¿Qué le sucede a un gas cuando aumenta su presión? » ABC de la ciencia

¿Qué tan genial es cambiar tu estado? Congélame; soy hielo Caliéntame; soy agua hervirme; soy vapor Tengo diferentes formas y estados: ¡Soy Materia!

Estados de Mater Afiche de ilustración vectorial de física científica y educativa con sólidos, líquidos, gas y plasma.  Etapas de la estructura física y entre transiciones.

Los diferentes estados de la materia (Crédito de la foto: VectorMine/Shutterstock)

Vídeo recomendado para ti:

La versatilidad de la ‘Materia’

En pocas palabras, la definición de materia es algo que lleva masa y ocupa espacio. Hay cuatro estados fundamentales de la materia: Sólido, Líquido, Gas y Plasma.

Disposición de moléculas en diferentes estados de la materia (Crédito de la foto: udaix/Shutterstock)

Sólidos: Estos son rígidos e incompresibles con una forma y volumen definidos. Fuertes fuerzas intermoleculares mantienen unidas las moléculas sin espacios intermoleculares o insignificantes. Las moléculas en los sólidos tienen baja energía cinética y baja energía vibracional. Los sólidos pueden existir en dos formas: cristalina o amorfa. El carbono sólido existe en forma cristalina como diamante y en forma amorfa como carbón vegetal.

Líquidos:

Estos son fluídicos, tienen un volumen definido, no tienen una forma definida (toman la forma del recipiente) y son incompresibles. Las fuerzas intermoleculares moderadas mantienen unidas las moléculas con espacios intermoleculares débiles. Las moléculas en líquido se mueven con energía cinética moderada. Los líquidos poseen propiedades de acción capilar, viscosidad y tensión superficial.

gases:

Estado de la Materia(Arisa_J)s

Espacios intermoleculares en gases (Crédito de la foto: Arisa_J/Shutterstock)

Estos también son altamente fluídicos, tienen forma y volumen indefinidos y son fácilmente comprimibles. Las fuerzas intermoleculares en un gas son muy débiles y las distancias intermoleculares son grandes. Por lo tanto, los gases fluyen libremente y las moléculas en un gas se mueven con alta energía cinética.

Plasma:

El estado más abundante de la materia en el universo es el plasma o materia sobrecalentada. El 99% de la materia del Universo se encuentra en estado de plasma. Cuando la energía pasa a través del gas neutro, los electrones se eliminan para formar iones con carga positiva y negativa. No tiene forma ni volumen. El plasma forma el sol y las estrellas.

Wispy,Humo,En,Movimiento,Dentro,Esfera.,Perfecto,Para,Logotipos,Y

(Crédito de la foto: Quardia/Shutterstock)

¿Qué determina el estado de la Materia?

La materia tiene un estado específico a una temperatura y presión dadas. Los dos factores que regulan su estado son:

  1. Temperatura (explicada por la Ley de Charles)
  2. Presión (explicada por la Ley de Boyles)

Entendiendo el efecto de la temperatura en los Estados de la Materia

A presión atmosférica, el agua existe como líquido a temperaturas entre 0ᵒC y 100ᵒC, como vapor de agua (gas) más allá de 100ᵒC y como hielo (sólido) a 0ᵒC e inferiores. Los rangos de temperatura en los que existen sustancias en un estado particular varían para cada sustancia. Sabemos que el agua tiene tres estados, pero ¿qué pasa con otros elementos y compuestos? ¿Existen el hierro, el oxígeno y el cloruro de calcio en tres estados? La respuesta enfática es: “Toda la materia existe en diferentes estados, dependiendo de la temperatura y la presión”. De lo anterior, el oxígeno es un gas a > -182ᵒC, mientras que el hierro es un gas a 2860ᵒC. Toda la materia puede existir en los tres estados, pero las temperaturas a las que alcanzan cada estado varían ampliamente.

La Ley de Charles rige los Estados de la Materia

La Ley de Charles establece que el volumen de una cantidad fija de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta si la presión permanece constante.

