Ley de Avogadro. Ley de Boyle. Ley de Charles y Gay-Lussac

El estado gaseoso
 

El término «gas» fue creado, en 1662, por Johann van Helmont para describir una forma específica de la materia. Helmont derivó la palabra de la griega «caos».

Una de las mejores pruebas de la teoría atómica es su capacidad para explicar el comportamiento de los gases, y así, aunque los gases fueron las últimas sustancias cuya naturaleza fue comprendida desde el punto de vista químico, fueron las primeras cuyas propiedades físicas se pudieron explicar mediante leyes sencillas.

Ya hemos estudiado algunas de las propiedades generales de los gases. A continuación estudiaremos las leyes que rigen su comportamiento.

Ley de Avogadro

Ya vimos de forma implícita la primera ley que describe el comportamiento de un gas. Esta ley corresponde a la observación de Avogadro de que, a una temperatura y presión dadas, el número de moléculas de cualquier gas que hay en un volumen determinado es constante. De manera que el número de moléculas, y también el número de moles, n, es proporcional al volumen del gas.

n = k • V   (a p y Tconstantes),

donde k es una constante de proporcionalidad.

Ley de Boyle

Al comprimir un gas dentro de un pistón, el gas se calienta y tanto más cuanto más brusca es la compresión. Para que una compresión tenga lugar a temperatura constante ha de verificarse lentamente.

Robert Boyle, en 1662, comprobó, utilizando un tubo cerrado en forma de J, que el volumen ocupado por una muestra de un gas para una temperatura dada es inversamente proporcional a la presión que se ejerce.

Es decir:

p • V = k'    (a T y n constantes)

Para una masa dada de gas, la presión es inversamente proporcional al volumen, si la temperatura permanece constante.
Esta relación entre la presión y el volumen se representa en la gráfica adjunta; la hipérbola equilátera que obtenemos recibe el nombre de isoterma.

Si la presión o el volumen de una muestra dada de gas se modifica sin variación de la temperatura, la nueva presión o el nuevo volumen pueden calcularse mediante la relación:

Ley de Charles y Gay-Lussac

Es un hecho experimental conocido que los gases al calentarse se dilatan más que los sólidos y los líquidos. Aproximadamente cien años después de que Boyle estableciera su ley, Charles y Gay-Lussac determinaron los efectos que una variación de temperatura producía en un volumen de aire. En la gráfica adjunta se han representado algunos datos de esta experiencia. Observamos que la gráfica de V en función de T es una línea recta que al extrapolarla presenta una intersección a —273 °C.

Charles y Gay-Lussac expresaron la ley así:

V = k" * (t + 273)

Posteriormente, lord Kelvin sugirió que el punto de intersección a — 273 °C representaba un mínimo absoluto de temperatura que no se podía rebasar.

Actualmente utilizamos la escala de Kelvin de temperatura absoluta, y las escalas Kelvin y Celsius están relacionadas por:

T = t + 273,16

Por lo que la ley de Charles y Gay-Lussac puede expresarse como:

V = k" • T   (a p y n constantes)

A presión constante, el volumen de una masa dada de un gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta.

Si se modifican, a presión constante, el volumen o la temperatura de una masa dada de gas, las condiciones iniciales y finales se relacionan mediante la expresión siguiente:

Otra forma de expresar la ley de Charles y Gay-Lussac es:

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