GASES
¿QUÈ MAGNITUDES NECESITO PARA DEFINIR EL ESTADO DE UN GAS?
Para definir el estado de un gas se requieren cuatro magnitudes:
Temperatura
Presión
Volumen
Masa
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LOS GASES
Los gases adoptan el volumen y forma del recipiente que los contiene.
Se consideran los más comprensibles de los estados de la materia.
Cuando se encuentran confinados en el mismo recipiente se mezclan uniforme y completamente.
Cuentan con densidades mucho menores que los líquidos y sólidos.
COMPORTAMIENTO DE LOS GASES
No tienen forma definida ni volumen propio
Sus moléculas se mueven libremente y a azar ocupando todo el volumen a disposición.
Pueden comprimirse y expandirse.
Baja densidad.
Todos los gases se comportan de manera similar frente a los cambios de P y T.
Presión =Fuerza/Área
Unidades de presión
1 pascal (Pa) = 1 N/m2
1 atm = 760 mmHg = 760 torr
1 atm = 101,325 Pa
P a 1/V
P x V = constante
P1 x V1 = P2 x V2
A temperatura constante, cantidad constante de gas.
EJEMPLO: Una muestra de gas del cloro ocupa un volumen de 946 mL a una presión de 726 mmHg. ¿Cuál es la presión del gas (en mmHg) si el volumen está reducido a temperatura constante de 154 mL?.
LEY DE AVOGADRO
v número de moles (n)
v=constante x n
V1/N1 = V2/N2
El volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas.
si aumentamos la cantidad de gas aumentará el volumen.
si disminuimos la cantidad de gas,el volumen disminuye.
LEY DE AVOGADRO
El volumen es directamente proporcional a la cantidad de gas.
*si aumentamos la cantidad de gas, aumentará el volumen.
*si disminuimos la cantidad de gas, el volumen disminuye.
¿POR QUÉ OCURRE ESTO?
Vamos a suponer que aumentamos la cantidad de gas.Esto quiere decir que al tener mayor número de moléculas aumenta la frecuencia de los choques con las paredes del recipiente lo que implica (por un instante) que la presión dentro del recipiente es mayor que la exterior y esto provoca que el émbolo se desplace hacia arriba inmediatamente. Al haber ahora mayor distancia entre las paredes (es decir,mayor volumen del recipiente) el número de choques de las moléculas contra las paredes disminuye y la presión vuelve a su valor original.
EFECTO DE LAS FUERZAS INTERMOLECULARES SOBRE LA PRESIÓN EJERCIDA POR UN GAS.
(El cociente entre el volumen y la cantidad de gas constante)
supongamos que tenemos una cierta cantidad de gas n1 que ocupa un volumen v1 al comienzo del experimento. Si variamos la cantidad de gas hasta un nuevo valor n2, entonces el volumen cambiará a v2, y se cumplirá:
que es otra manera de expresar la ley de avogadro.
EJEMPLO :
Sabemos que 3.50 L de un gas contienen 0.875 mol. Si aumentamos la cantidad de gas hasta 1.40 mol, ¿Cuál será el nuevo volumen del gas? (a temperatura y presión constante)
usamos la ecuación de la ley de avogadro:
(3.50L) (1.40mol) = (v2) (0.875mol) comprueba que si despejamos v2 obtenemos un valor de 5.60 L
ECUACIÓN DEL GAS IDEAL
ley de boyle: V ∝ 1/p ( a n y constante )a
ley de charles: V ∝ T ( a n y p constante )
ley de avogadro: V ∝ n ( a P y T constante)
V ∝ nT/p
V = constante x nT/P = R nT/P R es la constante de gas.
PV=nRT
Las condiciones 0°C Y 1 atm son llamadas temperatura y presión estándar (TPE).
Los experimentos muestran que a TPE, 1 mol de un gas ideal ocupa 22.414 L.
