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Gases. Propiedades. Principios de Pascal y de Arquímedes. Presión atmosferica.


 

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GASES

Propiedades de los gases

Pensemos una pelota de futbol poco inflada: es decir, casi sin aire (fig.1).

Inflémosla y procedamos ahora a pesarla. Notaremos una diferencia de peso. Esta diferencia de peso, como ya nos habremos dado cuenta, corresponde al peso del aire encerrado en ella. Igual proceso podriamos hacer con un neumático, una damajuana, etc.

Con balanzas de precisión se ha podido establecer el peso de 1 litro de aire:

en consecuencia

Lo que acabamos de exponer podríamos verificarlo para cualquier otro gas: oxígeno, hidrógeno, helio, nitrógeno, etc. En consecuencia, todos los gases pesan.

Sin duda, habremos observado alguna vez dar bomba a una estufa de presión o inflar una pelota o un neumático.

Figura 1. a) Se pesa un recipiente  abierto. b) El recipiente con aire comprimido pesa más y la balanza se desequilibra en ese sentido : por lo tanto, los gases pesan.

¿Qué ocurre? Pues que a medida que "damos" más aire al tanque o a la cámara aumenta la presión que comprime el aire. Es decir que los gases son compresibles.

Si no fuera así. no podríamos tapar la botella "vacía" que en la realidad está llena de aire.

Si abrimos el tapón-válvula de la pelota, o si el pico de gas de la cocina ha provocado un escape, notamos que tanto el aire como el gas "invaden " fácilmente el ambiente. En consecuencia, los gases son expansibles y difusibles.

Recordemos ahora la propiedad estudiada para la materia y que denominamos impenetrabilidad. Mencionamos la necesidad de poner un tubito en los embudos para facilitar la salida del aire y, por lo tanto, la entrada del líquido. Al llenar una botella sin embudo, hemos podido observar muchas veces la formación de una burbuja en la boca del recipiente: es el aire que sale para dejar entrar al líquido. Todo esto nos permite asegurar que los gases gozan de la propiedad de impenetrabilidad (fig. 1).

Figura 2. Propiedades de los gases

Peso específico de los gases

Si todos los gases pesan y ocupan un determinado volumen, podemos obtener el peso específico de los mismos, o sea:

PRINCIPIOS DE PASCAL Y DE ARQUÍMEDES EN LOS GASES

 

Principio de Pascal

La presión ejercida en el seno de una masa gaseosa se transmite con igual intensidad en todos sentidos (fig.3).

Para los gases, al igual que para los líquidos, se cumple el principio de Pascal y el de Arquímedes.

Principio de Arquímedes

Todo cuerpo en el seno de un gas recibe un empuje, de abajo hacia arriba, igual al peso del gas que desaloja (fig.4).

Figura 3. Verificación del principio de Pascal en los gases

Muchas veces habremos observado con qué rapidez ascienden los globos de papel.

Figura 4. El globo asciende pues se cumple el principio de Arquímedes en los gases

Otras veces habremos visto escapársele a un niño un globo "inflado con gas" (gas de alumbrado, hidrógeno, nitrógeno, etc.). En ambos casos, ¿por qué se produce ese ascenso? Porque también en los gases se cumple el principio de Arquímedes.

Si el empuje que recibe un cuerpo es de 12 kg y el peso de ese cuerpo es 0,500 kg, resulta que

representan la fuerza con que asciende el cuerpo (fig. 5).

Fuerza ascensional es la diferencia entre el empuje recibido y el peso del cuerpo.

En símbolos.

F = E - P,

donde

F = fuerza ascensional.

E = empuje.

P = peso del cuerpo.

Gracias a que en el aire también se cumple el principio de Arquímedes, se hace posible el ascenso de globos aerostáticos, dirigibles y globos de sondeo.

Figura 5. La fuerza ascensional es la diferencia entre el empuje y el peso

Figura 6. Al efectuar el vacío, el baróscopo se desequilibra.

Figura 7. Baróscopo en el aire

Figura 8. El baróscopo pierde su equlibrio al hacer el vacío, pues desaparece el empuje.

La verificación experimental se realiza mediante el baroscopío (figura 6), que, en síntesis, es una esfera de vidrio hueca, colocada en una balanza que está equilibrada para el medio aire.

Si colocamos el baroscopio en una campana de vidrio y mediante una máquina hacemos el vacío en ella, el baroscopio se desequilibra en el sentido de la esfera hueca (fig. 6), ya que al no haber aire en la campana, no hay empuje.

Para el caso del cuerpo humano también se cumple el principio de Arquímedes, pero el empuje es despreciable con respecto al peso del hombre.

Consideremos un hombre que pesa 75 kg; éste desaloja, aproximadamente, 75 dm3 lo que representa un empuje aproximado de 95 g, que no logra incidir en el peso.

PRESIÓN ATMOSFERICA

Existencia de la presión atmosférica.

Hemos establecido que el aire pesa; por lo tanto, toda la capa de aire que rodea a la Tierra (atmósfera) también pesa. En consecuencia, el aire ejerce una fuerza que actúa sobre la superficie de los cuerpos que se hallan situados sobre la Tierra.

resulta que el aire ejerce presión; luego,

Llamamos presión atmosférica a la presión que ejerce la atmósfera.

Podemos verificar la existencia de la presión atmosférica con diversas experiencias.

a) Llenamos un vaso con agua y sobre él colocamos un cartón, tratando de que no existan burbujas (fig. 9). Al invertir el vaso observamos que el agua y el cartón no caen, debido a la existencia de la presión atmosférica.

