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Entonces, ¿qué sentido tiene? ¿Por qué necesitamos esta constante? ¡Sigue leyendo para saber más sobre la constante de los gases!
- Este artículo trata sobre la constante de los gases
- En primer lugar, definiremos qué es la constante de los gases y de dónde se deriva
- A continuación, aprenderemos qué es la constante universal de los gases
- A continuación, veremos algunos valores diferentes de la constante de los gases
- Por último, conoceremos la constante de los gases del aire y el concepto de constante específica de los gases.
Definición de la constante de los gases
Empecemos por ver la definición de la constante de los gases.
La constante de los gases (R) (también llamada constante ideal de los gases) es una constante física que aparece en la Ley de los gases ideales.
La ley de los gases ideales es una ecuación que muestra el comportamiento de un gas ideal. La ecuación es
$$PV=nRT$$
Donde P es la presión, V es el volumen, n es el número de moles, R es la constante de los gases y T es la temperatura
Un gas ideal es una estimación de cómo se comportan los gases reales. Las partículas de un gas ideal tienen las siguientes propiedades
- Están en movimiento constante
- Tienen masa despreciable
- Tienen un volumen despreciable
- No tienen interacciones (atracción/repulsión) entre partículas
Entonces, ahora que sabemos lo que es, ¿por qué la necesitamos? Pues bien, la constante de los gases es una constante de proporcionalidad, lo que significa que muestra en qué medida están relacionadas dos o más variables. Más concretamente, nos dice cómo se relacionan la temperatura, la presión, el volumen y la cantidad de sustancia en función de sus unidades.
Pero, ¿de dónde ha salido esta constante? ¿Salió de la nada? ¿Alguien eligió un número que le gustó? La verdad es que esta constante se deriva de toda una serie de otras constantes, como las de la ley de Boyle, la ley de Charles y la ley de Avogadro. Estas leyes (y algunas otras) se combinaron para formar la ley del gas ideal, por lo que tiene sentido que la constante del gas ideal sea una combinación de las constantes de esas leyes.
Para ser más concretos, la constante de los gases es el equivalente molar de la constante de Boltzmann (kB) , que es la combinación de varias constantes, como se muestra a continuación:
Fig.1-Relación entre la constante de Boltzmann y las leyes de los gases
El valor de la constante de Boltzmann es 1,380649 x 10-23 J/K. Donde J es "julios" y K es "Kelvin".
Los julios son unidades de energía y el Kelvin es una unidad de temperatura. Por tanto, la constante de Boltzmann relaciona la energía de una partícula de gas con su temperatura
Como la constante de los gases es el equivalente molar, eso significa que también tiene en cuenta la cantidad de una sustancia.
Para obtener la constante de los gases, multiplicamos la constante de Avogadro (NA) por la constante de Boltzmann:
La constante de Avogadro es 6,022x1023 mol-1, y relaciona el número de partículas con la cantidad de una sustancia.
$$R=N_ak_B$$
$$R=(6.022x10^{23}mol^{-1})*(1.380649x10^{-23}\frac{J}{K}$$
$$R=8.314\frac{J}{molK}$$
Como verás más adelante, el valor de la constante de los gases cambia en función de sus unidades. Esta constante se considera la "estándar".
Algunos científicos dicen que el símbolo R debería llamarse "constante de Regnault", en honor del químico francés Henri Victor Regnault, cuyos precisos datos experimentales se utilizaron para averiguar el valor inicial de la constante. Pero nadie parece saber por qué se utiliza la letra R para representar la constante.
Fig.2-Retrato de Henri Victor Regnault
La constante universal de los gases fue hallada probablemente por el alumno de Clausius A.F. Horstmann en 1873 y por Dmitri Mendeleev el 12 de septiembre de 1874. Utilizando sus amplias mediciones de las propiedades de los gases, Mendeleev también la calculó con gran precisión, dentro del 0,3% de su valor moderno.
¿Lo sabías?
- Jan Baptist van Helmont, químico flamenco que vivió en el siglo XVII, inventó la palabra "gas".
- Dicen que Van Helmont inventó la palabra "gas" a partir de las palabras "gahst" y "geist", que significan "fantasma" y "espíritu", respectivamente.
