estándar (101.325 kPa), el volumen molar es el mismo para todos los gases ideales. Tenga en cuenta que está bajo el supuesto de gas ideal. Este valor depende en gran medida de la presión y la temperatura. Por ejemplo:

• para 273.15 K (0 ° C) y 100.00 kPa, el volumen molar de un gas ideal es 22.71 dm ³ .mol ⁻¹ .
• para 298.15 K (25 ° C) y 100.00 kPa, el volumen molar de un gas ideal es 24.79 dm ³ .mol ⁻¹ .

Cambios de densidad

En general, la densidad se puede cambiar cambiando la presión o la temperatura . Aumentar la presión siempre aumenta la densidad de un material. El efecto de la presión sobre las densidades de líquidos y sólidos es muy muy pequeño. Por otro lado, la densidad de los gases se ve fuertemente afectada por la presión. Esto se expresa por compresibilidad . La compresibilidad es una medida del cambio de volumen relativo de un fluido o sólido como respuesta a un cambio de presión.

El efecto de la temperatura sobre las densidades de líquidos y sólidos también es muy importante. La mayoría de las sustancias se expanden cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían . Sin embargo, la cantidad de expansión o contracción varía, dependiendo del material. Este fenómeno se conoce como expansión térmica . El cambio en el volumen de un material que sufre un cambio de temperatura viene dado por la siguiente relación:

donde ∆T es el cambio de temperatura, V es el volumen original, ∆V es el cambio de volumen y α _V es el coeficiente de expansión del volumen .

Cabe señalar, hay excepciones a esta regla. Por ejemplo, el agua se diferencia de la mayoría de los líquidos en que se vuelve menos densa a medida que se congela . Tiene un máximo de densidad a 3.98 ° C (1000 kg / m ³ ), mientras que la densidad del hielo es de 917 kg / m ³ . Difiere en aproximadamente un 9% y, por lo tanto, el hielo flota en el agua líquida. Vea también: Cómo la densidad influye en la reactividad del reactor

La relación de Mayer: fórmula de Mayer

Julius Robert Mayer, químico y físico alemán, dedujo una relación entre el calor específico a presión constante y el calor específico a volumen constante para un gas ideal. Estudió el hecho de que la capacidad calorífica específica de un gas a presión constante (C _p ) es ligeramente mayor que a volumen constante (C _v ). Él razonó que este C _p es mayor que el calor específico molar a volumen constante C _v , porque ahora se debe suministrar energía no solo para elevar la temperatura del gas sino también para que el gas funcione porque en este caso el volumen cambia. De acuerdo con laLa relación de Mayer o la fórmula de Mayer, la diferencia entre estas dos capacidades de calor es igual a la constante de gas universal, por lo tanto, el calor específico molar a presión constante es igual:

C _p = C _v + R

Ciclo de Carnot – Procesos

En un ciclo de Carnot , el sistema que ejecuta el ciclo experimenta una serie de cuatro procesos internamente reversibles : dos procesos isentrópicos (adiabáticos reversibles) alternados con dos procesos isotérmicos :

1. compresión isoentrópica – El gas se comprime adiabáticamente del estado 1 al estado 2, donde la temperatura es T _H . Los alrededores trabajan con el gas, aumentando su energía interna y comprimiéndolo. Por otro lado, la entropía permanece sin cambios .
2. Isotérmica expansión – El sistema se coloca en contacto con el depósito en T _H . El gas se expande isotérmicamente mientras recibe energía Q _H del depósito caliente por transferencia de calor. La temperatura del gas no cambia durante el proceso. El gas funciona en los alrededores. El cambio total de entropía viene dado por: ∆S = S ₁ – S ₄ = Q _H / T _H
3. expansión isoentrópica – El gas se expande adiabáticamente del estado 3 al estado 4, donde la temperatura es T _C . El gas funciona en el entorno y pierde una cantidad de energía interna igual al trabajo que abandona el sistema. Nuevamente, la entropía permanece sin cambios.
4. isotérmica de compresión – El sistema se coloca en contacto con el depósito en T _C . El gas se comprime isotérmicamente a su estado inicial mientras descarga energía Q _C al depósito frío por transferencia de calor. En este proceso, los alrededores trabajan con el gas. El cambio total de entropía viene dado por: ∆S = S ₃ – S ₂ = Q _C / T _C

Eficiencia del ciclo de Carnot

En, el general eficiencia térmica , η _º , de cualquier motor de calor se define como la relación de la red de trabajo que hace, W , para el calor de entrada a la alta temperatura, Q _H .

Dado que la energía se conserva de acuerdo con la primera ley de la termodinámicay la energía no se puede convertir en trabajo por completo, la entrada de calor, Q _H , debe ser igual al trabajo realizado, W, más el calor que se debe disipar como calor residual Q _C en el ambiente. Por lo tanto, podemos reescribir la fórmula para la eficiencia térmica como:

Materiales más densos en la tierra

Dado que los nucleones ( protones y neutrones ) constituyen la mayor parte de la masa de los átomos ordinarios, la densidad de la materia normal tiende a estar limitada por lo cerca que podemos empacar estos nucleones y depende de la estructura atómica interna de una sustancia. El material más denso encontrado en la tierra es el metal osmio , pero su densidad palidece en comparación con las densidades de objetos astronómicos exóticos como las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones .

