Gas ideal – pV = nRT en un cilindro
FísicaFísica térmica y gasesEdades 17–18
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Las moléculas de gas se mueven al azar dentro de un cilindro con un émbolo. Arrastra el émbolo para cambiar el volumen y mueve la barra de temperatura para calentar o enfriar el gas; la presión p = nRT/V se actualiza al instante junto con una gráfica de estado (isoterma p–V, isócora p–T o isóbara V–T) que muestra la curva teórica y el rastro de los estados recorridos. La pantalla Primera ley lleva el gas por procesos isotérmicos, isobáricos, isocóricos o adiabáticos o por un ciclo completo: suministra calor Q y observa el trabajo como área bajo la curva p–V, ΔU = Q − W, barras de energía en vivo y el rendimiento del ciclo. La pantalla Gases reales usa la ecuación de van der Waals para He, N₂, CO₂ y NH₃: una gráfica del factor de compresibilidad Z = pV/(nRT) frente a p a varias temperaturas, moléculas con volumen propio y atracciones, y la licuefacción por debajo de la temperatura crítica.
Lección: Teoría cinética de los gases, ley de Boyle, ley de Charles, ecuación de estado del gas ideal, primera ley de la termodinámica
Qué muestra
La ecuación del gas ideal pV = nRT relaciona presión, volumen, temperatura absoluta y cantidad de gas. En el modelo cinético, la presión se debe a los choques de las moléculas contra las paredes, más fuertes y frecuentes si el gas está más caliente; fijar una magnitud da las leyes de Boyle, de Charles y de Gay-Lussac. La pantalla Primera ley aplica la conservación de la energía: ΔU = Q − W con W el trabajo realizado por el gas, o ΔU = Q + W con W el trabajo realizado sobre él. El trabajo es el área bajo la curva p–V y un ciclo cerrado convierte calor neto en trabajo neto. La pantalla Gases reales muestra dónde falla pV = nRT: en la ecuación de van der Waals, las atracciones (a) dan Z < 1 a presión moderada y el volumen propio de las moléculas (b) da Z > 1 a presión alta, y a baja temperatura el CO₂ y el NH₃ se licúan.
Cómo usarla
En Leyes de los gases, arrastra el émbolo, cambia Temperatura T y pulsa Cambiar gráfica. En Primera ley, elige un proceso y un gas, ajusta Calor Q (o Volumen V₂ para procesos adiabáticos y ciclos), el estado inicial T₁ y V₁ y el convenio de signos. Pulsa Ejecutar proceso para ver el estado recorrer la curva p–V mientras crecen el área sombreada y las barras Q, W y ΔU; la tabla muestra cada paso. En Gases reales, elige un Gas, ajusta Temperatura T y Volumen molar Vₘ, lee Z en la gráfica Z–p y pulsa Registrar punto.
Parámetros que puedes cambiar
- Cantidad de gas n 0,5–3 mol
- Temperatura T 200–600 K
- Volumen V 5–40 L
- Gráfica del proceso Isotérmico: p–V, Isocórico: p–T, Isobárico: V–T
- Pantalla Leyes de los gases, Primera ley de la termodinámica, Gases reales
- Proceso (pantalla Primera ley) Isotérmico (T constante), Isobárico (p constante), Isocórico (V constante), Adiabático (Q = 0), Ciclo: 2 isocóricos + 2 isobáricos, Ciclo Otto (motor de gasolina)
- Calor Q suministrado al gas -3000–3000 J
- Volumen final V₂ (adiabático, ciclos) 2–60 L
- Tipo de gas Gas monoatómico (He, Ar), Gas diatómico (N₂, O₂)
- Convenio de signos del trabajo W = trabajo realizado por el gas: ΔU = Q − W, W = trabajo realizado sobre el gas: ΔU = Q + W
- Gas (Gases reales) Helio He, Nitrógeno N₂, Dióxido de carbono CO₂, Amoníaco NH₃
- Temperatura T (Gases reales) 250–1000 K
- Volumen molar Vₘ (Gases reales) 0,05–25 L/mol
Preguntas para explorar
- ¿Por qué la temperatura debe expresarse en kelvin y no en grados Celsius al usar pV = nRT?
- En un proceso isobárico, ¿qué le ocurre al volumen si se duplica la temperatura absoluta?
- A partir del movimiento de las moléculas, ¿por qué aumenta la presión al calentar un gas a volumen constante?
- ¿Por qué una expansión isobárica necesita más calor que un calentamiento isocórico con el mismo aumento de temperatura?