Diagrama infográfico de la ley de Charles

Ley de Charles que postula la relación entre la temperatura y el volumen (Crédito de la foto: udaix/Shutterstock)

A presión constante, si la temperatura de un sólido (es decir, hielo) aumenta, su volumen aumenta correspondientemente. Con el aumento de volumen, las moléculas se mueven más lejos, aumentando la distancia intermolecular y, por lo tanto, disminuyendo las fuerzas intermoleculares. Cuando esto sucede, el hielo sólido experimenta lentamente una transición de fase a agua líquida. Un mayor aumento de la temperatura aumentará proporcionalmente el volumen, haciendo que las moléculas se alejen unas de otras. Esto aumenta la distancia intermolecular y disminuye la fuerza de atracción intermolecular, provocando así el cambio de agua (líquido) a vapor (gas).

Entender el efecto de la presión sobre los Estados de la Materia

Como se mencionó anteriormente, la presión es otro factor crítico que determina el estado de la materia. Este principio se utiliza en la fabricación de N2 líquido y hielo seco (dióxido de carbono sólido). El nitrógeno gaseoso se convertirá en líquido cuando se aumente la presión sobre el gas. Por otro lado, puedes hacer que el agua hierva a temperatura ambiente disminuyendo la presión lo suficiente. Entonces, la presión y la temperatura están en una relación inversa. El N2 líquido y el hielo seco se fabrican aplicando presión sobre los gases N2 y CO2 para cambiar su estado de gas a líquido y de gas a sólido, respectivamente.

Hacer, Criogénico, Hielo, Crema, Hecho a mano, Usando, Líquido, Nitrógeno, Y, Vapor

N2 líquido (Crédito de la foto: Suslov Denis/Shutterstock)

Seco, Hielo, Pellets

Hielo seco (Crédito de la foto: Kollawat Somsri/Shutterstock)

La Ley de Boyle rige los Estados de la Materia

Como se mencionó anteriormente, existe una relación inversa entre la presión y la temperatura, que se rige por la ley de Boyle. Según la ley, el volumen de un gas aumenta a medida que disminuye la presión, a temperatura constante.

Comprensión del diagrama infográfico del experimento del émbolo de aire a presión

Ley de Boyle que postula la relación entre presión y volumen (Crédito de la foto: udaix/Shutterstock)

De la ilustración anterior, observamos que la presión y el volumen de un gas son inversamente proporcionales. Cuando aumenta la presión, el volumen disminuye, acercando las moléculas. Esto aumenta la fuerza de atracción intermolecular y disminuye la distancia intermolecular. Esto promoverá la transición de un estado gaseoso a uno líquido. Un mayor aumento de la presión reduce aún más el volumen, por lo que los líquidos se transforman en sólidos.

¿Cómo se forma el hielo seco?

En la fabricación de hielo seco, la presión sobre el gas CO2 se reduce de 1 atmosférica (1 atm) a 5,11. A esta presión, ya una temperatura constante de -56ᵒC, el CO2 gaseoso se convierte en CO2 sólido con un estado líquido muy transitorio. La temperatura y la presión específicas a las que se encuentran en equilibrio tres estados de cualquier materia se denominan triple punto.

Binario, Fase, Diagrama, De, Co2, -, Carbono, Dióxido

Punto triple: la temperatura y la presión a las que las fases sólida, líquida y de vapor de una sustancia pura pueden coexistir en equilibrio (Crédito de la foto: magnetix/Shutterstock)

Una ligera disminución de la temperatura transformará el CO2 gaseoso en CO2 sólido.

Conclusiones

Los estados de la materia se reciclan continuamente y la temperatura y la presión controlan las transiciones de fase. La temperatura y la presión a la que coexisten todos los estados se denomina punto triple. Un proceso finamente orquestado entre temperatura, volumen y presión determina el estado de cualquier materia.

Lectura sugerida

¿Te resultó útil este artículo

Sí No