El modelo cinético molecular para un gas ideal

El modelo cinético molecular para un gas ideal En 1662, Robert Boyle encontró que el volumen de un gas a temperatura constante es proporcional al inv

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El modelo cinético molecular para un gas ideal

En 1662, Robert Boyle encontró que el volumen de un gas a temperatura constante es proporcional al inverso de la presión – ley de Boyle 1 (1) V∝ P En 1787, Jacques Alexandre Charles encontró que el volumen de un gas es proporcional a su temperatura En 1802, Joseph Louis Gay-Lussac determinó la taja de expansión del gas con la temperatura – ley de Charles-Gay-Lussac (2) V ∝T En 1811, Amadeo Avogadro propuso la siguiente hipótesis para explicar estas leyes: con las mismas condiciones de presión y temperatura en un volumen igual de gas se encuentra una cantidad igual de moléculas – ley de Avogadro De 1811 hasta 1858, la ley de Avogadro fue rechazada por los químicos (Avogradro murió en 1856) - fue el italiano Stanislao Cannizzaro que mostró en 1858 que la ley de Avogadro permite de determinar sistemáticamente de manera correcta la masa molecular de los elementos químicos y sus formulas El número de Avogadro N A – es el número de átomo en 0.012kg de carbono 12 (isótopo más común estable) - N A = 6.022 ×1023 La masa molecular M = masa de un mol (3)

M = N Am

1

La ley de Avogadro permite de poner junto las leyes de Boyle y Charles-Gay-Lussac – la ley de los gas es perfectos (4) PV = nRT Donde n es la cantidad de mol (la cantidad de moléculas = n ⋅ N A ) y R es la constante de los gases perfectos J (5) R = 8.3145 mol ⋅ K O L ⋅ atm (6) R = 0.08206 mol ⋅ K R La razón es una constante = la constante de Boltzmann NA R J (7) = k = 1.381×10 −23 NA moleculas ⋅ K La ley de los gases perfectos toma la forma (8) PV = nN AkT = NkT Donde N es la cantidad de moléculas

Se puede interpretar esta ley con el modelo cinético-molecular Este modelo representa un gas ideal en un recipiente con un gran número de partículas que rebotan contra la pared del recipiente •

Un recipiente de volumen V contiene un N muy grande de moléculas idénticas cada con masa m



Las moléculas son partículas puntuales con tamaño pequeño en comparación con la distancia entre moléculas y dimensión del recipiente



Las moléculas son en constante movimiento è siguiendo la ley de Newton y las colisiones con las paredes del recipiente son elásticas



La presión del gas corresponde al los choques constante de las moléculas contra las paredes siguiendo la ley de conservación de la cantidad de movimiento - durante un choque se cambia la dirección de la componente ⊥ a la pared de la cantidad de movimiento de las moléculas pero no su componente P

2

Consideramos vx = la magnitud de la componente x de la velocidad de una molécula y asumimos vx la misma para todas El cambio de velocidad causado por el choque elástico es −v x è El cambio de cantidad de movimiento: mvx − ( −mv x ) = 2mvx En el intervalo de tiempo dt una molécula se encuentra a una distancia v x dt de la pared El número de moléculas que chocan contra la pared en un área A durante el intervalo de tiempo dt es igual al número de moléculas dentro del volumen cilíndrico V = Avx dt Asumiendo la densidad de volumen N V uniforma el número de moléculas esta igual a N Av x dt V En promedio, la mitad de las moléculas ya chocaran contra la pared, por lo tanto el número de 1N choques durante el intervalo de tiempo dt debe ser igual a Avx dt 2V El cambio total de cantidad de movimiento dp x para el sistema total de moléculas durante el intervalo de tiempo dt es: (9)

dp x =

1N NAm 2 Avx dt ⋅ 2mvx = v x dt 2V V

Y la razón de cambio de la componente dPx es igual a la fuerza dp NAm 2 (10) F= x = vx dt V

3

Por definición de la presión P=

(11)

F Nm 2 = vx A V

IMPORTANTE - la componente vx no es realmente igual para todas las moléculas – pero se puede agrupar las moléculas en diferentes valores y sumar ⇒ ( vx2 ) medio

Además, vx tiene una relación simple con la velocidad total promedio vmedio :

(v ) 2

medio

= (v 2x ) medio + (v y2 )medio + (vz2 ) medio

Y con no hay ninguna diferencia entre las direcciones x, y, z ⇒ ( v 2 ) medio = 3 ( vx2 ) medio Usando esta realción VP =

(12)

1 2 1  2 2 Nm ( v ) = N  m (v ) medio medio  3 3 2 

1 m ( v2 ) = K tr , molecula es la energía cinética media de una molécula multiplicando medio 2 por el número total de molécula NKtrmolecula = K tr es la energía cinética aleatoria total ,

Donde

La relación se cambia a PV =

(13)