PV=nRT
R=PV/nT = (1 atm)(22.414L) / (1mol) (273.15k)
R=0.082057 L ° atm / (mol ° k )
TERMODINÁMICA
La termodinámica es el estudio de las relaciones de energía que involucran calor, trabajo mecánico y otros aspectos de energía y transferencia de calor.
UN SISTEMA TERMODINÁMICO
•Un sistema es un entorno cerrado en el que puede tener lugar transferencia de calor. (Por ejemplo, el gas, las paredes y el cilindro de un motor de automóvil.)
DOS FORMAS DE REDUCIR LA ENERGÍA INTERNA, DU.
ESTADO TERMODINÁMICO
El ESTADO de un sistema termodinámico se determina mediante cuatro factores:
• Presión absoluta P en pascales
• Temperatura T en Kelvins
• Volumen V en metros cúbicos
• Número de moles, n, del gas que realiza trabajo
LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA:
•La entrada neta de calor en un sistema es igual al cambio en energía interna del sistema más el trabajo realizado POR el sistema.
•Por el contrario, el trabajo realizado SOBRE un sistema es igual al cambio en energía interna más la pérdida de calor en el proceso.
CONVENCIONES DE SIGNOS PARA LA PRIMERA LEY
•ENTRADA de calor Q es positiva
•Trabajo POR un gas es positivo
•Trabajo SOBRE un gas es negativo
•SALIDA de calor es negativa
APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Ejemplo 1: En la figura, el gas absorbe 400 J de calor y al mismo tiempo realiza 120 J de trabajo sobre el pistón. ¿Cuál es el cambio en energía interna del sistema?
Aplique primera ley:
Ejemplo 1: Aplique la primera ley
DOS PROCESOS TERMODINÁMICOS:
•Proceso isotérmico: T = 0, U = 0
•Proceso isobárico: P = 0
PROCESO ISOCÓRICO
¿Qué es el proceso isocórico?
Un proceso isocórico, también llamado proceso isométrico o isovolumétrico es un proceso termodinámico en el cual el volumen permanece constante; debido que la variación de volumen es = 0, no se realiza trabajo ni sobre el sistema ni de este último sobre los alrededores, por lo que se cumple que w= 0 y = Q.
Donde W es trabajo
u es igual energía interna
Q es igual al calor
U = Q-W
Estas últimas expresiones indican que todo el calor suministrado aumentará en la misma proporción a la energía interna.
Un ejemplo de este proceso se presenta al cocer alimentos dentro de una olla exprés, la cual disminuye el tiempo de cocción, pues sirve como depósito o para que la temperatura y presión aumentan en el interior conforme transcurre el tiempo manteniendo su volumen constante. En general se presenta cuando un gas se calienta dentro de un recipiente con volumen fijo.
PROCESO ADIABÁTICO
El extremo opuesto, en el que tiene lugar la máxima transferencia de calor, causando que la temperatura permanezca constante, se denomina como proceso isotérmico.
El término adiabático hace referencia a elementos que impiden la transferencia de calor con el entorno. Una pared aislada se aproxima bastante a un límite adiabático. Otro ejemplo es la temperatura adiabática de llama, que es la temperatura que podría alcanzar una llama si no hubiera pérdida de calor hacia el entorno. En climatización los procesos de humectación (aporte de vapor de agua) son adiabáticos, puesto que no hay transferencia de calor, a pesar que se consiga variar la temperatura del aire y su humedad relativa.
El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas.
En termodinámica se designa como proceso adiabático a aquel en el cual el sistema (generalmente, un fluido que realiza un trabajo) no intercambia calor con su entorno. Un proceso adiabático que es además reversible se conoce como proceso isentrópico.
as. Esto puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales.
PROCESO DIATERMICO
Un proceso Diatérmico quiere decir que deja pasar el calor fácilmente.
Una interacción térmica es cualquier otro tipo de intercambio de energía. En este caso la pared se denomina diatérmica.
Diatérmico también puede entenderse por isotérmico, significa que no hay cambio de temperatura debido a una pared diatérmica que aísla el sistema del medio ambiente.
