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Ley de Charles: Relación entre el volumen de gas y la temperatura

Publicado el 7 septiembre, 2020

Ley de Charles

Johnny Dalton y su familia han decidido dar un paseo en globo aerostático sobre Ideal Island, el lugar donde todos los gases se comportan de manera ideal. Recuerde, los gases ideales se mueven rápida y aleatoriamente, no pierden energía cuando chocan y no hay fuerzas intermoleculares entre las partículas.


Cuando las moléculas del globo se extienden, el aire del interior se vuelve menos denso.
Moléculas de calentamiento en globos

Mientras su familia se prepara para embarcarse en su viaje en globo aerostático, Johnny se da cuenta de que el combustible para el globo es solo una simple antorcha. Pero, ¿cómo una antorcha levanta y mueve un globo aerostático? Como recordará, calentar un gas aumentará la velocidad de las partículas de gas. Después de todo, la temperatura es solo una medida de la energía cinética promedio de las partículas. Cuanto mayor sea la temperatura de las partículas, más rápido se moverán las partículas de gas.

De acuerdo con la teoría cinética molecular , un concepto que cubrimos anteriormente, las partículas de gas más rápidas se dispersarán. Esto hace que el gas ocupe más espacio. Bueno, ¿qué sucede cuando menos partículas ocupan la misma cantidad de espacio? Para ayudarte a responder a esto, imagina que tienes dos cubos llenos de moléculas de gas. Estos cubos son exactamente del mismo tamaño. El primer cubo tiene 5 moléculas dentro y el segundo cubo tiene 50 moléculas dentro. El que contiene 50 tendrá más masa que el que contiene 5, y aunque tienen el mismo volumen, sus masas son diferentes, por lo que sus densidades serán diferentes. Cuando las partículas de una sustancia se esparcen y se alejan unas de otras, la sustancia se vuelve menos densa.

Entonces, volviendo a nuestro globo aerostático: todo lo que la antorcha realmente está haciendo es calentar el aire dentro del globo, lo que hace que las partículas de aire se muevan más rápido y se extiendan, lo que hace que el globo sea menos denso que el aire que lo rodea, lo que hace que se ¡flotador!

Este fenómeno, el aire caliente que se eleva debido a una densidad disminuida, es también lo que hace que haya viento afuera. El aire caliente que sube se reemplaza por aire más frío. A medida que el aire más frío se mueve para reemplazar el aire más cálido, siente ese movimiento como viento.

Jacques Charles y Absolute Zero

A finales del 1700, Jacques Charles investigó esta relación entre la temperatura de un gas y su volumen. Descubrió que si la presión de un gas se mantiene constante, mientras ese gas se calienta, su volumen aumentará. Lo contrario de eso también es cierto: enfriar un gas hará que su volumen disminuya. Esta relación se conoce como Ley de Charles .


Lord Kelvin usó la ley para encontrar el cero absoluto.
Experimento Cero Absoluto de Lord Kelvin

Esta idea es lo que ayudó a Lord Kelvin a descubrir el cero absoluto. Midió el volumen de varios gases diferentes a diferentes temperaturas y encontró la misma relación que Charles, pero esta vez, se preguntó qué sucedería si pudiera enfriar algo lo suficiente como para que el volumen fuera igual a cero. Luego extrapoló sus datos hasta un volumen de cero y la temperatura correspondiente a este volumen fue consistentemente alrededor de -273 grados Celsius. Esta temperatura se conoció como cero absoluto .

Pregunta de práctica 1

Al igual que las otras leyes de los gases, esta se puede representar en forma de ecuación. V 1 / T 1 = V 2 / T 2 . Recuerde, usamos los 1 y 2 para indicar las cualidades antes (1) y después de que se haya producido un cambio (2). Además, las unidades de volumen no importan siempre que ambas sean iguales. Las unidades de temperatura deben ser Kelvin o esta ecuación no funcionará. Además, recuerde que esta es una ecuación teórica porque solo funciona para un gas ideal. La mayoría de los gases que nos rodean a ti y a mí se comportan de forma muy similar a los gases ideales, por lo que podemos usar esta ecuación como una aproximación de los gases que encontramos.


