GASES
¿QUÈ MAGNITUDES
NECESITO PARA DEFINIR EL ESTADO DE UN GAS?
Para definir el estado de un gas se
requieren cuatro magnitudes:
Temperatura
Presión
Volumen
Masa
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS GASES
★
Los gases adoptan el volumen y forma del recipiente que los
contiene.
★
Se consideran los más comprensibles de los estados de la
materia.
★
Cuando se encuentran confinados en el mismo recipiente se
mezclan uniforme y completamente.
★
Cuentan con densidades mucho menores que los líquidos y
sólidos.
COMPORTAMIENTO DE LOS GASES
● No tienen forma definida ni volumen
propio
● Sus moléculas se mueven libremente y a
azar ocupando todo el volumen a disposición.
● Pueden comprimirse y expandirse.
● Baja densidad.
● Todos los gases se comportan de manera
similar frente a los cambios de P y T.
Presión =Fuerza/Área
Unidades
de presión
1 pascal (Pa) =
1 N/m2
1 atm = 760
mmHg = 760 torr
1 atm = 101,325
Pa
P a 1/V
P x V = constante
P1 x V1 = P2
x V2
A temperatura
constante, cantidad constante de gas.
EJEMPLO: Una muestra de gas del cloro ocupa un
volumen de 946 mL a una presión de 726 mmHg. ¿Cuál es la presión del gas (en
mmHg) si el volumen está reducido a temperatura constante de 154 mL?.
LEY DE AVOGADRO
v número de moles (n)
v=constante x n
V1/N1 = V2/N2
El volumen es directamente
proporcional a la cantidad de gas.
● si aumentamos la cantidad de gas
aumentará el volumen.
● si disminuimos la cantidad de gas,el
volumen disminuye.
LEY DE AVOGADRO
El volumen es directamente proporcional a la
cantidad de gas.
*si aumentamos la cantidad de gas,
aumentará el volumen.
*si disminuimos la cantidad de gas, el
volumen disminuye.
¿POR QUÉ OCURRE ESTO?
Vamos a suponer que aumentamos
la cantidad de gas.Esto quiere decir que al tener mayor número de moléculas
aumenta la frecuencia de los choques con las paredes del recipiente lo que
implica (por un instante) que la presión dentro del recipiente es mayor que la
exterior y esto provoca que el émbolo se desplace hacia arriba inmediatamente.
Al haber ahora mayor distancia entre las paredes (es decir,mayor volumen del
recipiente) el número de choques de las moléculas contra las paredes disminuye y la presión
vuelve a su valor original.
EFECTO DE LAS FUERZAS INTERMOLECULARES SOBRE LA PRESIÓN
EJERCIDA POR UN GAS.
| (El cociente entre el volumen y la cantidad de gas constante) |
Supongamos que tenemos una cierta
cantidad de gas n1 que ocupa un volumen v1 al comienzo del experimento. Si
variamos la cantidad de gas hasta un
nuevo valor n2, entonces el volumen cambiará a v2, y se cumplirá:
Que es otra manera de expresar la ley
de Avogadro.
ECUACIÓN
DEL GAS IDEAL
Ley de Boyle: V ∝ 1/p (a n y constante)a
Ley de Charles: V ∝ T (a n y p constante)
Ley de Avogadro: V ∝ n (a P y T constante)
V ∝ nT/p
V = constante x nT/P = R nT/P R es la
constante de gas.
PV=nRT
Las condiciones 0°C Y 1 atm son
llamadas temperatura y presión estándar (TPE).
Los experimentos muestran que a TPE, 1
mol de un gas ideal ocupa 22.414 L.
PV=nRT
R=PV/nT = (1
atm)(22.414L) / (1mol) (273.15k)
R=0.082057 L ° atm / (mol ° k)
TERMODINÁMICA
La termodinámica es
el estudio de las relaciones de energía que involucran calor, trabajo mecánico
y otros aspectos de energía y transferencia de calor.
UN
SISTEMA TERMODINÁMICO
•Un sistema es un entorno cerrado en
el que puede tener lugar transferencia de calor. (Por ejemplo, el gas, las
paredes y el cilindro de un motor de automóvil.
ESTADO
TERMODINÁMICO
El ESTADO de un sistema termodinámico
se determina mediante cuatro factores:
• Presión absoluta P en pascales
• Temperatura T en Kelvins
• Volumen V en metros cúbicos
• Número de moles, n, del gas que
realiza trabajo
LA
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:
•La entrada neta de
calor en un sistema es igual al cambio en energía interna del sistema más el
trabajo realizado POR el sistema.
