ESPRAYS, GLOBOS
METEREOLOGICOS Y PULMONES.
GASES BAJO VACÍO
TEMARIO FISICO-QUÍMICA 1º BACHILLERATO
BLOQUE 2: ASPECTOS CUANTITATIVOS DE LA QUÍMICA
LEYES DE LOS GASES
¿Qué es y para qué sirve?
Leyes de los Gases Ideales: esprays
¿Cómo funcionan los esprays? Básicamente, se trata de recipientes cerrados por una válvula que contienen un gas a presión y otro producto comercial no tan volátil (perfumes, insecticidas, productos de limpieza, nata y otros alimentos, etc).
La receta es muy simple: si la presión del gas dentro del recipiente es mayor que la atmosférica, el gas del espray (propelente) saldrá afuera (y de paso arrastrará a los otros productos). A medida que se gasta el propelente, el espray va funcionando peor, y cuando no supera a la presión atmosférica, deja de funcionar del todo.
Algunas personas, desesperadas por aprovechar el espray hasta lo último, calientan el recipiente “agotado” con un secador o dejándolo al sol. Con eso, el gas del interior se calienta, y como la presión aumenta con la temperatura, vuelve a hacerse superior a la atmosférica y sale de nuevo propelente. Pero esto es peligroso: a veces, han explotado recipientes que se han dejado directamente al sol en balcones, solares, etc.
Y es que los gases cumplen las siguientes leyes naturales:
1) La presión de un gas aumenta con la temperatura, hay una relación directa entre ambos (Ley de Gay-Lussac, P = k1T. La constante k1 es específica de cada gas)
2) El volumen de un gas aumenta con la temperatura (cuando calentamos un globo se hincha), y hay una relación directa entre ambos (ley de Charles, V
=k2T. La constante k2 es específica de cada gas)
3) A una misma temperatura, el producto de presión y volumen es constante. Eso quiere decir que si disminuye la presión, aumenta el volumen, y si aumenta la presión, disminuye el volumen (ley de Boyle, PV = k3. La constante k3, es específica de cada gas).
Haciendo operaciones matemáticas, se pueden combinar las tres ecuaciones.1 El resultado final es la Ley de Gases Ideales:
PV = nRT
Donde P es la presión en atmósferas, V es el volumen en litros, n es el número de moles, T es la temperatura en grados Kelvin (basta sumar 273 a la temperatura Celsius) y R es una constante que vale 0,0821
Vamos a ver todo esto con ejemplos. Hay que decir que conocer bien cómo funcionan los gases no sólo sirve para fabricar esprays. También sirve para prevenir terribles accidentes en la industria o en los medios de transporte, si se generan súbitamente muchos gases que hacen estallar el recipiente que los contiene o si hay una descompresión súbita…
1 Para aquellos interesados en los cálculos matemáticos, el razonamiento es así:
Combinando las tres ecuaciones, tendríamos que: PV = (k1T) * (k2T) = (k1* k2) * (T)2 Combinando la anterior con la tercera ecuación, tendríamos: (PV)2 = k3* (k1* k2) * (T)2 Y sacando la raíz cuadrada de todo, tendríamos: PV = K * T
(K es una nueva constante, raíz cuadrada de k3* k1* k2)
Con más investigaciones, se vió que la constante K era proporcional al número de moles del gas n, es decir, a la cantidad de partículas de gas (K = nR), de ahí la versión final de la ecuación
Leyes de los Gases Ideales: globos aerostáticos y globos metereológicos
Vamos a ver cómo se comporta el gas en unos globos. Podemos hacer un experimento con un globo inflado con aire. Si lo soltamos, caerá al suelo. Pero si lo sostenemos en alto, al tiempo que lo calentamos suavemente con el secador, acabará por flotar. ¿Por qué ocurre esto?
Hemos visto que al aumentar la temperatura, aumenta el volumen del globo. El volumen que ocupa el globo es directamente proporcional al empuje del aire hacia arriba,2 y como el peso del globo no varía, llega un momento en que el empuje hacia arriba supera a la fuerza de gravedad hacia abajo, y por eso el globo asciende.
Este es el principio de los globos aerostáticos: para que el globo ascienda, se emplean unos quemadores de gas propano que calientan el aire del globo. La tela del globo está hecha de nylon o poliéster, y es capaz de resistir altas temperaturas en su interior. Cuando el globo está hinchado, tiene entre 2000 y 3000 m3. ¡Imaginemos el empuje que ejerce el aire para ese volumen!
Es tan grande, que el globo puede transportar bastantes personas y una carga muy pesada, venciendo a la fuerza de la gravedad.
