Ejemplo de Expansibilidad

La expansibilidad es la capacidad física de las sustancias de abarcar un volumen cada vez mayor en un sistema cerrado, con su misma masa. Es un fenómeno característico y casi exclusivo del estado de agregación Gaseoso.

Primero se aclarará la limitante con los estados sólido y líquido. En el estado sólido, las partículas de la sustancia se encuentran ordenadas, asignándole una forma y por tanto un volumen definido. No les es posible fluir, necesitan de fuerzas externas para desplazarse. Para que un sólido abarque más volumen, se necesita una mayor masa de él, pero esto significa que ya no cumple con la expansibilidad.

En el estado líquido, las partículas poseen un grado de movimiento en que se desplazan unas sobre otras, pero esto sólo les permite moverse en un flujo. Siguen abarcando el mismo volumen, con la forma del recipiente o la tubería que los contiene. Si se requiere que abarque más, hay que aumentar la masa de líquido, y eso quiere decir que el líquido no tiene expansibilidad.

Hay casos muy específicos, que se citarán en el apartado de Ejemplos, en que una sustancia líquida o sólida se expande en determinadas condiciones para terminar en un resultado más voluminoso.

Una de las propiedades físicas de los gases es que sus partículas se encuentran en un grado de movimiento tal que chocan contra las paredes del recipiente que los contiene. Se puede afirmar que poseen una expansibilidad natural, porque al variar el volumen del sistema, la sustancia gaseosa se adapta de nuevo a los alrededores, quedando sus partículas cada vez más distanciadas entre sí, pero obedeciendo siempre las leyes que rigen los gases.

Entre las leyes de los gases, se encuentra la Ley General de los Gases, representada:

Y la más representativa de este estado físico es la Ley del Gas Ideal:

Ambas ecuaciones aluden a la constancia en la relación que tienen las propiedades Presión, Volumen y Temperatura para la sustancia en estado gaseoso.

La letra R en la Ecuación de Gas Ideal es la Constante Universal de los Gases.

Gracias a estas leyes, se puede asumir, para los objetivos de este tema, que al variar la Temperatura o la Presión, el gas responderá con un cambio de Volumen en el sistema.

Es posible predecir así el valor numérico del volumen en el estado final del proceso, y consecuentemente la magnitud de la expansión o compresión.

La propiedad opuesta a la Expansibilidad es la Compresibilidad, y es la capacidad que tiene la sustancia de contraerse y abarcar menos volumen.

Existe el llamado Factor de Compresibilidad, representado con la letra z, y se encarga de corregir la ecuación del Gas Ideal a la realidad. Si la temperatura es más alta que la temperatura crítica y la presión es suficientemente baja, el gas tendrá una libertad notable en sus partículas y se comportará como un gas ideal. Si se desvía de estas condiciones, se introduce z en la ecuación para empezar a tratarlo como gas real. El valor de z está dado por:

Si z = 1, el gas tiene comportamiento ideal. En cualquier otro valor, es real.

El v ideal se calcula con la ecuación de gas ideal. Z, una vez determinado experimentalmente, se puede aplicar a cálculos posteriores para volumen real en el gas tratado.

Ejemplo de expansibilidad:

Para una explicación adecuada de la expansibilidad de gases, se debe conocer un experimento práctico que se realiza por medio de un globo lleno con aire y gas nitrógeno.

Primero.-  El primer paso que se realiza es llenar de aire el globo, el cual será introducido en un recipiente y se le amarra un cordel en la boca del globo para poder retirarlo.

Segundo.- El segundo paso a realizar es introducir el globo y rociarle el gas nitrógeno en estado líquido. (el cambio de temperatura comprime el gas) “fenómeno de compresibilidad”, reduciendo el tamaño del globo hasta un punto muy reducido.

Tercero.- El tercer paso es extraerlo del recipiente, y es en ese preciso momento en el que se el fenómeno “Expansibilidad”  se presenta en toda su claridad.

Poliacrilato de sodio (efecto de nieve artificial). El Poliacrilato de Sodio es un polímero que se manifiesta como un sólido blanco, que se caracteriza por su capacidad notable para absorber moléculas de agua en su estructura. Se utiliza como relleno para pañales, y por el efecto visual que genera, se emplea como nieve artificial. Aumenta su volumen de una forma descomunal.

Espuma de Poliuretano: El Poliuretano es un polímero muy utilizado en el ramo de la construcción como aislante térmico. Tiene una fuerte adherencia; viene en presentación de líquido color ámbar en un recipiente a presión. Se aplica en capas muy delgadas, y al contacto con el ambiente, se expande más de diez veces su volumen, hasta abarcar el necesario.

Experimento de espumas de colores: Se hace en varios recipientes una mezcla con jabón líquido, y una solución de Peróxido de Hidrógeno al 30%, con colorante. Se prepara una mezcla aparte de Yoduro de Potasio con Agua, de color amarillo. Ya listas ambas, se procede a vaciar el Yoduro de Potasio líquido en cada recipiente, y se generará una expansión súbita y exotérmica, en forma de espuma que desbordará rápidamente los recipientes, en todo un espectáculo de colores.