•Por el contrario, el
trabajo realizado SOBRE un sistema es igual al cambio en energía interna más la
pérdida de calor en el proceso.
CONVENCIONES
DE SIGNOS PARA LA PRIMERA LEY
•ENTRADA
de calor Q es positiva
•Trabajo
POR un gas es positivo
•Trabajo
SOBRE un gas es negativo
•SALIDA
de calor es negativa
APLICACIÓN DE LA PRIMERA
LEY DE LA TERMODINÁMICA
Ejemplo 1: En la figura, el gas absorbe 400 J de
calor y al mismo tiempo realiza 120 J de trabajo sobre el pistón. ¿Cuál es el
cambio en energía interna del sistema?
Aplique primera ley:
PROCESO ISOCÓRICO
¿Qué es el proceso isocórico?
Un proceso isocórico,
también llamado proceso isométrico o
isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece
constante; debido que la variación de volumen es = 0, no se
realiza trabajo ni sobre el sistema ni
de este último sobre los alrededores, por lo que se cumple que w= 0 y = Q.
Donde W es trabajo
u es igual energía interna
Q es igual al calor
U = Q-W
Estas últimas
expresiones indican que todo el calor suministrado aumentará en la misma
proporción a la energía interna.
Un ejemplo de este
proceso se presenta al cocer alimentos dentro de una olla exprés, la cual
disminuye el tiempo de cocción, pues
sirve como depósito o para que la temperatura y presión aumentan en el interior
conforme transcurre el tiempo manteniendo su volumen constante. En general se
presenta cuando un gas se calienta dentro de un recipiente con volumen fijo.
PROCESO ADIABÁTICO
El extremo opuesto, en
el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la
temperatura permanezca constante, se denomina como proceso isotérmico.
El término adiabático hace referencia a
elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared
aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la
temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría alcanzar una
llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los
procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que
no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del
aire y su
humedad relativa.
El calentamiento y
enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente ocurren debido al cambio en
la presión de un gas.
En termodinámica se
designa como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema (generalmente, un
fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso
adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico.
as. Esto puede ser
cuantificado usando la ley de los gases ideales.
PROCESO DIATERMICO
Un proceso
Diatérmico quiere decir que deja pasar el calor fácilmente.
Una
interacción térmica es cualquier otro tipo de intercambio de energía. En este
caso la pared se denomina diatérmica.
Diatérmico también puede entenderse por
isotérmico, significa que no hay cambio de temperatura debido a una pared
diatérmica que aísla el sistema del medio ambiente.
Una onda mecánica es una perturbación física en
un medio elástico.
Considere una piedra suelta en un lago.
Se transfiere energía de la piedra al tronco
que flota, pero sólo viaja la perturbación.
El movimiento real de cualquier partícula de
agua individual es pequeño.
La propagación de energía mediante una
perturbación como ésta se conoce como movimiento ondulatorio mecánico.
Las ondas mecánicas requieren un medio en cual
propagarse, eliminando la capacidad de transmisión de estas ondas a través de
las aspiradoras. La velocidad a la que una onda mecánica puede viajar está
limitada por los atributos de elasticidad y de inercia del medio en cual se
desplaza.
El
movimiento periódico simple es aquel movimiento en el que un cuerpo se mueve de
ida y vuelta sobre una trayectoria fija, y regresa a cada posición y velocidad
después de un intervalo de tiempo definido.
Una Onda
Transversal
Una onda transversal es una onda en la
que cierta magnitud vectorial presenta oscilaciones en alguna dirección
perpendicular a la dirección de propagación. Para el caso de una onda mecánica
de desplazamiento, el concepto es ligeramente sencillo, la onda es transversal
cuando las vibraciones de las partículas afectadas por la onda son
perpendiculares a la dirección de propagación de la onda
ONDAS
LONGITUDINALES
Una onda longitudinal es una onda
mecánica en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es
paralelo a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales
reciben también el nombre de ondas de presión u ondas de compresión.
OLAS
Una
ola oceánica es una combinación de longitudinal y transversal.
Las
partículas individuales se mueven en elipses conforme la perturbación de la
onda se mueve hacia la playa.
PRODUCCIÓN DE UNA ONDA
LONGITUDINAL
Un péndulo en oscilación produce condensaciones
y rarefacciones que viajan por el resorte.
La longitud de onda es la distancia entre
condensaciones o rarefacciones adyacentes.
