Qué significa expansibilidad
Idea inicial: Al calentar suavemente un globo flexible, el gas puede ocupar más volumen. No apareció materia nueva: cambiaron las condiciones y las partículas se distribuyeron en un espacio mayor.
La expansibilidad describe la capacidad de un sistema material para ocupar un volumen mayor cuando cambian las condiciones o el espacio accesible. En los gases es especialmente evidente porque sus partículas se distribuyen por el recipiente disponible.
Para una cantidad fija de gas ideal, el volumen depende de la presión absoluta y de la temperatura en kelvin. Los sólidos y líquidos también presentan expansión térmica, aunque generalmente menor. Absorber agua, producir gas en una reacción o formar una espuma no son el mismo mecanismo.
Conexiones de la familia
Antes de calcular, delimita el sistema material. Un cambio de volumen causado por carga mecánica también puede analizarse como deformación volumétrica.
Fórmula principal
Relaciona dos estados cuando la cantidad de gas no cambia; P es presión absoluta y T se expresa en kelvin.
Magnitudes, símbolos y unidades
| Magnitud | Símbolo | Unidad | Símbolo de unidad | Nota |
|---|---|---|---|---|
| Presión absoluta | P | pascal | Pa | No usar presión manométrica directamente. |
| Volumen | V | metro cúbico | m³ | Puede usarse L si se conserva la unidad en ambos estados. |
| Temperatura absoluta | T | kelvin | K | No sustituir grados Celsius en proporciones. |
| Cantidad de sustancia | n | mol | mol | Debe permanecer fija en la ley combinada. |
| Constante de gas ideal | R | joule por mol kelvin | J/(mol·K) | Usa una forma compatible con P y V. |
Fórmulas derivadas
Temperatura constante
P₁V₁ = P₂V₂Procedencia: T₁=T₂ en la ley combinada.
Cuándo usarla: Cantidad fija de gas y temperatura constante.
Presión constante
V₁/T₁ = V₂/T₂Procedencia: P₁=P₂ en la ley combinada.
Cuándo usarla: Cantidad fija de gas y presión constante.
Gas ideal
PV = nRTProcedencia: Ecuación de estado del modelo ideal.
Cuándo usarla: Aproximación adecuada y unidades compatibles.
Cómo analizar una expansión
Delimita el sistema
Indica qué cantidad de materia sigues y si entra o sale gas.
Identifica el mecanismo
Separa cambio de P o T, expansión libre, absorción y reacción.
Declara constantes
Anota si n, P o T permanecen constantes.
Convierte la temperatura
Usa kelvin y presión absoluta en relaciones de gases.
Elige la ecuación
Aplica Boyle, Charles, ley combinada o expansión térmica según el caso.
Comprueba el resultado
Relaciona el signo y la magnitud del cambio con las condiciones físicas.
10 ejemplos resueltos de expansibilidad
Cada solución avanza de la situación concreta a la interpretación del resultado. Comprueba los datos, las unidades y el sentido de la conclusión antes de continuar.
Gas que accede a otra cámara
El gas ocupa 4 L
Problema: Un gas ocupa una cámara de 2 L y se abre una válvula hacia otra cámara evacuada de 2 L. ¿Qué volumen accesible ocupa al alcanzar el equilibrio?
- Situación: Volumen inicial accesible = 2 L; volumen adicional vacío = 2 L; el conjunto está cerrado.
- Principio: Un gas se distribuye por todo el volumen accesible.
- Qué se observa: Al abrir la válvula, las partículas pueden entrar en ambas cámaras.
- Razonamiento: V final accesible = 2 L + 2 L = 4 L.
- Conclusión: El gas ocupa 4 L
- Interpretación: La masa no aumentó: cambió el espacio disponible para la misma cantidad de gas.
Expansión por calentamiento a presión constante
El volumen aumenta a 2,40 L
Problema: Un gas ideal ocupa 2,00 L a 300 K. Si se calienta a 360 K a presión constante, ¿qué volumen alcanza?
- Datos: V₁ = 2,00 L; T₁ = 300 K; T₂ = 360 K; P constante
- Principio: V₁/T₁ = V₂/T₂
- Sustitución: V₂ = (2,00 L)(360 K)/(300 K)
- Cálculo: V₂ = 2,40 L
- Resultado: El volumen aumenta a 2,40 L
- Interpretación: La temperatura debe expresarse en kelvin para usar esta proporcionalidad.
Expansión al disminuir la presión
El volumen final es 3,00 L
Problema: Un gas ocupa 1,50 L a 200 kPa. A temperatura constante, la presión baja a 100 kPa. ¿Cuál es el volumen final?