Figura 9. Comprobación práctica de la existencia de la presión atmosférica, que no permite que caiga el cartón

Todos hemos visto ventosas recogiendo objetos en fábricas o ferias comerciales y probablemente no pensamos en cómo recogen esos objetos. Algunos de nosotros podemos asumir que emplean un vacío para simplemente aspirar el objeto. Pero la ciencia nos dice que la succión no existe, entonces, ¿cómo las ventosas levantan estos objetos?

Un experimento del siglo XVII podría aclarar las cosas. En la década de 1650, un científico alemán llamado Otto Von Guericke realizó experimentos en Magdeburgo para demostrar el poder de la presión atmosférica; utilizó dos mitades de una esfera y una bomba de vacío que él desarrolló. El experimento se conoce como el Experimento de los Hemisferios de Magdeburgo (y el equipo que utilizó todavía se exhibe en el Museo Deutsches de Munich).

Las dos mitades de la esfera de cobre (los dos hemisferios) tenían 50 cm de diámetro y tenían bordes de acoplamiento.

Las mitades se fueron juntadas y selladas con grasa. La esfera fue apoyada y unida a dos equipos de caballos. Una bomba de vacío extrajo el aire del interior de los hemisferios. Una vez hecho esto, los dos equipos de caballos, 16 en total, trataron de separar las dos mitades. No pudieron.

He aquí por qué los caballos tiraron en vano: cuando juntas dos mitades de una esfera, la presión dentro de la esfera es igual a la presión exterior. Por lo tanto, una persona podría sacarlos fácilmente con las manos.

Pero una vez que se elimina el aire / presión en el interior, la presión atmosférica (14.7 psi) actúa perpendicularmente sobre toda la superficie externa de las dos mitades. Esta fuerza puede evitar que 16 caballos separen las dos mitades. Este experimento se ha repetido muchas veces desde la década de 1650.

¿Cómo se relaciona esto con las ventosas? Cuando vemos esas ventosas levantar una pieza de trabajo, los lados de la ventosa se aplanan contra la pieza de trabajo cuando se aplica vacío (se elimina el aire dentro de la ventosa). Esto no es succión haciendo este aplanamiento; es la presión atmosférica exterior que empuja los lados de la ventosa hacia abajo.

En aplicaciones de automatización industrial, cuando el robot o la máquina levantan la ventosa, la presión atmosférica mantiene la pieza de trabajo contra la misma por presión atmosférica. El volumen dentro de la ventosa está a una presión mucho más baja y, por lo tanto, ejerce menos fuerza sobre la pieza de trabajo. La presión atmosférica sobre las otras superficies de la pieza de trabajo es más fuerte, lo que empuja la pieza de trabajo contra la ventosa. Esto es lo que la mantiene en alto. La ventosa es la interfaz entre el sistema de vacío y la pieza de trabajo.

Cuando se elimina el vacío de la ventosa y la presión atmosférica vuelve a llenarla, la presión por encima y por debajo de la pieza de trabajo se iguala, y la ventosa libera la pieza de trabajo, volviendo a su forma original.

Así como la presión atmosférica mantuvo los dos hemisferios pegados cuando se eliminó la presión interna, la presión atmosférica mantiene una pieza de trabajo contra una ventosa una vez que se elimina la presión dentro de la misma.

 

Figura 10. HEMISFERIOS DE MAGDEBURGO: Al hacer el vacío actúa sólo la presión atmosférica e impide su separación.

b) Hemisferio de Magdeburgo. Son dos hemisferios huecos, cuyos bordes ajustan perfectamente (figura 10) y se aplican uno contra otro, pudiéndose separar fácilmente (como si sacáramos la tapa de una cacerola).

Uno de los hemisferios tiene una llave (R), donde se aplica la máquina para hacer el vacío. Una vez logrado éste, la separación de los mismos es muy difícil. Otto Guericke, que realizó esta experiencia en Magdeburgo, necesitó atar ocho caballos a ambas manijas para separarlos. Esto explica la existencia de la presión atmosférica.

c) Pongamos a calentar agua en un recipiente cilíndrico; cuando haya alcanzado la ebullición, "tapémosla" con una pelota que ajuste perfectamente, según indica la figura 11, y dejémosla enfriar.

Figura 11. La presión exterior hace que la pelota entre en la lata.

Para sacar luego la pelota, tendremos que aplicar cierta fuerza. Esto se debe a que, al hervir el agua, desaloja el aire, produciéndose un vacío; en estas condiciones, sobre la pelota actúa solamente la presión atmosférica, lo que impide que la misma salga fácilmente.

Figura 12. Se coloca dentro de la botella un algodón mojado con alcohol y encendido. Se consume el oxígeno y se produce el vacío, por lo cual la presión exterior hace que el huevo duro entre en la botella.

Figura 13. Otra verificación de la existencia de la presión atmosférica: la ventosa de goma queda adherida al sacar el aire de su interior.

Otras dos experiencias, muy prácticas y conocidas, que denotan la existencia de la presión atmosférica, son las que indican las figuras 12 y 13.

Figura 14. Acción de la presión atmosférica: Al introducir el gotero en el vaso, no entra líquido. Apretando el capuchón flexible (a), se elimina el aire (queda vacío). Al liberar el capuchón, entra liquido por acción de la presión atmosférica.

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