2 Ktr 3

Comparando con la ecuación de estado de un gas ideal PV = nRT ⇒ Ktr =

(14) Dividiendo por N ( N = nN A ) (1.15)

3 nRT 2

Ktr 1 3 n 3 R  3 = Ktrmolecula = m ( v 2 ) medio = RT =   T = kT , N 2 2N 2  NA  2

Donde k es la constante de Boltzmann

4

Encontramos que la energía cinética aleatoria de las moléculas solamente depende de la temperatura del gas 1 3 m (v2 ) = kT medio 2 2

(16)

La energía cinética traslacional media por mol ( M = N A m) (17)

NA

1 1 3 m ( v 2 ) = M ( v 2 ) = RT med med 2 2 2

Sobre la base molecular: N = N A n y R = N Ak

PV = nRT = NkT

(18)

La rapidez eficaz de una molécula vrms (root mean square) la raíz de la media de los cuadrados (19)

vrms =

(v ) 2

med

=

3kT = m

3RT M

A una temperatura dada T las moléculas con diferente masa m tiene la misma energía cinemática media ⇒ pero diferente rapidez g se mueve más rápidamente que O2 con masa mol g g 32 y H 2 que es más ligero M = 2 es aún más rápida mol mol

Ejemplo: N 2 del aire con masa M = 28

⇒ esto explica porque no se queda en la atmósfera: una porción apreciable rebasa la rapidez m de escape de la tierra 1.12 × 104 s En realidad, choques de las moléculas con pared del recipiente no son elástico – las moléculas adhieren durante un tiempo curto y luego salen con rapidez característica de T

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Choques entre moléculas La hipótesis de un gas perfecto = no hay interacciones entre las moléculas – pero en realidad las moléculas se chocan una con otras - ¿Con que frecuencia chocan con otras? y ¿Cuanto viajan en promedio entre dos choques?

Consideremos N moléculas en volumen V , asumiendo que son esferas rígidas de radio r

Supongamos que solamente una se mueve è chocara con otra cuando la distancia es 2r Consideramos un cilindro con radio 2r con eje paralelo a la dirección de movimiento de la molécula è esta molécula choca con otra cuyo centro esta dentro de este cilindro Durante el tiempo dt la molécula viaja a una distancia vdt è el volumen del cilindro es por lo tanto Vcil = 4π r 2vdt Asumiendo una densidad homogénea ρ = N V , el número de moléculas que tiene su centro N dentro del cilindro será dN = ρVcil = 4π r 2vdt V El número de choques por segundo es: (20)

dN N = 4π r 2 v dt V

6

Si tomamos en cuenta que todas las moléculas se mueven ⇒ la probabilidad de choques aumenta por un factor 2 : (21)

dN N = 4π 2r 2 v dt V

El tiempo medio entre dos choques = tiempo libre medio: (22)

t medio =

V 4π 2r 2vN

Y la trayectoria libre media: (23)

λ = vt medio =

V 4π 2r 2 N

Es inversamente proporcional al número de moléculas y inversamente proporcional al área transversal è cuantas más moléculas + mayor su tamaño más alta la probabilidad de colisiones Para un gas ideal PV = NkT ⇒ (1.24)

V kT = N P

λ = vt medio =

kT 4π 2 r 2 P

Aumenta con la temperatura y disminuya con la presión Las condiciones para que se aplique las leyes de los gases perfectos son: • Alta temperatura • Baja presión

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La ecuación de van der Waals Cuando no se aplique las condiciones de los gases perfectos se debe tomar en cuenta las interacciones entre moléculas – la ecuación de va der Waals (desarrollada en el siglo XIX por J. D. van der Waals) consiste a introducir correcciones a la ecuación de los gases ideales para tomar en cuenta el volumen de las moléculas y las fuerzas de atracción en  n2  (25) p + a   (V − nb ) = nRt V2   Donde a y b son constantes empíricas que depende del gas

Si



Si b es el volumen de un mol de moléculas, entonces el volumen total será nb - la corrección toma en cuenta que el volumen real donde se mueve las moléculas es reducido por el volumen total de las moléculas V − nb



La constante a depende de las fuerzas de atracción intermoleculares – hace que la presión del gas será reducida – el efecto es proporcional al número de las moléculas por unidad de volumen en una capa cerca de la pared (interacción con la pared) y al número de moléculas por unidad de volumen en la siguiente capa más allá de la pared n n n2 è (interacción entre moléculas) = ⋅ = 2 V V V

n es pequeño la distancia entre las moléculas es grande y la corrección es insignificante V

3 J ⋅ m3 −5 m Ej. Para CO2 - a = 0.364 y b = 4.27 ×10 mol 2 mol

Un mol de gas ideal a T = 0 o C y P = 1 atm ocupa un volumen de 0.0224m3 ⇒ Según la ecuación de van der Walls la corrección es solamente del orden de 0.5%

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