Ley de Boyle: Relación entre la presión y el volumen del gas

Ley de Boyle

Cuanto más profundo va un buceador, más disminuye el volumen en el oído debido a la presión.

Johnny Dalton tiene un gran día por delante. Está de vacaciones en Ideal Island, donde todos los gases se comportan de manera ideal. Johnny y su familia comenzarán la mañana buceando alrededor de la isla. Mientras seguimos a Johnny durante su inmersión, prestaremos mucha atención al papel que juegan los gases en esta actividad. Más concretamente, veremos cómo la Ley de Boyle nos ayuda a explicar y predecir algunos comportamientos de los gases.

Johnny se pone el traje de neopreno y el tanque y salta al agua. Mientras se sumerge bajo la superficie del agua, siente un poco de presión en los oídos, por lo que se tapa la nariz y traga para igualarlos. La razón por la que siente esa presión es porque el agua circundante está presionando su oído. Cuanto más profundo se pone, más agua empuja sus oídos, lo que hace que se ejerza aún más presión sobre sus oídos. A medida que aumenta esa presión en la parte exterior de la oreja, el aire dentro de la oreja se aplasta y el volumen interior disminuye. El aire no va a ninguna parte, simplemente se aprieta, lo que provoca esa sensación incómoda que tenía antes de igualar. Cuando un buzo desciende, tendrá que dejar salir algo del aire del interior del oído, lo que reduce esta presión. Por lo general, esto se hace pellizcando las fosas nasales y tratando de soplar suavemente la nariz. Si lo prueba ahora mismo, es posible que escuche un pequeño estallido. ¡Ese es el sonido del aire entrando o saliendo de tu oído!

Otra cosa que Johnny nota mientras desciende es que su compensador de flotabilidad (que es solo un chaleco lleno de aire) se hace cada vez más pequeño. ¡Incluso su traje de neopreno se está encogiendo! ¿Qué está causando esto? Bueno, un científico llamado Robert Boyle descubrió que la presión sobre un gas y su volumen son inversamente proporcionales entre sí. Esto funciona para cualquier sistema cerrado de gas, como el interior de la oreja, el compensador de flotabilidad o incluso las miles de pequeñas burbujas incrustadas en un traje de neopreno. Si la temperatura se mantiene constante, la presión de un gas aumenta a medida que disminuye su volumen. Lo contrario también es cierto; a medida que disminuye la presión de un gas, aumenta su volumen. Esta es la Ley de Boyle .

Robert Boyle descubrió cómo se relacionan la presión y el volumen.

Ahora, mientras Johnny se hundía bajo el agua, todos esos pequeños “contenedores” de gas se hicieron más pequeños. La razón por la que lo hicieron radica en la teoría cinética molecular., que cubrimos previamente. Una cosa que afirma la teoría cinética molecular es que las partículas de gas están muy lejos unas de otras. Esta distancia permite la compresión de gases. Si las partículas están muy separadas, tienen espacio para acercarse. Si las partículas ya están juntas (como si estuvieran en un líquido o un sólido), hay muy poco espacio para la compresión. Ahora también sabemos que las partículas de gas se mueven aleatoriamente y rápidamente, y cada vez que chocan con las paredes de su contenedor, aplican un poco de presión. Si mantenemos el mismo número de partículas en un recipiente, todas con la misma energía cinética, pero disminuimos el tamaño del recipiente, las partículas golpearán con mayor frecuencia las paredes de ese recipiente, provocando que la presión aumente.

Ejemplos de la ley de Boyle

Al igual que en la ley de Avogadro, esto se puede representar en forma de una ecuación: P 1 V 1 = P 2 V 2. Usamos 1 y 2 para indicar el estado antes y después de que se haya producido un cambio. Además, las unidades de presión y volumen no importan siempre que sean las mismas para la presión y las mismas para el volumen. Entonces, digamos que tiene un globo de 1 litro al nivel del mar (que es 1 atmósfera). Si soltáramos el globo y lo permitiéramos flotar hasta una altitud en la que solo experimenta 0.5 atmósferas, ¿qué pasaría con el volumen? Bueno, podemos pensarlo lógicamente: si la presión disminuye a la mitad, el volumen se duplicará. O podemos insertar números en esta ecuación. Nuestra presión inicial es 1 atmósfera y nuestro volumen inicial es 1 litro. La presión final es de 0,5 atmósferas. Entonces, si resolvemos para V 2 , el volumen final, esto nos da 2 litros.

La ecuación para calcular la relación entre presión y volumen.

Probemos con otro ejemplo. Si el chaleco de buceo lleno de aire de Johnny contiene 1,43 litros de aire a 1,03 atmósferas de presión, ¿qué volumen de aire tendrá a 10 metros bajo el agua, lo que equivale a unas 2,03 atmósferas? Para resolver esto, comenzaremos con nuestra ecuación. La presión inicial multiplicada por el volumen inicial es igual a la presión final multiplicada por el volumen final. Nuestra presión inicial es de 1,03 atmósferas y nuestro volumen inicial es de 1,43 litros. Nuestra presión final es de 2,03 atmósferas y se desconoce nuestro volumen final. Si aislamos V 2 , encontramos que es igual a (1.03 * 1.43) / 2.03, que es igual a 0.726 litros. Eso debería tener sentido porque la presión aumentó, por lo que el volumen debería disminuir.

Resumen de la lección

Mientras Johnny está terminando su aventura de buceo, debe asegurarse de no contener la respiración mientras asciende. Si no deja salir un poco de aire de sus pulmones mientras nada hacia la superficie, podría dañar sus pulmones. Esto se debe a que hay menos presión sobre sus pulmones mientras se mueve hacia la superficie. A medida que disminuye la presión sobre sus pulmones, aumenta el volumen de gas en sus pulmones, lo que puede provocar una situación peligrosa. Todo esto aplica la Ley de Boyle , que establece que mientras la temperatura se mantenga constante, la presión y el volumen de un gas son inversamente proporcionales entre sí. Es decir, si uno aumenta, el otro disminuye. A menudo, la ecuación P 1 V 1 = P 2 V 2 se utiliza para realizar cálculos relacionados con la ley de Boyle.

Los resultados del aprendizaje

Al final de este video, podrá:

• Explica la ley de Boyle
• Aplicar la ecuación de la ley de Boyle para resolver problemas de presión y volumen.