Cuando se quiere que el globo descienda, se para de calentar. Al bajar la temperatura del gas, su volumen también disminuye. Y al disminuir el volumen, disminuye el empuje del aire: el globo se desinfla y baja.
Un caso muy especial de la Ley de Gases y de los aerostatos son los globos metereológicos. Estos globos aerostáticos se sueltan todos los días para poder predecir el tiempo, y saber si es tranquilo o si hay que dar una alerta metereológica. Los globos llevan instrumentos para medir la presión atmosférica a distintas alturas, la temperatura, la humedad y los vientos. Estos globos pueden alcanzar alturas superiores a 40 Kms, hasta que dejan de funcionar…¿puedes deducir por qué?
Al subir el globo disminuye la presión atmosférica, y poco a poco el globo va aumentando de volumen. ¡Llegan a dilatarse hasta cien veces más que su volumen en tierra! Finalmente, el material del globo no lo resiste y el globo explota.
Leyes de los Gases Ideales: alta montaña y aire enrarecido
Por ejemplo, en una montaña la cantidad de aire que hay en la parte más alta es menor que la que hay sobre una playa, debido a la diferencia de nivel. Tomando como referencia el nivel del mar, donde la presión atmosférica tiene un valor de 760 mm Hg, se comprueba que, al medir la presión en la cumbre que se encuentra a unos 1500 m sobre el nivel del mar, la presión atmosférica vale aproximadamente 635 mmHg; es decir, la presión disminuye con la altura.
Las manos en la masa
Esprays con perfumes
Vamos a hacer un espray casero. Para eso, necesitaremos:
1) Una botella de plástico de 1L, a cuyo tapón de rosca le hayamos hecho un agujero.
2) 10 g de bicarbonato sódico
3) 2 ml de jugo de limón concentrado
4) Unas gotas de aceite esencial (venta en perfumerías) o 0,5 mL de una colonia
Echamos en la botella el bicarbonato sódico y unas gotitas de una colonia o aroma, y por último, muy rápidamente, jugo de limón exprimido. Colocamos el tapón de rosca, agitamos ligeramente….y el gas que se forma (dióxido de carbono) saldrá por el agujero silbando, y arrastrando el perfume. En vez de colonia, podemos poner toallitas perfumadas antes de agitar, también se ve este efecto.
¡IMPORTANTE! El dióxido de carbono es el gas que existe en las gaseosas y refrescos comerciales, y el gas que echan fuera nuestros pulmones. Pero no conviene respirarlo directamente del tapón, puesto que si entra en exceso en el cuerpo podría marearnos y hasta hacernos perder el sentido. Pero no hay ningún peligro si se hace esto en una habitación o sala con ventana abierta.
Haciendo vacío: ¿qué pasa en el espacio?
Se puede crear un pequeño vacío de varias formas, por ejemplo:
a) con bombas de agua, bastante baratas, que acoplamos a un grifo (pero conviene recoger el agua en un depósito).
b) Con envasadoras de vacío. Hay varios modelos, de venta en centros comerciales.
Estas envasadoras permiten una gran variedad de operaciones: envasar alimentos, conservar muestras de laboratorio, ¡y hacer estos experimentos con gases!
Pie de foto: Imágenes comerciales de envasadora FoodSaver, sirve ésta u otras marcas.
Como vemos en la foto, la envasadora se puede conectar a través de un tubo a tuppers de plástico o a botes que tienen una válvula. Tras hacer vacío, la válvula no deja entrar el aire hasta que presionamos el botón de entrada del bote. El vacío se mantiene durante muchísimo tiempo.
Una vez tengamos la forma de crear vacío, podemos hacer un experimento con globos (FOTOS PAGINA SIGUIENTE). Así, metemos un globo en uno de los recipientes de la envasadora (izda) y le acoplamos la entrada de vacío (centro). Al hacer vacío, y disminuir la presión externa, el gas del globo se expande (derecha): ¡la ley de Boyle dice que a menor presión, mayor volumen!
¿Qué crees que ocurriría si el globo estuviera en un recipiente grande? 3
En la película 2001: Una Odisea Espacial, el ordenador Hal 9000 desea librarse del capitán humano de la nave. De pronto, el capitán nota que Hal ha abierto las compuertas de la nave, y el aire sale en tromba al espacio. ¿Qué se propone Hal? 4
3 Le ocurriría lo mismo que a los globos aerostáticos, se expandiría hasta que el plástico del globo no pudiera resistirlo y entonces explotaría.