La ecuación para calcular los cambios de volumen en relación con los cambios de temperatura.
Ecuación de la ley de Charles

Probemos con una pregunta de práctica. Supongamos que tiene un globo de 1.00 L lleno de un gas ideal a temperatura ambiente (293 Kelvins). Si pusieras ese globo en tu congelador, que tendría una temperatura de aproximadamente 260 grados Kelvin, ¿cuál sería el nuevo volumen del globo?

Podemos empezar pensando en este problema de forma lógica: si la temperatura desciende, las moléculas del globo se ralentizan y se acercan. Esto hará que el globo se encoja. Ahora, la temperatura solo está disminuyendo de 293 K a 260 K, por lo que el volumen no disminuirá mucho. Podemos insertar los números en esta ecuación y averiguar cuánto se encogerá el globo.

El volumen inicial es 1.00 litros y la temperatura inicial es 293 K. La temperatura final es 260 K. Si resolvemos para V 2 , obtenemos 0.887 L como volumen final. Puedes resolver V 2 de dos formas diferentes: Resolví multiplicando de forma cruzada 1 y 260 y luego dividiendo por 293. También podrías reescribir esta ecuación como una igualdad:
V 1 x T 2 = T 1 x V 2
1 L x 260 K = V 2 x 293. Entonces
solo necesitaríamos resolver para V 2 , lo que nos dará 0.887 L.

Pregunta de práctica 2

Probemos con un ejemplo más complicado. Esta vez, su temperatura se dará en grados Celsius y primero debe convertirla a grados Kelvin. Esta técnica se trató en una lección anterior. Supongamos que tiene una bolsa de papas fritas sin abrir de 500 ml a temperatura ambiente (20 grados Celsius). Ahora, saca esta bolsa de papas fritas afuera en un caluroso día de verano cuando la temperatura es de 38 grados Celsius. ¿Cuál es el volumen final de la bolsa de papas fritas?

Como mencioné, para resolver esto, deberá usar Kelvin como unidad de temperatura. Entonces, para convertir grados Celsius a Kelvins, debe sumar 273. Esto hace que nuestra temperatura ambiente sea de 20 + 273 = 293 Kelvins. Hace que nuestra temperatura exterior sea de 38 + 273 = 311 Kelvins.

Ahora creo que estamos listos para comenzar a usar la ecuación. Nuestro volumen inicial es de 500 mL y nuestra temperatura inicial es de 293 Kelvin. Nuestra temperatura final es de 311 grados Kelvin. Resolver para V 2 nos da 531 mL. Esto tiene sentido porque a medida que el gas se calienta, las partículas se aceleran y se separan más, lo que hace que el recipiente se expanda.

Resumen de la lección

Cerca del final del viaje en globo aerostático, la antorcha que calienta el aire en el globo se usa con menos frecuencia. A medida que el aire del globo de aire caliente se enfría, las partículas disminuyen su velocidad y se acercan. Cuando las partículas se acercan, el aire se vuelve más denso, lo que hace que el globo de aire caliente se hunda. Esta es una de varias situaciones en las que puede ver la Ley de Charles en acción. La ley de Charles establece que el volumen de un gas es directamente proporcional a la temperatura de un gas. A menudo, la ecuación V 1 / T 1 = V 2 / T 2 se usa para hacer cálculos que involucran la Ley de Charles.

Los resultados del aprendizaje

Al completar esta lección, podrá:

  • Explica la relación entre temperatura y volumen usando la Ley de Charles.
  • Escribe una ecuación para la ley de Charles
  • Identifica las unidades utilizadas en esta ecuación
  • Resolver variables en la ecuación de la ley de Charles

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