- Datos: P₁ = 200 kPa; V₁ = 1,50 L; P₂ = 100 kPa; T constante
- Principio: P₁V₁ = P₂V₂
- Sustitución: V₂ = (200 kPa)(1,50 L)/(100 kPa)
- Cálculo: V₂ = 3,00 L
- Resultado: El volumen final es 3,00 L
- Interpretación: Al reducir la presión absoluta a la mitad, el volumen se duplica en el modelo ideal isotérmico.
Cambio combinado de presión y temperatura
El volumen final es 2,64 L
Problema: Una muestra ocupa 2,0 L a 300 K y 120 kPa. Termina a 330 K y 100 kPa. ¿Qué volumen predice el modelo ideal?
- Datos: V₁ = 2,0 L; T₁ = 300 K; P₁ = 120 kPa; T₂ = 330 K; P₂ = 100 kPa
- Principio: P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂
- Sustitución: V₂ = (120 kPa)(2,0 L)(330 K)/[(100 kPa)(300 K)]
- Cálculo: V₂ = 2,64 L
- Resultado: El volumen final es 2,64 L
- Interpretación: El aumento de temperatura y la disminución de presión favorecen ambos la expansión.
Expansión térmica de una barra
La barra se alarga aproximadamente 0,60 mm
Problema: Una barra de 1,00 m tiene α = 12 × 10⁻⁶ K⁻¹ y aumenta 50 K su temperatura. ¿Cuánto se alarga aproximadamente?
- Datos: L₀ = 1,00 m; α = 12 × 10⁻⁶ K⁻¹; ΔT = 50 K
- Principio: ΔL = αL₀ΔT
- Sustitución: ΔL = (12 × 10⁻⁶ K⁻¹)(1,00 m)(50 K)
- Cálculo: ΔL = 6,0 × 10⁻⁴ m = 0,60 mm
- Resultado: La barra se alarga aproximadamente 0,60 mm
- Interpretación: Los sólidos también pueden expandirse; normalmente su cambio relativo es mucho menor que el de un gas.
Espuma que aumenta de volumen
Primero debe identificarse el mecanismo
Problema: Una mezcla forma muchas burbujas y su volumen aparente aumenta. ¿Debe llamarse automáticamente expansibilidad del material original?
- Situación: El proceso puede producir gas nuevo o incorporar aire dentro de una estructura.
- Principio: Aumentar el volumen aparente no demuestra que una cantidad fija de sustancia se haya expandido por un cambio de P o T.
- Qué se observa: Hay que identificar si cambió la composición, la cantidad de gas o la estructura interna.
- Razonamiento: Si se genera nueva materia gaseosa dentro del sistema, no es el mismo caso que la expansión de una muestra fija de gas.
- Conclusión: Primero debe identificarse el mecanismo
- Interpretación: Absorción, reacción química, formación de espuma y expansión térmica son procesos distintos.
Presión de un gas en recipiente cerrado
P₂ = 120 kPa.
Problema: Un gas ocupa volumen constante y pasa de 300 K a 360 K. Si su presión inicial es 100 kPa, ¿cuál es la final en el modelo ideal?
- Datos: P₁ = 100 kPa; T₁ = 300 K; T₂ = 360 K; V constante.
- Principio: P₁/T₁ = P₂/T₂.
- Sustitución: P₂ = 100×360/300.
- Cálculo o razonamiento: 360/300 = 1,2; 100×1,2 = 120.
- Resultado: P₂ = 120 kPa.
- Interpretación: Al no poder expandirse, el calentamiento aumenta la presión; las temperaturas deben expresarse en kelvin.
Burbuja que asciende
V₂ = 6,0 cm³.
Problema: Una burbuja ocupa 2,0 cm³ a 300 kPa y asciende hasta una zona de 100 kPa a temperatura constante. ¿Qué volumen alcanza idealmente?
- Datos: P₁ = 300 kPa; V₁ = 2,0 cm³; P₂ = 100 kPa.
- Principio: Ley de Boyle: P₁V₁ = P₂V₂.
- Sustitución: V₂ = 300×2,0/100.
- Cálculo o razonamiento: 600/100 = 6,0.
- Resultado: V₂ = 6,0 cm³.
- Interpretación: Al disminuir la presión externa, el gas se expande; se supone temperatura constante y equilibrio.
Expansión de un líquido
ΔV ≈ 0,036 L = 36 mL.