En cuanto diatérmicos se refieren a que el sistema tiene un intercambio de energía con los alrededores, un ejemplo, nosotros, los seres humanos, somos sistemas diatérmicos, ya que estamos intercambiando energía con nuestro ambiente.
Una pared diatérmica es aquella que permite la transferencia de energía térmica (calor) pero, sin que haya transferencia de masa. El opuesto es una pared adiabática que es la que impide la transferencia de energía en forma de calor.
Cualquier superficie real es una superficie diatérmica, por ejemplo, un vaso, los muros de una casa, etc., todos en mayor o menor grado permiten la transferencia de calor.
Un proceso Diatérmico es aquel en el se intercambia calor sin intercambiar masa.
Ejemplos:
El enfriamiento del té o el café en la taza es un proceso Diatérmico.
El calentamiento de los alimentos cuando los cocinamos.
la subida de temperatura de un termómetro.
ONDAS MECÁNICAS
Una onda mecánica es una perturbación física en un medio elástico.
Considere una piedra suelta en un lago.
Se transfiere energía de la piedra al tronco que flota, pero sólo viaja la perturbación.
El movimiento real de cualquier partícula de agua individual es pequeño.
La propagación de energía mediante una perturbación como ésta se conoce como movimiento ondulatorio mecánico.
Las ondas mecánicas requieren un medio en cual propagarse, eliminando la capacidad de transmisión de estas ondas a través de las aspiradoras. La velocidad a la que una onda mecánica puede viajar está limitada por los atributos de elasticidad y de inercia del medio en cual se desplaza.
Movimiento periódico
El movimiento periódico simple es aquel movimiento en el que un cuerpo se mueve de ida y vuelta sobre una trayectoria fija, y regresa a cada posición y velocidad después de un intervalo de tiempo definido.
Una Onda Transversal
Una onda transversal es una onda en la que cierta magnitud vectorial presenta oscilaciones en alguna dirección perpendicular a la dirección de propagación. Para el caso de una onda mecánica de desplazamiento, el concepto es ligeramente sencillo, la onda es transversal cuando las vibraciones de las partículas afectadas por la onda son perpendiculares a la dirección de propagación de la onda
ONDAS LONGITUDINALES
Una onda longitudinal es una onda mecánica en la que el movimiento de oscilación de las partículas del medio es paralelo a la dirección de propagación de la onda. Las ondas longitudinales reciben también el nombre de ondas de presión u ondas de compresión.
OLAS
Una ola oceánica es una combinación de longitudinal y transversal.
Las partículas individuales se mueven en elipses conforme la perturbación de la onda se mueve hacia la playa.
PRODUCCIÓN DE UNA ONDA LONGITUDINAL
Un péndulo en oscilación produce condensaciones y rarefacciones que viajan por el resorte.
La longitud de onda es la distancia entre condensaciones o rarefacciones adyacentes.
Velocidad, longitud de onda, rapidez.
En las ondas longitudinales el movimiento de las partículas que transportan la onda es paralelo a la dirección de propagación de esta. Por ejemplo, un muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal. Mientras que, en las ondas transversales las partículas se mueven perpendicularmente a la dirección de la onda.
CARACTERÍSTICAS DE LA ONDA
INTERFERENCIA CONSTRUCTIVA
Superposición de dos o más ondas de frecuencia diferentes, al interferirse crean un nuevo patrón de ondas de mayor intensidad (amplitud) cuya cúspide es el antinodo; tras este punto, vuelven a ser las mismas ondas de antes.
INTERFERENCIA DESTRUCTIVA
Superposición de dos o más ondas de frecuencia idéntica o similar que, al interferirse crean un nuevo patrón de ondas de menor intensidad (amplitud) en un punto llamado nodo. Tras dicho punto, las ondas siguen siendo como eran antes de interferirse, aunque esta vez alejándose del nodo. En el caso más extremo, dos ondas de igual frecuencia y amplitud en contrafase (desfasadas 180º), que se interfieren, se anulan totalmente por un instante (como se ilustra en el primer gráfico de la derecha). De igual manera, vuelven a ser las mismas después de traspasar el nodo, aunque esta vez alejándose del mismo.