En una variante divertida de este experimento, usaremos un recipiente de vidrio Pyrex tipo Buchner (de venta en proveedores de laboratorio habituales), y lo acoplamos al vacío. Ponemos una mano con guantes de látex encima. La pequeña cantidad de aire que estaba entre nuestra mano y el guante se expande y forma un globo dentro del recipiente. ¡El guante ha quedado atrapado, es muy difícil sacarlo!5 Al cerrar el vacío, el guante se libera sólo.
También puede hacerse la misma prueba con crema de afeitar que aumentará considerablemente su volumen al hacer vacío.
4 Asesinar al capitán, pero no asfixiándolo por falta de aire, sino haciéndolo explotar literalmente bajo vacío…como ha hecho antes con otro infortunado astronauta. El capitán sospecha que no ha sido un accidente y Hal decide eliminarlo también. Te adelanto que esta vez falla y es desconectado. ¿Que cómo se salva el astronauta? Disfrutarás viendo la película.
5 El experimento no ofrece peligro, pero es mejor que lo realice el profesor, ya que algunas personas
Este fenómeno se ve también en alta montaña. Como la presión atmosférica se debe al peso del aire sobre un punto de la superficie terrestre, es lógico suponer que cuanto más alto esté el punto, tanto menor será la presión, ya que también es menor la cantidad de aire que hay encima. La presión atmosférica desciende con la altitud.
Vamos a imitar las condiciones de la alta montaña con nuestra envasadora de vacío y su recipiente. Para ello, metemos en el envase un altímetro barométrico (hay altímetros muy baratos en tiendas deportivas, centros comerciales, o venta on-line). El altímetro es un instrumento que se utiliza para conocer la altura sobre el nivel del mar de un punto, por ejemplo, cuando hacemos escalada o cuando volamos.
Al hacer vacío en el recipiente, la aguja del altímetro comienza a moverse, para finalmente mostrar una mayor altitud. Al dejar entrar el aire, la aguja volverá a su posición inicial.
Ley de los Gases: nuestros pulmones contra la botella
La Ley de los Gases tiene también una gran importancia para los seres vivos. Como sabemos, nuestro pecho es parecido a un fuelle: puede inflarse y desinflarse. Cuando el cuerpo necesita oxígeno, un músculo llamado diafragma hace que el volumen de los pulmones aumente. ¿Recuerdas Boyle? A mayor volumen, menor presión. La presión del aire dentro de los pulmones disminuye bruscamente, y para compensarlo, entra aire (con oxígeno fresco) desde fuera.
¿Qué pasa cuando el cuerpo tiene que librarse de aire lleno de CO2, que la sangre transporta hasta los pulmones? El músculo diafragma vuelve a entrar en acción: pero esta vez, aprieta hacia adentro, hace disminuir el volumen del pulmón y con ello la presión del aire dentro del pulmón se hace mucho mayor que la presión atmosférica. El aire sale del pulmón hacia afuera. Comprobémoslo respirando lento varias veces. Y ahora, hinchemos el pecho y soplemos para hinchar un globo. El que lo hinche más, es el voluntario para el siguiente experimento.
Infla un globo dentro de una botella Para este experimento necesitamos:
2 globos.
2 botellas de plástico de medio litro.
Herramienta para hacer un pequeño agujero en las botellas como barrena, clavo y martillo, destornillador, sacacorchos…
El procedimiento es el siguiente:
1. Se hace un agujero en la base o en el lado de una de las botellas. Trataremos que no se vea, que pase inadvertido el mayor tiempo posible.
2. Se introduce un globo en cada botella con su abertura enganchada en la boca de la botella.
3. Se propone a los alumnos que inflen los globos, sólo lo conseguirá quien tenga la botella con el agujero.
4. En esa botella, se infla el globo y cuando ya está hinchado se tapa el agujero con un dedo.
El globo se mantendrá hinchado.
¿Qué está pasando? En la botella sin agujero el globo apenas se infla porque el aire de dentro de la botella, que no puede escapar, se comprime y ejerce una presión contra el aire que queremos meter soplando. Nuestros pulmones no son una bomba muy potente y no pueden luchar contra la presión del aire del interior. Sin embargo, si la botella tiene un agujero, el aire que estaba dentro puede escapar al exterior dejando sitio libre para que se infle el globo.6
Cuando en la segunda botella se tapa el agujero tras inflar el globo, el globo no se deshincha porque la presión del aire que está dentro de la botella es igual a la presión del aire en el exterior (la presión atmosférica).
6 Este fenómeno es importantísimo en submarinismo. Todos sabemos que al sumergirse en agua hay que tener cuidado si se pasa de una determinada profundidad, ya que como veíamos (ley de Boyle), a mayor presión el volumen de los gases disminuye. A profundidades muy altas, el volumen pulmonar