Velocidad, longitud de
onda, rapidez.
En
las ondas longitudinales el movimiento de las partículas que transportan la
onda es paralelo a la dirección de propagación de esta. Por ejemplo, un muelle
que se comprime da lugar a una onda longitudinal. Mientras que, en las ondas
transversales las partículas se mueven perpendicularmente a la dirección de la
onda.
CARACTERÍSTICAS
DE LA ONDA
INTERFERENCIA
CONSTRUCTIVA
Superposición de dos o más ondas de frecuencia
diferentes, al interferirse crean un nuevo patrón de ondas de mayor intensidad
(amplitud) cuya cúspide es el antinodo; tras este punto, vuelven a ser las
mismas ondas de antes.
INTERFERENCIA
DESTRUCTIVA
Superposición de dos o más ondas de frecuencia idéntica o similar
que, al interferirse crean un nuevo patrón de ondas de menor intensidad (amplitud) en un punto llamado
nodo. Tras dicho punto, las ondas siguen siendo como eran antes de
interferirse, aunque esta vez alejándose del nodo. En el caso más extremo, dos
ondas de igual frecuencia y amplitud en contrafase (desfasadas 180º), que se
interfieren, se anulan totalmente por un instante (como se ilustra en el primer
gráfico de la derecha). De igual manera, vuelven a ser las mismas después de
traspasar el nodo, aunque esta vez alejándose del mismo.
¿Qué es el sonido?
Es cualquier fenómeno que involucre la propagación en
forma de ondas elásticas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u
otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.
El sonido humanamente audible consiste en ondas
sonoras que se
producen cuando las oscilaciones de la presión del aire, son convertidas en ondas mecánicas
en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es
similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de
presión. En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones
del estado tensional del medio.
Representación
esquemática del oído, propagación del sonido.
Azul: ondas
sonoras.
Rojo: tímpano.
Amarillo: Cóclea.
Verde: células de receptores auditivos.
Púrpura: espectro de frecuencia de respuesta del oído.
Naranja: impulso del nervio.
La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través
de un medio elástico sólido, líquido o gaseoso. Entre los más comunes se encuentran
el aire y el agua. No se propagan en el vacío, al contrario que las ondas
electromagnéticas. Si las vibraciones se producen en la misma dirección en la
que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal y si las vibraciones son perpendiculares a la dirección de
propagación es una onda transversal.
¿Cómo
se produce el sonido?
EL SONIDO SOLO SE PRODUCE CUANDO UN
CUERPO VIBRA MUY RÁPIDAMENTE
La vibración del elástico produce un sonido.
La frecuencia es el número de vibraciones u oscilaciones
completas que se efectúan en 1 segundo.
Se producen sonidos
audibles cuando un cuerpo vibra con una frecuencia comprendida entre 20 y 20000
Hz (Hercio, unidad de medida para la frecuencia).
Una guitarra produce sonido si vibra con una frecuencia comprendida
entre 20 y 20000 Hz.
El sonido se transmite a través de medios materiales,
sólidos, líquidos o gaseosos pero nunca a través del vacío.
El sonido se produce cuando un cuerpo vibra con una
frecuencia comprendida entre 20 y 20000 Hz y existe un medio material en el que
pueda propagarse.
El sonido es una onda. Una onda es una perturbación que se
propaga por el espacio. En una onda se propaga energía, no materia.
El sonido se propaga
en el aire a una velocidad de 340 m/s a temperatura normal (aproximadamente a
20º).
Para que el sonido pueda llegar a nuestros oídos necesita un
espacio o medio de propagación, este normalmente suele ser el aire la velocidad
de propagación del sonido en el aire es de unos 334 m/s y a 0º es de 331,6 m/s.
La velocidad de propagación es proporcional a la raíz
cuadrada de la temperatura absoluta y es alrededor de 12 m/s mayor a 20º.
