Ley de Charles

Unidad de Apoyo para el Aprendizaje

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Introducción


Las leyes empíricas se vinculan con las matemáticas, que describen las relaciones entre las variables de estado —presión, volumen, temperatura— en los gases; se denominan empíricas, debido a que son el resultado de observaciones y numerosos experimentos sobre distintos sistemas gaseosos.

En esta unidad, cuya duración es de una hora, revisarás una de éstas, la ley de Charles, desde sus elementos generales hasta el proceso que se sigue cuando se aplica a un problema de impacto biológico. Un ejemplo es cuando se sumergen globos en nitrógeno líquido y el gas al interior disminuye su volumen, lo que los comprime.



Contenedor de nitrógeno líquido

Disminución del volumen bajo la ley de Charles



Identificar la ley de Charles a partir de sus elementos básicos y ejemplos, para la resolución de problemas de impacto biológico.


Ley de Charles


En 1787, Jacques Charles realizó estudios que le permitieron observar el efecto que tiene la temperatura sobre el volumen de un gas. A partir de sus resultados, concluyó que:

La ley de Charles se puede ejemplificar con un pistón y un émbolo móvil de flotación libre. El pistón puede tener una cantidad determinada de gas y una presión de 1 atm. Al calentar el gas, las moléculas se mueven más rápido y su energía cinética aumenta; por lo tanto, la cantidad de colisiones por unidad de tiempo también se acrecienta, lo cual produce un aumento en la presión; debido a que el pistón se puede mover libremente, se observa un aumento del volumen debido a la temperatura; de esta manera, la presión puede permanecer con un valor constante de 1 atm (Hein y Arena, 1997).

Se puede observar, a continuación, una gráfica del volumen de un gas en función de la temperatura; los datos experimentales muestran una línea recta que, cuando se extrapola, cruza el eje de temperatura en -273.15 °C, que es el denominado cero absoluto. Este comportamiento es característico de todos los gases. A medida que disminuye la temperatura, se aminora el volumen del gas. A -273.15 °C, el volumen de un gas ideal sería cero (Hein y Arena, 1997).

Gráfica en la que se muestra la disminución del volumen de un gas al disminuir su temperatura

(s. a.) (s. f.). Gráfica de la ley de Charles [imagen]. Tomada de http://www.iesdmjac.educa.aragon.es/departamentos/fq/temasweb/FQ1BAC/FQ1BAC%20Tema%201%20Aspectos%20cuantitativos%20de%20la%20Quimica/Gay-lussac_schemab.jpg.



Supuesto y expresión matemática


Esta ley indica que…






La expresión matemática de la ley de Charles se muestra a continuación:



Vi = Volumen inicial
Ti = Temperatura inicial
Vf = Volumen final
Tf = Temperatura final



Esta fórmula nos indica que, si la temperatura aumenta al doble, el volumen debe acrecentarse en la misma proporción. Otra manera de expresar esta ley es la siguiente: a presión constante, el volumen de una masa fija de cualquier gas es directamente proporcional a la temperatura absoluta, lo cual se expresa de manera matemática como:



V = Volumen del gas
T = Temperatura absoluta del gas
P = Presión



Matemáticamente, la relación anterior nos indica que el volumen de un gas varía de manera directa con la temperatura absoluta, cuando la presión permanece constante. Otra forma de expresar la ecuación de la ley de Charles es:



De manera alterna:

V = Volumen del gas
T = Temperatura
k = Constante para una determinada masa del gas



Así, si la temperatura de un gas se multiplica por dos, el volumen debe crecer proporcionalmente.



Ejemplo


Los globos aerostáticos se elevan porque el aire se expande cuando se calienta. El aire caliente dentro del globo es menos denso que el frío de los alrededores, a la misma presión. Esta diferencia de densidad es la que hace que el globo ascienda. De la misma manera, un globo se encoge si se le enfría, por ejemplo, con nitrógeno líquido (Brown, LeMay, Bursten y Burdge, 2004).

TGlobo aerostático elevándose del suelo

Globo aerostático.



Aplicación de la ley


A partir de los elementos generales de la ley y el ejemplo, revisa un ejercicio de cómo se aplica.

Un globo se infla hasta un volumen de 2.50 l dentro de una habitación que se mantiene a 24 °C; posteriormente, se saca al exterior en un día frío a -25 °C. Calcula el volumen del globo en el exterior. Supóngase que la cantidad de aire en el globo y su presión permanecen constantes (Canales, Hernández, Meraz y Peñalosa, 1999).

Actividad. Volumen a temperatura

Como revisaste, la ley de Charles permite relacionar los volúmenes y temperaturas de un gas. Ahora que conoces los aspectos básicos de la ley, realiza la siguiente actividad.

Selecciona los datos, elementos o fórmulas que correspondan, de acuerdo con el ejercicio.


Autoevaluación. Ley de Charles

Ya que revisaste las características y elementos de la ley de Charles, pon a prueba lo que aprendiste. Realiza la siguiente autoevaluación.

Selecciona la opción que corresponda con el elemento o característica de la ley de Charles.


Fuentes de información

Bibliografía

Brown, T. L., LeMay, H. E., Bursten, B. E. y Burdge, J. R. (2004). Química. La ciencia central (9.a ed.). Ciudad de México: Pearson Educación.

Canales, M., Hernández, C. T., Meraz, J. S. y Peñalosa, I. (1999). Fisicoquímica (vol. 1). Ciudad de México: Escuela Nacional de Estudios Profesionales Iztacala-UNAM.

Giancoli, D. (2006). Física. Principios con aplicaciones (9.a ed.). Ciudad de México: Pearson Educación.

Hein, M. y Arena, S. (1997). Fundamentos de química. Ciudad de México: Cengage Learning.


Cómo citar

Valencia, I. (2019). Ley de Charles. Unidades de Apoyo para el Aprendizaje. CUAED/FES Iztacala-UNAM. Consultado el (fecha) de (vínculo)