LA TEORÍA CINÉTICO—MOLECULAR DE LA MATERIA

Resumen de las hipótesis básicas de la teoría cinético-molecular

1. Los científicos suponen que las sustancias están formadas por moléculas.

Cada sustancia está formada por un tipo de moléculas que son diferentes a los de otra sustancia. Las moléculas son tan pequeñas que no se pueden ver ni con un microscopio. Las moléculas tienen masa.

2. Entre las moléculas no hay nada, sólo espacio vacío. El tamaño de los huecos entre moléculas es mucho mayor en el caso de los gases que en el de los sólidos y líquidos. Entre las moléculas existen fuerzas atractivas que son las que mantienen la estructura de los líquidos y sólidos. Cuando las moléculas se acercan mucho unas a otras aparecen fuerzas repulsivas que impiden que dos moléculas ocupen el mismo lugar en el espacio.

3. Las moléculas están en continuo movimiento, tanto en gases como en líquidos y sólidos; pero, existen algunas diferencias entre ellos.

En los gases las moléculas se mueven libremente en todas direcciones. En los líquidos también se mueven, aunque con menos libertad de movimiento. En los sólidos también se mueven, pero sólo vibrando en torno a posiciones prácticamente fijas.

4. Cuando aumenta la temperatura del sistema es un indicio de que aumenta la energía cinética que, por término medio, tienen las moléculas, por lo que suponemos que éstas se mueven con más rapidez y pueden separarse más.

5. La presión que un gas ejerce al encerrarlo en un recipiente, está relacionada con el número y la intensidad de los choques de sus moléculas con las paredes del recipiente. En consecuencia, la presión aumenta con el número de moléculas por unidad de volumen y con la energía cinética de las mismas (con la temperatura).

Teoría cinética y temperatura La temperatura es una propiedad de la materia que está relacionada con la distribución de la energía calorífica entre la materia de un cuerpo. Normalmente la temperatura mide la energía cinética media de las partículas.

A mayor energía cinética media (mayor movimiento de las partículas) mayor choque entre ellas, mayor temperatura.

A menor energía cinética media (menor movimiento de las partículas) habrá menos choques entre ellas, menor temperatura.

Teoría cinética y presión La presión que ejerce un gas sobre las paredes del recipiente que lo contiene son debidas a los choques que tienen lugar

entre las partículas del gas y dichas paredes. La variación de la presión de un gas encerrado en un recipiente puede tener lugar por alguna de estas razones:

1. Por una variación de la temperatura manteniendo constante el volumen del recipiente que contiene el gas: Un aumento de la temperatura aumenta la energía cinética media de las partículas, lo que provoca una mayor velocidad de

las mismas y una mayor intensidad en los choques contra las paredes: aumenta la presión del recipiente que contiene el gas.

Un enfriamiento disminuirá la energía cinética media y las partículas chocarán con menos intensidad contra las paredes: disminuye la presión del recipiente

que contiene el gas. 2. Por una variación del volumen que contiene el gas manteniendo constante la

temperatura:

Si disminuye el volumen, las partículas se concentran y chocan con más frecuencia contra las paredes del recipiente que las contiene: aumenta la

presión sobre las paredes del recipiente. Si aumenta el volumen, las partículas se separan, tienen más volumen donde

moverse y habrá menos partículas que choquen con las paredes del recipiente que contiene el gas: disminuye la presión del recipiente.

LAS VARIABLES DE ESTADO

LEYES DE LOS GASES

LEY DE BOYLE—MARIOTTE

Relación entre la presión y el volumen de un gas cuando la temperatura es constante Fue descubierta por 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 y Mariotte. La ley de Boyle establece que la presión de un gas en un recipiente

cerrado, es inversamente proporcional al volumen del recipiente, cuando la temperatura es constante.

¿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: 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 siempre tiene el mismo valor.

Supongamos que tenemos un cierto volumen de gas V1 que se encuentra a una presión P1 al comienzo del experimento. Si variamos el volumen de gas hasta un nuevo valor V2, entonces la presión cambiará a P2, y se cumplirá:

LEY DE CHARLES

Relación entre la temperatura y el volumen de un gas cuando la presión es constante

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 volumen disminuía.

AUMENTA LA TEMPERATURA

AUMENTA LA PRESIÓN DISMINUYE LA PRESIÓN

¿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).

LEY DE GAY LUSSAC

Relación entre la presión y la temperatura de un gas cuando el volumen es constante

Fue enunciada por Joseph Louis Gay-Lussac a principios de 1800.

Establece la relación entre la temperatura y la presión de un gas cuando el volumen es constante.

¿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:

EJEMPLO

DISMINUYE LA TEMPERATURA AUMENTA LA TEMPERATURA

RECUERDA:

La temperatura se debe expresar en grados Kelvin:

1ºC = 273 K

Ley general de los gases o ecuación general de los gases

Las leyes parciales analizada precedentemente pueden combinarse y obtener una ley o ecuación que relaciones

todas las variables al mismo tiempo.

Según esta ecuación o ley general

Esto significa que, si tenemos una cantidad fija de gas y sobre la misma variamos las condiciones de presión

(P), volumen (V) o temperatura (T) el resultado de aplicar esta fórmula con diferentes valores, será una

constante.

Por lo tanto, en condiciones donde un gas varía sus tres variables de estado, desde una situación inicial a un

estado final, aplicaremos la relación matemática siguiente:

Ejemplo:

Calcula la temperatura final de un gas encerrado en un volumen de 2 L, a 25 ºC y 1 atm, si reducimos su

volumen hasta los 0,5 L y su presión aumenta hasta 3,8 atm.

Empleamos la ecuación de estado de los gases:

Despejando el valor de :