¿Que es el sonido?
Es cualquier fenómeno que involucre la propagación en forma de ondas elásticas (sean audibles o no), generalmente a través de un fluido (u otro medio elástico) que esté generando el movimiento vibratorio de un cuerpo.
El sonido humanamente audible consiste en ondas sonoras que se producen cuando las oscilaciones de la presión del aire, son convertidas en ondas mecánicas en el oído humano y percibidas por el cerebro. La propagación del sonido es similar en los fluidos, donde el sonido toma la forma de fluctuaciones de presión. En los cuerpos sólidos la propagación del sonido involucra variaciones del estado tensional del medio.
Representación esquemática del oído, propagación del sonido.
La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de un medio elástico sólido, líquido o gaseoso. Entre los más comunes se encuentran el aire y el agua. No se propagan en el vacío, al contrario que las ondas electromagnéticas. Si las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal y si las vibraciones son perpendiculares a la dirección de propagación es una onda transversal.
¿Cómo se produce el sonido?
EL SONIDO SOLO SE PRODUCE CUANDO UN CUERPO VIBRA MUY RÁPIDAMENTE
La vibración del elástico produce un sonido.
La frecuencia es el número de vibraciones u oscilaciones completas que se efectúan en 1 segundo.
Se producen sonidos audibles cuando un cuerpo vibra con una frecuencia comprendida entre 20 y 20000 Hz (Hercio, unidad de medida para la frecuencia).
Una guitarra produce sonido si vibra con una frecuencia
comprendida entre 20 y 20000 Hz
El sonido se transmite a través de medios materiales, sólidos, líquidos o gaseosos pero nunca a través del vacío.
El sonido se produce cuando un cuerpo vibra con una frecuencia comprendida entre 20 y 20000 Hz y existe un medio material en el que pueda propagarse.
El sonido es una onda. Una onda es una perturbación que se propaga por el espacio. En una onda se propaga energía, no materia.
El sonido se propaga en el aire a una velocidad de 340 m/s a temperatura normal (aproximadamente a 20º).
Para que el sonido pueda llegar a nuestros oídos necesita un espacio o medio de propagación, este normalmente suele ser el aire la velocidad de propagación del sonido en el aire es de unos 334 m/s y a 0º es de 331,6 m/s.
La velocidad de propagación es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta y es alrededor de 12 m/s mayor a 20º.
La velocidad es siempre independiente de la presión atmosférica. Como hemos visto cuando mayor sea la temperatura del ambiente menos rápido llegará el sonido a nuestros oídos, es por eso que algunas personas dicen que "en invierno se suele escuchar mejor" es decir, a mayor temperatura menor respuesta del sonido en el aire.
MEDIO
|
TEMPERATURA (C°)
|
VELOCIDAD (m/s)
|
Aire
|
0
|
331,46
|
Argón
|
0
|
319
|
Bióxido de Carbono
|
0
|
260,3
|
Hidrógeno
|
0
|
1286
|
Helio
|
0
|
970
|
Nitrógeno
|
0
|
333,64
|
Oxígeno
|
0
|
314,84
|
Agua destilada
|
20
|
1484
|
Agua de mar
|
15
|
1509,7
|
Mercurio
|
20
|
1451
|
Aluminio
|
17-25
|
6400
|
Vidrio
|
17-25
|
5260
|
Oro
|
17-25
|
3240
|
Hierro
|
17-25
|
5930
|
Plomo
|
17-25
|
2400
|
Plata
|
17-25
|
3700
|
Acero inoxidable
|
17-25
|
5740
|
El sonido se propaga a diferentes velocidades en medios de distinta densidad. En general, se propaga a mayor velocidad en líquidos y sólidos que en gases (como el aire).