Lista de materiales más densos:

1. Osmio – 22,6 x 10 ³ kg / m ³
2. Iridium – 22.4 x 10 ³ kg / m ³
3. Platino – 21.5 x 10 ³ kg / m ³
4. Renio – 21.0 x 10 ³ kg / m ³
5. Plutonio – 19.8 x 10 ³ kg / m ³
6. Oro – 19.3 x 10 ³ kg / m ³
7. Tungsteno – 19.3 x 10 ³ kg / m ³
8. Uranio – 18.8 x 10 ³ kg / m ³
9. Tantalio – 16.6 x 10 ³ kg / m ³
10. Mercurio – 13,6 x 10 ³ kg / m ³
11. Rodio – 12.4 x 10 ³ kg / m ³
12. Torio – 11.7 x 10 ³ kg / m ³
13. Plomo – 11.3 x 10 ³ kg / m ³
14. Plata – 10.5 x 10 ³ kg / m ³

Cabe señalar que el plutonio es un isótopo hecho por el hombre y se crea a partir de uranio en reactores nucleares . Pero, de hecho, los científicos han encontrado trazas de plutonio natural.

Si incluimos elementos hechos por el hombre, el más denso hasta ahora es Hassium . El Hassium es un elemento químico con el símbolo Hs y el número atómico 108. Es un elemento sintético (sintetizado por primera vez en Hasse en Alemania) y radiactivo. El isótopo más estable conocido, ²⁶⁹ Hs , tiene una vida media de aproximadamente 9.7 segundos. Tiene una densidad estimada de 40.7 x 10 ³ kg / m ³ . La densidad de Hassium resulta de su alto peso atómico y de la disminución significativa en los radios iónicos de los elementos en la serie de lantánidos, conocidos como contracción de lantánidos y actínidos .

La densidad de Hassium es seguida por Meitnerium (elemento 109, llamado así por el físico Lise Meitner), que tiene una densidad estimada de 37.4 x 10 ³ kg / m ³ .

¿Qué es el volumen específico?

El volumen específico es una variable intensiva , mientras que el volumen es una variable extensa. La unidad estándar para un volumen específico en el sistema SI es metros cúbicos por kilogramo (m ³ / kg). La unidad estándar en el sistema inglés es pies cúbicos por libra de masa (ft ³ / lbm).

La densidad (ρ) de una sustancia es el recíproco de su volumen específico (ν).

ρ = m / V = ​​1 / ρ

La densidad se define como la masa por unidad de volumen . También es una propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen:

ρ = m / V

Materiales más densos en la Tierra: materiales con el volumen específico más bajo

Dado que los nucleones ( protones y neutrones ) constituyen la mayor parte de la masa de los átomos ordinarios, la densidad de la materia normal tiende a estar limitada por lo cerca que podemos empacar estos nucleones y depende de la estructura atómica interna de una sustancia. El material más denso encontrado en la tierra es el metal osmio , pero su densidad palidece en comparación con las densidades de objetos astronómicos exóticos como las estrellas enanas blancas y las estrellas de neutrones .

Lista de materiales más densos:

1. Osmio – 22,6 x 10 ³ kg / m ³
2. Iridium – 22.4 x 10 ³ kg / m ³
3. Platino – 21.5 x 10 ³ kg / m ³
4. Renio – 21.0 x 10 ³ kg / m ³
5. Plutonio – 19.8 x 10 ³ kg / m ³
6. Oro – 19.3 x 10 ³ kg / m ³
7. Tungsteno – 19.3 x 10 ³ kg / m ³
8. Uranio – 18.8 x 10 ³ kg / m ³
9. Tantalio – 16.6 x 10 ³ kg / m ³
10. Mercurio – 13,6 x 10 ³ kg / m ³
11. Rodio – 12.4 x 10 ³ kg / m ³
12. Torio – 11.7 x 10 ³ kg / m ³
13. Plomo – 11.3 x 10 ³ kg / m ³
14. Plata – 10.5 x 10 ³ kg / m ³

Cabe señalar que el plutonio es un isótopo hecho por el hombre y se crea a partir de uranio en reactores nucleares . Pero, de hecho, los científicos han encontrado trazas de plutonio natural.

Si incluimos elementos hechos por el hombre, el más denso hasta ahora es Hassium . El Hassium es un elemento químico con el símbolo Hs y el número atómico 108. Es un elemento sintético (sintetizado por primera vez en Hasse en Alemania) y radiactivo. El isótopo más estable conocido, ²⁶⁹ Hs , tiene una vida media de aproximadamente 9.7 segundos. Tiene una densidad estimada de 40.7 x 10 ³ kg / m ³ . La densidad de Hassium resulta de su alto peso atómico y de la disminución significativa en los radios iónicos de los elementos en la serie de lantánidos, conocidos como contracción de lantánidos y actínidos .

La densidad de Hassium es seguida por Meitnerium (elemento 109, llamado así por el físico Lise Meitner), que tiene una densidad estimada de 37.4 x 10 ³ kg / m ³ .

Ciclo de Carnot – pV, diagrama Ts

El ciclo de Carnot a menudo se representa en un diagrama de presión-volumen ( diagrama pV ) y en un diagrama de temperatura-entropía ( diagrama Ts ).

Cuando se trazan en un diagrama de presión-volumen , los procesos isotérmicos siguen las líneas isotérmicas para el gas, los procesos adiabáticos se mueven entre isotermas y el área delimitada por la ruta completa del ciclo representa el trabajo total que se puede hacer durante un ciclo.

El diagrama de temperatura-entropía ( diagrama Ts) en el que el estado termodinámico se especifica mediante un punto en un gráfico con entropía específica (s) como eje horizontal y temperatura absoluta (T) como eje vertical, es el mejor diagrama para describir el comportamiento de un ciclo de Carnot .

Es una herramienta útil y común, particularmente porque ayuda a visualizar la transferencia de calor durante un proceso. Para procesos reversibles (ideales), el área bajo la curva Ts de un proceso es el calor transferido al sistema durante ese proceso.