LEY DE BOYLE
RELACIÓN PRESIÓN - VOLUMEN

 

Esta Ley fue descubierta por el científico inglés Robert Boyle en 1662. Edme Mariotte también llegó a la misma conclusión que Boyle, pero no publicó sus trabajos hasta 1676. Esta es la razón por la que en muchos libros encontramos esta ley con el nombre de Ley de Boyle - Mariotte.

La ley de Boyle establece que a temperatura constante, la presión de una cantidad fija de gas es inversamente proporcional al volumen que ocupa.

Consideremos el siguiente proceso que se lleva a cabo a temperatura constante (isotérmico):

  • Un cilindro contiene un gas que ocupa un volumen V1, se encuentra a una presión P1 (representada por la pesa sobre el émbolo) y una temperatura T1.

  • Al agregar dos pesas, la presión sobre el gas aumentará a P2 y éste se comprimirá hasta un volumen V2, a una T2.

  • Como el proceso es isotérmico, T1 = T2

  • Este proceso se puede representar en un diagrama P - V, mediante una curva que se denomina isoterma.

  • Si ahora retiramos dos pesas, el gas se expandirá hasta el estado inicial, completando un ciclo.

¿Por qué ocurre esto?

Al aumentar el volumen, las partículas (átomos o moléculas) del gas tardan más en llegar a las paredes del recipiente y por lo tanto chocan menos veces por unidad de tiempo contra ellas. Esto significa que la presión será menor, ya que ésta representa la frecuencia de choques del gas contra las paredes.

Cuando disminuye el volumen, la distancia que tienen que recorrer las partículas es menor y por tanto se producen más choques en cada unidad de tiempo por lo que aumenta la presión.

Lo que Boyle descubrió es que si la cantidad de gas y la temperatura permanecen constantes, el producto de la presión por el volumen es constante.

Por lo que la expresión matemática de esta ley es:

Si la presión se expresa en atmósferas (atm)  y el volumen en litros (l), la constante k estará dada en (l·atm), que son unidades de energía y entonces, la constante de Boyle representa el trabajo realizado por el gas al expandirse o comprimirse.

Otra forma de expresar la Ley de Boyle es:

LEY DE CHARLES

RELACIÓN VOLUMEN-TEMPERATURA

En 1787, Jack Charles estudió por primera vez la relación entre el volumen y la temperatura de una muestra de gas a presión constante y, observó que cuando se aumentaba la temperatura el volumen del gas también aumentaba y que al enfriar el gas, el volumen disminuía.

¿Por qué ocurre esto?

Cuando aumentamos la temperatura del gas las moléculas se mueven con más rapidez y tardan menos tiempo en alcanzar las paredes del recipiente. Esto quiere decir que el número de choques por unidad de tiempo será mayor. Es decir se producirá un aumento (por un instante) de la presión en el interior del recipiente y aumentará el volumen (el émbolo se desplazará hacia arriba hasta que la presión se iguale con la exterior).

Lo que Charles descubrió es que a presión constante, el cociente entre el volumen y la temperatura de una cantidad fija de gas, es igual a una constante.

Matemáticamente podemos expresarlo así:

Estudiemos el siguiente proceso a presión constante (isobárico):

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una temperatura T1 sometido a una presión P1 (representada por la pesa) al comienzo del experimento. Si a presión constante, aumentamos la temperatura del gas hasta un nuevo valor T2, entonces el volumen se incrementará hasta V2, como se muestra en la siguiente figura.

En la gráfica P - V, se muestra la isóbara.

se cumplirá:

que otra forma de expresar la ley de Charles

El mismo proceso se puede graficar en un diagrama V - T:

Donde:

Vo = volumen que ocupa el gas a 0 ºC (ordenada al origen).

= Cambio de volumen respecto al cambio de temperatura, a presión constante (pendiente).

La proyección de la recta, dará una intersección en -273.15 ºC, temperatura a la cual el gas teóricamente tendrá un volumen de cero, lo cual sólo se cumple para el gas ideal, puesto que los gases reales se licuarán y solidificarán a temperaturas suficientemente bajas.

A este valor de -273.15 ºC, se le asignó un valor de cero kelvin (0 K), en la denominada escala de temperatura absoluta.

LEY DE GAY LUSSAC
RELACION PRESION - TEMPERATURA

Esta Ley fue enunciada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800. Establece que la presión de un volumen fijo de gas, es directamente proporcional a su temperatura.

¿Por qué ocurre esto?

Al aumentar la temperatura, las moléculas del gas se mueven más rápidamente y por tanto aumenta el número de choques contra las paredes, es decir aumenta la presión ya que el recipiente es de paredes fijas y su volumen no puede cambiar.

Gay-Lussac descubrió que en cualquier momento de este proceso, el cociente entre la presión y la temperatura siempre tenía el mismo valor:

Supongamos que tenemos un gas que se encuentra a una presión P1 y a una temperatura T1 al comienzo del experimento. Si aumentamos la temperatura hasta un nuevo valor T2, entonces la presión se incrementará a P2, y se cumplirá:

Esta ley, al igual que la de Charles, está expresada en función de la temperatura absoluta expresada en Kelvin. La isócora se observa en la siguiente gráfica P - V:

Este proceso también se puede representar en una gráfica P - T:

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