La velocidad de propagación del sonido es, por ejemplo, de unos 1.509,7 m/s en el agua y de unos 5.930 m/s en el acero Un cuerpo en oscilación pone en movimiento a las moléculas de aire (del medio) que lo rodean. Éstas, a su vez, transmiten ese movimiento a las moléculas vecinas y así sucesivamente.
Cada molécula de aire entra en oscilación en torno a su punto de reposo. Es decir, el desplazamiento que sufre cada molécula es pequeño. Pero el movimiento se propaga a través del medio. Entre la fuente sonora (el cuerpo en oscilación) y el receptor (el ser humano) tenemos entonces una transmisión de energía pero no un traslado de materia.
No son las moléculas de aire que rodean al cuerpo en oscilación las que hacen entrar en movimiento al tímpano, sino las que están junto al mismo, que fueron puestas en movimiento a medida que la onda se fue propagando en el medio.
El (pequeño) desplazamiento (oscilatorio) que sufren las distintas moléculas de aire genera zonas en las que hay una mayor concentración de moléculas (mayor densidad), zonas de condensación, y zonas en las que hay una menor concentración de moléculas (menor densidad), zonas de rarefacción. Esas zonas de mayor o menor densidad generan una variación alterna en la presión estática del aire (la presión del aire en ausencia de sonido). Es lo que se conoce como presión sonora.
El sonido es una onda mecánica longitudinal que se propaga a través de un medio elástico. El sonido no se propaga en el vacío.
Un sonido es una sensación que se genera en el oído a partir de las vibraciones de las cosas. Estas vibraciones se transmiten por el aire u otro medio elástico.
Para la física, el sonido implica un fenómeno vinculado a la difusión de una onda de características elásticas que produce una vibración en un cuerpo, aun cuando estas ondas no se escuchen.
El sonido audible para los seres humanos está formado por las variaciones que se producen en la presión del aire, que el oído convierte en ondas mecánicas para que el cerebro pueda percibirlas y procesarlas.
Al propagarse, el sonido transporta energía pero no materia. Las vibraciones se generan en idéntico rumbo en el que se difunde el sonido: puede hablarse, por lo tanto, de ondas longitudinales.
Se ha estimado que el sonido, cuando se registra una temperatura de veinte grados centígrados, alcanza una velocidad en el aire de trescientos cuarenta metros por segundo. Cabe destacar, por lo tanto, que la velocidad que consigue el sonido es superior en los medios sólidos que en los líquidos, y que es mayor en éstos últimos que en los gases.
Se conoce como potencia acústica, por otra parte, a la cantidad energética en forma de ondas que emite una cierta fuente por unidad de tiempo. Esta potencia depende de la amplitud (la variación más grande de desplazamiento del movimiento ondulatorio).
Las cualidades principales del sonido son la altura (grave, agudo o medio, según la frecuencia de las ondas), la duración (el tiempo en el cual se mantiene el sonido), el timbre (su rasgo característico)
y la intensidad (la cantidad de energía que contiene).
Efectos de sonido para producciones audiovisuales
La velocidad del sonido en el aire se puede calcular en relación a la temperatura de la siguiente manera:
Donde:
![T\ [{}^\circ\mbox{C}]](https://lh3.googleusercontent.com/dJSQEOclKqhKX3lm8BDQgV4ZT67dzQWpzuletA24wGQRpqoQk0DTj6xCWOCGb0sQXNNWYiilOirGUUslidHdBKFwNXAp0bTEY6yOUWQ9Qp2vZbYTX6XM2AePU1Ujn9OhbURW-jc)
, es la temperatura en grados Celsius.
Si la temperatura ambiente es de 15 °C, la velocidad de propagación del sonido es 340 m/s (1224 km/h ). Este valor corresponde a 1 MACH.
