Imagine que es un buzo y necesita calcular la capacidad de aire de su tanque. O imagine que ha inflado un globo a un cierto tamaño y se pregunta cómo es la presión dentro del globo. O suponga que está comparando los tiempos de cocción de un horno normal y un horno tostador. ¿Por dónde empezar?

Todas estas preguntas tienen que ver con el volumen de aire y la relación entre la presión del aire, la temperatura y el volumen. ¡Y sí, están relacionados! Afortunadamente, hay una serie de leyes científicas ya elaboradas para hacer frente a estas relaciones. Solo tienes que aprender cómo aplicarlos. Llamamos a estas leyes las Leyes del Gas.

TL; DR (Demasiado Largo; No Leí)

Las Leyes del Gas son:

Ley de Boyle: P _{1V 1 \u003d P 2V 2.}

Ley de Charles: P _{1 ÷ T 1 \u003d P 2 ÷ T 2, donde T está en Kelvin.}

Ley de gases combinados: P _{1V 1 ÷ T 1 \u003d P 2V 2 ÷ T 2, donde T está en Kelvin.}

Ley de Gas Ideal: PV \u003d nRT, (mediciones en unidades SI).
Presión y Volumen de Aire: Ley de Boyle

La Ley de Boyle define la relación entre un volumen de gas y su presion. Piense en esto: si toma una caja llena de aire y luego la presiona hasta la mitad de su tamaño, las moléculas de aire tendrán menos espacio para moverse y chocarán entre sí mucho más. Estas colisiones de moléculas de aire entre sí y con los lados del contenedor son las que crean presión de aire.

La Ley de Boyle no tiene en cuenta la temperatura, por lo que la temperatura debe ser constante
en para usarlo.

La Ley de Boyle establece que, a una temperatura constante, el volumen de una determinada masa (o cantidad) de gas varía inversamente con la presión.

En forma de ecuación, eso es :

P _{1 x V 1 \u003d P 2 x V 2}

donde P _{1 y V 1 son volumen y presión iniciales y P 2 y V 2 son el nuevo volumen y presión.}

Ejemplo: suponga que está diseñando un tanque de buceo donde la presión de aire es de 3000 psi (libras por pulgada cuadrada) y el volumen (o la "capacidad") del tanque es de 70 pies cúbicos. Si decide que prefiere hacer un tanque con una presión más alta de 3500 psi, ¿cuál sería el volumen del tanque, suponiendo que lo llene con la misma cantidad de aire y mantenga la temperatura igual?

Inserte los valores dados en la Ley de Boyle:

3000 psi x 70 pies ^{3 \u003d 3500 psi x V ₂}

Simplifique, luego aísle la variable en un lado de la ecuación:

210,000 psi x ft ^{3 \u003d 3500 psi x V ₂}

_{(210,000 psi x ft ^{3) ÷ 3500 psi \u003d V 2}}

_{60 pies ^{3 \u003d V 2}}

Entonces, la segunda versión de su tanque de buceo sería de 60 pies cúbicos.
Temperatura y volumen del aire: Ley de Charles

¿Qué pasa con la relación entre volumen y temperatura? Las temperaturas más altas hacen que las moléculas se aceleren, chocando cada vez más con los lados de su contenedor y empujándolo hacia afuera. La Ley de Charles da las matemáticas para esta situación.

La Ley de Charles establece que a una presión constante, el volumen de una masa (cantidad) dada de gas es directamente proporcional a su temperatura (absoluta).

O V _{1 ÷ T 1 \u003d V 2 ÷ T 2.}

Para la Ley de Charles, la presión debe mantenerse constante y la temperatura debe medirse en Kelvin.
Presión, temperatura y volumen: la ley de gases combinados

Ahora, ¿qué pasa si tiene presión, temperatura y volumen juntos en el mismo problema? La Ley de Gas Combinado toma la información de la Ley de Boyle y la Ley de Charles y las combina para definir otro aspecto de la relación presión-temperatura-volumen.

La Ley de Gas Combinado establece que el volumen de una cantidad dada de El gas es proporcional a la relación entre su temperatura Kelvin y su presión. Eso suena complicado, pero eche un vistazo a la ecuación:

P _{1V 1 ÷ T 1 \u003d P 2V 2 ÷ T 2.}

Nuevamente, la temperatura debe medirse en Kelvin.
La Ley del Gas Ideal

Una ecuación final que relaciona estas propiedades de un gas es la Ley del Gas Ideal. La ley viene dada por la siguiente ecuación:

PV \u003d nRT,

donde P \u003d presión, V \u003d volumen, n \u003d número de moles, R es la constante de gas universal, que es igual a 0.0821 L-atm /mole-K, y T es la temperatura en Kelvin. Para obtener todas las unidades correctas, deberá convertir a unidades SI, las unidades de medida estándar dentro de la comunidad científica. para la presión, atm; y para la temperatura, Kelvin (n, el número de moles, ya está en unidades SI).

Esta ley se llama la ley del gas "Ideal" porque supone que los cálculos tratan con gases que siguen las reglas. Bajo condiciones extremas, como calor o frío extremo, algunos gases pueden actuar de manera diferente a lo que sugeriría la Ley de Gas Ideal, pero en general es seguro asumir que sus cálculos usando la ley serán correctos.

Ahora ya sabe varios formas de calcular el volumen de aire bajo una variedad de circunstancias.