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Química · Unidad 4 — Gases

Presión, temperatura absoluta y las leyes de los gases

Las tres leyes de los gases que se estudian sueltas —Boyle, Charles, Gay-Lussac— son en realidad una sola ecuación mirada tres veces, con una variable trabada cada vez. Verlas así es dejar de memorizar fórmulas.

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La explicación

Qué mide la presión de un gas

Un gas encerrado no empuja porque quiera: sus partículas chocan contra las paredes millones de veces por segundo, y la suma de todos esos golpecitos, repartida sobre el área de la pared, es lo que llamamos presión.

P = F / A

Eso explica de entrada dos cosas que después se usan todo el tiempo: si hay más partículas adentro hay más choques y sube la presión, y si las partículas se mueven más rápido —o sea, si hace más calor— cada choque pega más fuerte y también sube.

Las unidades, y la única equivalencia que hay que tener a mano

1 atm = 760 mmHg = 1,013 × 10⁵ Pa

El milímetro de mercurio viene de la altura que el aire sostiene en un tubo de mercurio, y por eso también se lo escribe «torr». En esta materia casi todo se resuelve en atmósferas, así que lo primero que conviene hacer con una presión en mmHg es pasarla a atm.

La temperatura absoluta: acá se pierden los puntos

La escala Celsius tiene el cero puesto en el punto de fusión del agua, que para un gas no significa nada. La escala Kelvin pone el cero donde el movimiento de las partículas se apaga del todo, y por eso es la única en la que «el doble de temperatura» quiere decir «el doble de agitación».

T(K) = t(°C) + 273

Ninguna fórmula de gases funciona con grados Celsius. No es una convención: con Celsius se puede dividir por cero —a 0 °C— o incluso por un número negativo, y el resultado no sólo da mal, da imposible. Un volumen negativo en la hoja es siempre el mismo error.

Una sola ecuación, tres lecturas

Para una masa fija de gas —la misma cantidad de partículas de principio a fin— se cumple:

P₁ · V₁ / T₁ = P₂ · V₂ / T₂   (con T en kelvin)

Las tres leyes clásicas salen de tachar lo que no cambia:

No hay que aprenderse tres cosas: hay que aprenderse una y saber qué se cancela.

El procedimiento

1. Armá dos columnas, «estado 1» y «estado 2», y escribí en cada una P, V y T.
2. Pasá todas las temperaturas a kelvin y todas las presiones a la misma unidad.
3. Tachá la magnitud que no cambia: lo que queda es la ley que te toca.
4. Despejá la incógnita y controlá el sentido: si comprimiste, la presión tiene que haber subido; si enfriaste a presión constante, el volumen tiene que haber bajado.

El paso 4 no es un lujo. Casi todos los errores de despeje dan vuelta la proporción, y eso se ve sin rehacer la cuenta: el número sale para el lado contrario del que dice el sentido común.

Un ejercicio resuelto, paso a paso

Una masa fija de gas ocupa 4,0 L a 1,5 atm y 27 °C. a) Se la comprime hasta 2,0 L manteniendo la temperatura: ¿qué presión queda? b) Partiendo otra vez del estado inicial, se la calienta hasta 127 °C manteniendo la presión: ¿qué volumen ocupa? c) ¿Por qué no se puede contestar b) con los grados Celsius?

Antes que nada, las temperaturas a kelvin, que es lo que evita el 90 % de los errores de este tema:

27 °C → 27 + 273 = 300 K   ·   127 °C → 127 + 273 = 400 K

a) Compresión a temperatura constante. Si T no cambia, en P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ las temperaturas se cancelan y queda Boyle:

P₁ · V₁ = P₂ · V₂  →  1,5 atm × 4,0 L = P₂ × 2,0 L
P₂ = 6,0 / 2,0 = 3,0 atm
Control. Achicamos el volumen a la mitad, así que la presión tenía que duplicarse. De 1,5 a 3,0: ✔

b) Calentamiento a presión constante. Ahora se cancelan las presiones y queda Charles:

V₁ / T₁ = V₂ / T₂  →  4,0 L / 300 K = V₂ / 400 K
V₂ = 4,0 × 400 / 300 = 5,3 L

El gas se expandió un 33 %, que es exactamente lo que creció la temperatura absoluta: de 300 a 400 K.

c) Por qué no sirven los Celsius. Si se reemplaza 27 y 127 en vez de 300 y 400, la cuenta da 4,0 × 127 / 27 ≈ 18,8 L: el gas se habría multiplicado por casi cinco al calentarse cien grados. El absurdo no viene de la fórmula sino de la escala: en Celsius, pasar de 27 a 127 «parece» multiplicar por 4,7, cuando la agitación real sólo creció un tercio.

La moraleja. Celsius sirve para decir si hace frío. Kelvin sirve para hacer proporciones. Las fórmulas de gases son todas proporciones.

Dónde se cae la mayoría

Hasta acá la explicación. La práctica es la otra mitad: 7 ejercicios de este tema, en cuatro niveles, que no te dicen sólo si está bien al final sino que te corrigen en cada paso y te explican por qué. Además trae una animación que muestra la idea en movimiento.

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