Propiedades
Cualidad
|
Característica
|
Rango
|
Altura o tono
|
Frecuencia de onda
|
Agudo, medio, grave
|
Intensidad
|
Amplitud de onda
|
Fuerte, débil o suave
|
Timbre
|
Armónicos de onda o forma de la onda. Análogo a la textura
|
Depende de las características de la fuente emisora del sonido (por analogía: áspero, aterciopelado, metálico, etc)
|
Duración
|
Tiempo de vibración
|
Largo o corto
|
La altura, o altura tonal, indica si el sonido es grave, agudo o medio, y viene determinada por la frecuencia fundamental de las ondas sonoras, medida en ciclos por segundo o hercios (Hz).
· vibración lenta = baja frecuencia = sonido grave.
· vibración rápida = alta frecuencia = sonido agudo.
Para que los humanos podamos percibir un sonido, éste debe estar comprendido entre el rango de audición de 20 y 20.000 Hz. Por debajo de este rango tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasonidos. A esto se le denomina rango de frecuencia audible. Cuanta más edad se tiene, este rango va reduciéndose tanto en graves como en agudos.
En la música occidental se fueron estableciendo tonos determinados llamados notas, cuya secuencia de 12 (C, C#, D, D#, E, F, F#, G, G#, A, A#, B) se va repitiendo formando octavas, en cada una de éstas se duplica la frecuencia. La diferencia entre distintas notas se denomina intervalo.
La duración
Es el tiempo durante el cual se mantiene un sonido. Podemos escuchar sonidos largos, cortos, muy cortos, etc. Los únicos instrumentos acústicos que pueden mantener los sonidos el tiempo que quieran, son los de cuerda frotada, como el violín, y los de viento (utilizando la respiración circular o continua); pero por lo general, los instrumentos de viento dependen de la capacidad pulmonar, y los de cuerda según el cambio del arco producido por el ejecutante.
La intensidad
Es la cantidad de energía acústica que contiene un sonido, es decir, lo fuerte o suave de un sonido. La intensidad viene determinada por la potencia, que a su vez está determinada por la amplitud y nos permite distinguir si el sonido es fuerte o débil.
La intensidad del sonido se divide en intensidad física e intensidad auditiva, la primera está determinada por la cantidad de energía que se propaga, en la unidad de tiempo, a través de la unidad de área perpendicular a la dirección en que se propaga la onda. Y la intensidad auditiva que se fundamenta en la ley psicofísica de Weber-Fechner, que establece una relación logarítmica entre la intensidad física del sonido que es captado, y la intensidad física mínima audible por el oído humano.
El timbre
Una misma nota suena distinta si la toca una flauta, un violín, una trompeta, etc. Cada instrumento tiene un timbre que lo identifica o lo diferencia de los demás. Con la voz sucede lo mismo. El sonido dado por un hombre, una mujer, un niño tienen distinto timbre. El timbre nos permitirá distinguir si la voz es áspera, dulce, ronca o aterciopelada. También influye en la variación del timbre la calidad del material que se utilice. Así pues, el sonido será claro, sordo, agradable o molesto.
EL SONIDO Y LAS ONDAS
Una onda es una perturbación que avanza o que se propaga en un medio material o incluso en el vacío. A pesar de la naturaleza diversa de las perturbaciones que pueden originarse, todas las ondas tienen un comportamiento semejante. El sonido es un tipo de onda que se propaga únicamente en presencia de un medio que haga de soporte de la perturbación. Los conceptos generales sobre ondas sirven para describir el sonido, pero, inversamente, los fenómenos sonoros permiten comprender mejor algunas de las características del comportamiento ondulatorio.
Algunas clases de ondas precisan para propagarse de la existencia de un medio material que, al igual que las fichas de dominó, haga el papel de soporte de la perturbación; se denominan genéricamente ondas mecánicas. El sonido, las ondas que se forman en la superficie del agua, las ondas en muelles o en cuerdas, son algunos ejemplos de ondas mecánicas y corresponden a compresiones, deformaciones y, en general, a perturbaciones del medio que se propagan a través suyo. Sin embargo, existen ondas que pueden propasarse aun en ausencia de medio material, es decir, en el vacío. Son las ondas electromagnéticas o campos electromagnéticos viajeros; a esta segunda categoría pertenecen las ondas luminosas.
