LEY DE LOS GASES IDEALES


Experimentos realizados por alumnos de Bachillerato en el IES Leonardo Da Vinci de Alicante.

 

 
 
PROPÓSITO DEL EXPERIMENTO E HIPÓTESIS
DISEÑO EXPERIMENTAL
EXPERIMENTO Y RESULTADOS
ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS. LEY DE LOS GASES
ARCHIVOS DE DATASTUDIO

 

 

 

 

HIPÓTESIS

 
 

Al estudiar el comportamiento físico de los gases, los alumnos plantean, a modo de hipótesis, que la presión de un gas encerrado en un recipiente ha de depender del volumen, la temperatura y la cantidad de gas (expresable como número de moléculas, masa, densidad, número de moles,..). Acerca de las variables termodinámicas, esperan que la presión y el volumen sean inversamente proporcionales, y que la presión y la temperatura sean directamente proporcionales (manteniéndose fijas, en cada caso, el resto de variables).

 

 

Estas hipótesis se fundamentan en el modelo cinético-corpuscular de la materia, según el cual los gases estarán formados por muchas partículas muy pequeñas, separadas entre sí por "grandes" distancias en comparación con su pequeñísimo tamaño, y moviéndose en todas las direcciones (gas ideal). Según este modelo, la presión que ejerce el gas se debe a los choques de sus partículas con las paredes del recipiente y la temperatura indica la energía cinética media de las moléculas del gas.

En consecuencia, al disminuir el volumen, aumentará la frecuencia de los choques y, por tanto, la presión. Similarmente, al aumentar la temperatura aumentará la energía cinética media de las moléculas del gas, con ella, la intensidad de sus choques con las paredes del recipiente y, por tanto, la presión.

 
De forma más precisa, se espera que la presión, P, el volumen, V, y la temperatura, T, verifiquen la siguiente relación:
 

P·V/T = K (para una cantidad fija de gas)

 
El propósito del experimento es contrastar la validez de esta ecuación o ley de los gases ideales.
 
 
 

 

DISEÑO EXPERIMENTAL

 
 

El dispositivo experimental utiliza una jeringuilla graduada unida a un tubo flexible de plástico, que se bifurca para acceder a la doble entrada de un sensor de presión-temperatura.

 

 

 

En el momento de encajar las terminales al sensor queda encerrada una determinada cantidad de aire, dentro de la jeringuilla, interesando que la posición del émbolo coincida con la mayor exactitud posible con una de las marcas de volumen que indica su graduación. En este caso se plantea partir del mayor volumen inicial posible, para ir empujando el émbolo (comprimiendo el aire), con objeto de tomar paulatinamente mediciones de la presión y la temperatura a medida que va disminuyendo el volumen.

 
     
 

 

Con el sensor de conectado al ordenador, se registrarán mediciones de presión y temperatura, para cada volumen escogido. Por tanto, los estudiantes configuran el programa para que solicite cada volumen (indicado por la graduación de la jeringuilla), después de detener cada medición de presión y temperatura. Por otra parte hay que decir que, como en este dispositivo experimental el volumen encerrado en el tubito de plástico es muy pequeño, se asume que el volumen de aire que indica en cada medición la graduación de la jeringuilla coincide prácticamente con el volumen de aire encerrado.

 
     
 

 

EXPERIMENTO Y RESULTADOS

 
 

Las tres gráficas adjuntas corresponden al estudio realizado en 2012 por un equipo de alumnos de 1º Bachillerato. Como se observa, configuraron el sensor para medir la presión en atmósferas y la temperatura en grados kelvin, además de introducir los valores del volumen en l.

 

 

 

 

Al observar las tres gráficas conjuntamente se intuye que su perfil cualitativo puede ser acorde con la ley de los gases que se intenta verificar, si la disminución progresiva del volumen se compensa con el aumento de la presión y la temperatura.

 
 
 

 

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS. VERIFICACIÓN DE LA LEY DE LOS GASES

 
 
 

Contrastar si se verifica la ley de los gases equivale a contrastar si en cada trío de valores de las magnitudes termodinámicas, al multiplicar la presión por el volumen y dividir entre la temperatura se obtiene un mismo valor (dentro del margen experimental). En este caso, para realizar esta contrastación, los alumnos optaron  por representar el volumen frente al cociente entre presión y temperatura. Como se observa, obtuvieron un resultado bastante aceptable, puesto que, si el cumplimiento de la ley de los gases, exige que dicha representación proporcione una recta de pendiente positiva (P debería ser proporcional a V/T).

 

Entre las razones que pueden causar una desviación de este comportamiento, se ha de mencionar en primer lugar el hecho de que la jeringuilla está en contacto permanente con el aire exterior, de forma que la temperatura del aire encerrado tiende a disminuir con relativa rapidez para alcanzar el equilibrio térmico con la del aire del laboratorio. Para minimizar este problema conviene tomar las lecturas con la mayor rapidez posible, lo que no está exento de dificultad, ya que en cada medición es indispensable esperar unos pocos segundos a que se estabilice de forma suficiente el valor de la presión.

 

 

 

Al haber configurado el programa para medir la presión en atm, el volumen en l, y la temperatura en K, la relación PV/T proporciona el valor del producto de n·R (donde n es el número de moles de aire encerrado y R es la constante de los gases con valor igual a 0.082 en estas unidades). Los estudiantes también produjeron una tabla con la cantidad de aire (expresada en moles) que se deduce de cada medición y una gráfica que confirma la bondad de los resultados al mostrar que los valores experimentales para dicha cantidad (n·R) de moles fueron bastante próximos.

 

Por último, al dividir el valor medio de n·R entre el valor de la constante en estas unidades R (0.082) se obtiene que la cantidad de aire encerrado en la jeringuilla fue en este experimento del orden de 1.9·10-3 moles.

 
 
 
 

 

ARCHIVOS DE DATASTUDIO: Puedes descargar el resultado original del experimento que se describe en esta página. Para abrir el archivo se necesita el programa DataStudio, del que tienen licencia bastantes departamentos de física y química de institutos de enseñanza secundaria.