29.1: Introducción- Gases

Un gas consiste en un número muy grande de partículas (típicamente 10 ²⁴ o muchos órdenes de magnitud más) ocupando un volumen de espacio que es muy grande en comparación con el tamaño (10 ^-10 m) de cualquier átomo o molécula típica. El estado del gas puede ser descrito por unas pocas cantidades macroscópicamente medibles que determinan completamente el sistema. El volumen del gas en un contenedor se puede medir por el tamaño del contenedor. La presión de un gas se puede medir usando un manómetro. La temperatura se puede medir con un termómetro. La masa, o número de moles o número de moléculas, es una medida de la cantidad de materia.

Descripción Macroscópica vs Atomística de un Gas

¿Cómo podemos usar las leyes de la mecánica que describen los movimientos e interacciones de partículas atómicas individuales para predecir propiedades macroscópicas del sistema como presión, volumen y temperatura? En principio, cada partícula atómica puntual puede especificarse por su posición y velocidad (descuidando cualquier estructura interna). No podemos saber exactamente dónde y con qué velocidades se mueven todas las partículas por lo que debemos tomar promedios. Además, necesitamos leyes mecánicas cuánticas para describir cómo interactúan las partículas. De hecho, la incapacidad de la mecánica clásica para predecir cómo varía la capacidad calorífica de un gas con la temperatura fue la primera sugerencia experimental de que un nuevo conjunto de principios (mecánica cuántica) opera a la escala del tamaño de los átomos. Sin embargo, como punto de partida utilizaremos la mecánica clásica para deducir la ley del gas ideal, con solo un mínimo de suposiciones adicionales sobre la energía interna de un gas.

Átomos, lunares y número de Avogadro

El número de Avogadro se definió originalmente como el número de moléculas en un gramo de hidrógeno. Luego se redefinió el número para ser el número de átomos en 12 gramos del isótopo de carbono carbono-12. Los resultados de muchos experimentos han determinado que hay\(6.02214129 \times 10^{23} \pm 0.00000027 \times 10^{23} \equiv 6.02214129(27) \times 10^{23}\) moléculas en un mol de átomos de carbono-12. Recordemos que el mol es una unidad base en el sistema SI de unidades que es una unidad para una cantidad de sustancia con símbolo [mol]. El mol se define como la cantidad de cualquier sustancia que contenga tantos átomos como haya en 12 gramos de carbono12. El número de moléculas por mol se llama la constante Avogadro, y es\[N_{A}=6.0221415 \times 10^{23} \mathrm{mol}^{-1} \nonumber \] A medida que el experimento mejoró la determinación de la constante Avogadro, se ha propuesto un cambio al sistema SI de unidades para definir la constante Avogadro para estar exactamente\(N_{A}=6.02214 \mathrm{X} \times 10^{23} \mathrm{mol}^{-1}\) donde la X significa uno o más dígitos finales aún por llegar a un acuerdo. El número de Avogadro es un número adimensional pero en el sistema SI actual, la constante de Avogadro tiene unidades de [mol ^-1] y su valor es igual al número de Avogadro.