La velocidad es siempre independiente de la presión
atmosférica. Como hemos visto cuando mayor sea la temperatura del ambiente
menos rápido llegará el sonido a nuestros oídos, es por eso que algunas
personas dicen que "en invierno se suele escuchar mejor" es decir, a
mayor temperatura menor respuesta del sonido en el aire
|
MEDIO
|
TEMPERATURA (C°)
|
VELOCIDAD (m/s)
|
|
Aire
|
0
|
331,46
|
|
Argón
|
0
|
319
|
|
Bióxido de Carbono
|
0
|
260,3
|
|
Hidrógeno
|
0
|
1286
|
|
Helio
|
0
|
970
|
|
Nitrógeno
|
0
|
333,64
|
|
Oxígeno
|
0
|
314,84
|
|
Agua destilada
|
20
|
1484
|
|
Agua de mar
|
15
|
1509,7
|
|
Mercurio
|
20
|
1451
|
|
Aluminio
|
17-25
|
6400
|
|
Vidrio
|
17-25
|
5260
|
|
Oro
|
17-25
|
3240
|
|
Hierro
|
17-25
|
5930
|
|
Plomo
|
17-25
|
2400
|
|
Plata
|
17-25
|
3700
|
|
Acero inoxidable
|
17-25
|
5740
|
El sonido se propaga a diferentes velocidades en medios de
distinta densidad. En general, se propaga a mayor velocidad en líquidos y
sólidos que en gases (como el aire).
La velocidad de propagación del sonido es, por ejemplo, de
unos 1.509,7 m/s en el agua y de unos 5.930 m/s en el acero Un cuerpo en oscilación pone en movimiento a
las moléculas de aire (del medio) que lo rodean. Éstas, a su vez, transmiten
ese movimiento a las moléculas vecinas y así sucesivamente.
Cada molécula de aire entra en oscilación en torno a su punto
de reposo. Es decir, el desplazamiento que sufre cada molécula es pequeño. Pero
el movimiento se propaga a través del medio. Entre la fuente sonora (el cuerpo
en oscilación) y el receptor (el ser humano) tenemos entonces una transmisión
de energía pero no un traslado de materia.
No son las moléculas de aire que rodean al cuerpo en
oscilación las que hacen entrar en movimiento al tímpano, sino las que están
junto al mismo, que fueron puestas en movimiento a medida que la onda se fue
propagando en el medio.
El (pequeño) desplazamiento (oscilatorio) que sufren las
distintas moléculas de aire genera zonas en las que hay una mayor concentración
de moléculas (mayor densidad), zonas de condensación, y zonas en las que hay
una menor concentración de moléculas (menor densidad), zonas de rarefacción.
Esas zonas de mayor o menor densidad generan una variación alterna en la
presión estática del aire (la presión del aire en ausencia de sonido). Es lo
que se conoce como presión sonora.
El sonido es una onda mecánica longitudinal que se propaga a
través de un medio elástico. El sonido no se propaga en el vacío.
Un sonido es una sensación que se genera en el oído a partir
de las vibraciones de las cosas. Estas vibraciones se transmiten por el aire u
otro medio elástico.
Para la física, el sonido implica un fenómeno vinculado a la difusión de una onda de
características elásticas que produce una vibración en un cuerpo, aun cuando
estas ondas no se escuchen.
El sonido audible para los seres humanos está formado por las
variaciones que se producen en la presión del aire, que el oído convierte en
ondas mecánicas para que el cerebro pueda percibirlas y procesarlas.
Al propagarse, el sonido transporta energía pero no materia. Las vibraciones se
generan en idéntico rumbo en el que se difunde el sonido: puede hablarse, por
lo tanto, de ondas longitudinales.
Se ha estimado que el sonido, cuando se registra una
temperatura de veinte grados centígrados, alcanza una velocidad en el aire de
trescientos cuarenta metros por segundo. Cabe destacar, por lo tanto, que la
velocidad que consigue el sonido es superior en los medios sólidos que en los
líquidos, y que es mayor en éstos últimos que en los gases.
Se conoce como potencia acústica, por otra parte, a la
cantidad energética en forma de ondas que emite una cierta fuente por unidad de tiempo. Esta potencia depende
de la amplitud (la variación más grande de desplazamiento del movimiento
ondulatorio).
Las cualidades principales del sonido son la altura (grave,
agudo o medio, según la frecuencia de las ondas), la duración (el tiempo en el
cual se mantiene el sonido), el timbre (su rasgo característico)
y la intensidad (la cantidad de energía que contiene).
Efectos de sonido para producciones audiovisuales
Si la temperatura ambiente es de 15 °C, la velocidad de
propagación del sonido es 340 m/s (1224 km/h ). Este valor corresponde a 1 MACH.
Propiedades
Las cuatro cualidades básicas del sonido son la altura, la duración, la intensidad y el timbre
o color.
|
Cualidad
|
Característica
|
Rango
|
|
Altura o tono
|
Frecuencia de onda
|
Agudo, medio, grave
|
|
Intensidad
|
Amplitud de onda
|
Fuerte, débil o suave
|
|
Timbre
|
Armónicos de onda o forma de la onda. Análogo a la
textura
|
Depende de las características de la fuente emisora
del sonido (por analogía: áspero, aterciopelado, metálico, etc)
|
|
Duración
|
Tiempo de vibración
|
Largo o corto
|
a Altura véanse también: altura
musical y Tono (acústica).
