Presión de los gases y ley de Boyle

En 1662, Robert Boyle comprimió aire atrapado hasta reducir su volumen a la cuarta parte y observó que su presión había aumentado unas cuatro veces.

Tapa con el dedo la punta de una jeringa y empuja el émbolo. Se mueve un poco y luego opone cada vez más resistencia. Al soltarlo, vuelve a salir. La cantidad de aire en su interior no ha cambiado, ni tampoco su temperatura; solo ha cambiado su volumen. Esa resistencia es la presión del gas, la fuerza que ejerce por cada metro cuadrado de las paredes. Se mide en pascales; la presión atmosférica normal al nivel del mar, 1 atm, es de 101.325 kPa.

De dónde viene la presión

Las moléculas de un gas se desplazan en línea recta y rebotan contra las paredes del recipiente. Cada choque ejerce un pequeño empuje sobre la pared. Miles de millones de miles de millones de choques por segundo producen una presión constante. Al comprimir el gas hasta la mitad de su volumen, cada zona de la pared recibe el doble de choques y la presión se duplica. Al calentarlo, las moléculas chocan con más fuerza y frecuencia, por lo que la presión también aumenta. El modelo de partículas explica las leyes de los gases, que se descubrieron mediante experimentos.

Ley de Boyle

Para una cantidad fija de gas a temperatura constante, la presión y el volumen son inversamente proporcionales: P × V no cambia. Por tanto, P₁V₁ = P₂V₂. Al duplicar la presión, el volumen se reduce a la mitad; al triplicarla, a un tercio. En una gráfica de P frente a V, los puntos forman una curva llamada hipérbola. En cambio, al representar P frente a 1/V, forman una recta, que resulta más fácil de interpretar y comprobar. Cambia la gráfica del laboratorio para ver ambas.

Robert Boyle publicó esta relación en 1662. Atrapó aire en el extremo corto y cerrado de un tubo de vidrio en forma de J y vertió mercurio en el extremo largo y abierto, de modo que su peso comprimiera el aire. En su tabla, el aire se comprimió de 48 divisiones iguales del tubo a 12, mientras que la presión total aumentó de 29 2/16 a 117 9/16 pulgadas de mercurio. La cuarta parte del volumen, unas cuatro veces la presión. El físico francés Edme Mariotte descubrió la misma relación de forma independiente en 1676.

La ley de Boyle en el cuerpo y bajo el agua

La respiración aplica la ley de Boyle unas 20 veces por minuto. Al inspirar, el diafragma y los músculos entre las costillas se contraen, el tórax se expande y el volumen de los pulmones aumenta. La presión interior desciende un poco por debajo de la del aire exterior y entra aire. Al espirar ocurre lo contrario. Cada 33 pies (unos 10 m) de agua de mar agregan aproximadamente 1 atm. Para una cantidad fija de aire a temperatura constante, 2 atm lo comprimen a la mitad de su volumen a 1 atm. Un regulador de buceo suministra aire a la presión ambiente, por lo que los pulmones de un buzo que respira no se reducen simplemente a la mitad de su volumen en superficie. Es un ejemplo de una ley de gases, no instrucciones de buceo.