- El físico Michael Faraday inventó los globos de goma como forma de almacenar gases para experimentos.
Constante universal de los gases
Como he mencionado antes, el valor de la constante estándar o "universal" de los gases es 8,314 J/mol-K. Para ampliarlo aún más, es 8,3144598 J/mol-K.
La razón por la que es "universal" es que es aplicable a todos los gases ideales.
Valor de la constante de los gases
Aunque el valor anterior se considera el estándar, existen otros valores de la constante de los gases en función de las unidades utilizadas.
Volvamos a la ley de los gases ideales para ver a qué me refiero:
$$PV=nRT$$
La presión, por ejemplo, puede estar en unidades de atmósferas (atm), mmHg, Torr, bar o pascales (Pa). ¡Son muchas unidades diferentes para una sola variable! Como puedes imaginar, eso significa que hay muchos valores diferentes de la constante de los gases.
Cuando trabajes con la ley de los gases ideales, probablemente utilizarás este valor
0,08205 Latm/molK
Esto se debe a que las unidades anteriores son la o una de las unidades estándar para cada variable individual.
A continuación se muestra una tabla con algunos valores comunes de la constante de los gases.
| Tabla 1-Diferentes valores de la constante de gas | |
|---|---|
| Constante de gas Valor | Unidades |
| 0.08205 | Latm/molK |
| 8.314 | J/molK |
| 62.36 | LTorr/molK |
| 8.314 | LPa/molK |
| 62.36 | mmHgL/molK |
| 8.205x10-5 | m3atm/molK |
Como puedes ver, hay varios valores de la constante de los gases, pero no todos son diferentes. Recuerda que la constante de los gases es una constante de proporcionalidad, por lo que las distintas unidades se "relacionan" entre sí de distintas maneras.
Constante de gas para el aire
La constante universal de los gases es aplicable a todos los gases, pero a veces queremos ser un poco más específicos, que es donde entra en juego la constante específica de los gases .
La constante específica de los gases relaciona la constante universal de los gases y la masa molar de un gas (o mezcla de gases).
La fórmula es
$$R_{specific}=\frac{R}{M}$$
Donde R es la constante universal de los gases y M es la masa molar del gas o gases.
El aire es una mezcla de gases, por lo que "M" sería la masa molar de toda la mezcla. Cuando hablamos de la constante de los gases del aire, nos referimos a la constante de los gases del aire seco. El aire contiene vapor de agua, y la cantidad de vapor de agua puede fluctuar mucho, por eso tendemos a ignorarlo.Si utilizamos la masa molar media del aire seco (28,964917 g/mol), la Rspecífica del aire seco es 287,05 J/kg-K.
Constante de los gases - Puntos clave
- La constante de los gases (R) (también llamada constante de los gases ideales) es una constante física que aparece en la ley de los gases ideales.La constante de los gases es una constante de proporcionalidad, lo que significa que muestra en qué medida están relacionadas dos o más variables.
- Más concretamente, nos indica cómo se relacionan la temperatura, la presión, el volumen y la cantidad de sustancia en función de sus unidades.
- También se denomina constante ideal de los gases, constante molar de los gases y constante universal de los gases.
- El valor de la constante de los gases es el mismo que el de la constante de Boltzmann, pero se escribe como el producto de la presión y el volumen en lugar de energía por cambio de temperatura por partícula.
- El valor SI de la constante molar de los gases es exactamente 8,31446261815324 J.K-1mol-1
- Algunos científicos dicen que el símbolo R debería llamarse "constante de Regnault", en honor del químico francés Henri Victor Regnault, cuyos precisos datos experimentales se utilizaron para averiguar el valor inicial de la constante.
- La constante universal de los gases fue hallada probablemente por el alumno de Clausius A.F. Horstmann en 1873 y por Dmitri Mendeleev el 12 de septiembre de 1874.
- La constante específica de los gases es la relación entre la constante molar de los gases (R) y la masa molar (M) de la mezcla gaseosa.
Referencias
- Fig.1-Relación entre la constante de Boltzmann y las leyes de los gases por Cmglee en Wikimedia Commons (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Cmglee) bajo licencia CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/)
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