La altura, o altura tonal, indica si el sonido es grave,
agudo o medio, y viene determinada por la frecuencia fundamental de las ondas sonoras,
medida en ciclos por segundo o hercios (Hz).
· vibración
lenta = baja frecuencia = sonido grave.
· vibración
rápida = alta frecuencia = sonido agudo.
Para que los humanos podamos percibir un sonido, éste debe
estar comprendido entre el rango de audición de 20 y 20.000 Hz. Por debajo de
este rango tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasonidos. A esto se le
denomina rango de frecuencia audible. Cuanta más edad se tiene, este rango va
reduciéndose tanto en graves como en agudos.
En la música occidental se fueron estableciendo tonos
determinados llamados notas, cuya secuencia de 12 (C, C#, D, D#, E, F, F#, G, G#, A, A#, B) se va
repitiendo formando octavas, en cada una de éstas se duplica la frecuencia. La
diferencia entre distintas notas se denomina intervalo.
La duración
Véase también: duracion musical
Es el tiempo durante el cual se mantiene un sonido. Podemos
escuchar sonidos largos, cortos, muy cortos, etc. Los únicos instrumentos
acústicos que pueden mantener los sonidos el tiempo que quieran, son los de
cuerda frotada, como el violín, y los de viento (utilizando la respiración circular
o continua); pero por lo general, los instrumentos de viento dependen de la
capacidad pulmonar, y los de cuerda según el cambio del arco producido por el
ejecutante.
La intensidad
Véanse también: intensidad
musical y Sonoridad.
Es la cantidad de energía acústica que contiene un sonido, es
decir, lo fuerte o suave de un sonido. La intensidad viene determinada por la potencia, que a su vez está determinada por la amplitud y nos permite distinguir si el
sonido es fuerte o débil.
La intensidad del sonido se divide en intensidad física e
intensidad auditiva, la primera está determinada por la cantidad de energía que
se propaga, en la unidad de tiempo, a través de la unidad de área perpendicular
a la dirección en que se propaga la onda. Y la intensidad auditiva que se
fundamenta en la ley psicofísica de Weber-Fechner, que establece una relación
logarítmica entre la intensidad física del sonido que es captado, y la
intensidad física mínima audible por el oído humano.
Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y no llegar al umbral
de dolor (140 dB).
Esta cualidad la medimos con el sonómetro y los resultados se expresan en decibelios (dB) en honor al científico e
inventor Alexander Graham Bell.
El timbre
Véase también: timbre
musical
Una misma nota suena distinta si la toca una flauta, un
violín, una trompeta, etc. Cada instrumento tiene un timbre que lo identifica o
lo diferencia de los demás. Con la voz sucede lo mismo. El sonido dado por un
hombre, una mujer, un niño tienen distinto timbre. El timbre nos permitirá
distinguir si la voz es áspera, dulce, ronca o aterciopelada. También influye
en la variación del timbre la calidad del material que se utilice. Así pues, el
sonido será claro, sordo, agradable o molesto.
EL SONIDO Y LAS ONDAS
Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en
un medio material o incluso en el vacío. A pesar de la naturaleza diversa de
las perturbaciones que pueden originarse, todas las ondas tienen un
comportamiento semejante. El sonido es un tipo de onda que se propaga
únicamente en presencia de un medio que haga de soporte de la perturbación. Los
conceptos generales sobre ondas sirven para describir el sonido, pero,
inversamente, los fenómenos sonoros permiten comprender mejor algunas de las
características del comportamiento ondulatorio.
Algunas clases de ondas precisan para propagarse de la
existencia de un medio material que, al igual que las fichas de dominó, haga el
papel de soporte de la perturbación; se denominan genéricamente ondas
mecánicas. El sonido, las ondas que se forman en la superficie del agua, las
ondas en muelles o en cuerdas, son algunos ejemplos de ondas mecánicas y
corresponden a compresiones, deformaciones y, en general, a perturbaciones del
medio que se propagan a través suyo. Sin embargo, existen ondas que pueden
propasarse aun en ausencia de medio material, es decir, en el vacío. Son las
ondas electromagnéticas o campos electromagnéticos viajeros; a esta segunda
categoría pertenecen las ondas luminosas.