Problema: Un recipiente contiene 2,0 L de un líquido con coeficiente volumétrico β = 9,0×10⁻⁴ °C⁻¹. Se calienta 20 °C. ¿Cuánto aumenta su volumen aproximadamente?
- Datos: V₀ = 2,0 L; β = 9,0×10⁻⁴ °C⁻¹; ΔT = 20 °C.
- Principio: ΔV = βV₀ΔT para cambios moderados.
- Sustitución: ΔV = (9,0×10⁻⁴)(2,0)(20).
- Cálculo o razonamiento: 9,0×10⁻⁴×40 = 0,036.
- Resultado: ΔV ≈ 0,036 L = 36 mL.
- Interpretación: Los líquidos también se expanden, aunque mucho menos que un gas libre bajo cambios comparables.
Gas y líquido bajo la misma presión
El volumen del aire cambia más que el del agua.
Problema: Se aplica el mismo aumento moderado de presión a aire y agua. ¿Cuál cambia más su volumen?
- Datos: Aire: gas compresible; agua: líquido con compresibilidad mucho menor.
- Principio: La expansibilidad y compresibilidad dependen del estado y del material.
- Sustitución: Se comparan los cambios relativos ΔV/V bajo la misma variación de presión.
- Cálculo o razonamiento: El aire presenta un cambio relativo mucho mayor.
- Resultado: El volumen del aire cambia más que el del agua.
- Interpretación: Decir que un líquido es “incompresible” es una aproximación útil, no una ausencia absoluta de cambio de volumen.
Ahora te toca a ti
Ejercicio 1
V₁=1,0 L, T₁=300 K y T₂=450 K a P constante. Halla V₂.
Comprobar respuesta
Respuesta: 1,5 L.
V₂=V₁T₂/T₁.
Ejercicio 2
P₁=150 kPa, V₁=2 L y P₂=100 kPa a T constante. Halla V₂.
Comprobar respuesta
Respuesta: 3 L.
V₂=P₁V₁/P₂.
Ejercicio 3
¿Puede usarse 25 °C directamente en V/T=constante?
Comprobar respuesta
Respuesta: No.
Debe convertirse a kelvin.
Ejercicio 4
Una esponja absorbe agua y aumenta volumen. ¿Es el mismo mecanismo que un gas calentado?
Comprobar respuesta
Respuesta: No.
Cambia la cantidad o distribución de materia en la estructura.
Ejercicio 5
¿Los sólidos pueden expandirse?
Comprobar respuesta
Respuesta: Sí.
Presentan expansión térmica, normalmente pequeña.
Errores frecuentes
Error: Afirmar que solo los gases se expanden.
Corrección: Reconoce expansión térmica en sólidos y líquidos.
La magnitud y el modelo cambian según el estado.
Error: Usar °C en proporciones de leyes de gases.
Corrección: Convierte a kelvin.
Las relaciones requieren temperatura absoluta.
Error: Usar presión manométrica como si fuera absoluta.
Corrección: Suma la presión atmosférica cuando corresponda.
La ecuación de estado usa presión absoluta.
Error: Confundir espuma química con expansión de una muestra fija.
Corrección: Identifica si se produce gas o cambia la estructura.
El mecanismo puede incluir una reacción y nueva fase gaseosa.
Error: Aplicar el gas ideal sin revisar condiciones.
Corrección: Declara que es un modelo aproximado.
Los gases reales se desvían especialmente a alta presión o baja temperatura.
Pon a prueba lo aprendido
Pregunta 1 de 10
La ley combinada usa T en:
Pregunta 2 de 10
A T constante, si P baja a la mitad, V ideal:
Pregunta 3 de 10
A P constante, V/T es:
Pregunta 4 de 10
PV=nRT relaciona:
Pregunta 5 de 10
La presión en la ley del gas es:
Pregunta 6 de 10
Una reacción que produce espuma:
Pregunta 7 de 10
Los sólidos:
Pregunta 8 de 10
300 K a 600 K, P constante:
Pregunta 9 de 10
Expansión libre hacia vacío cambia:
Pregunta 10 de 10
El gas ideal es:
Resultado del test
Has acertado 0 de 10 preguntas.
Revisa tus errores
Preguntas frecuentes
La expansión térmica es un mecanismo específico causado por un cambio de temperatura; expansibilidad es una idea más general.
Porque sus partículas se mueven y se distribuyen por todo el volumen accesible.
Porque las proporcionalidades de las leyes de gases se basan en temperatura absoluta.
Presión absoluta, no presión manométrica sin convertir.
No. Puede crecer por producción de gas, incorporación de aire, absorción o cambio estructural.
Fuentes y revisión editorial
Cómo citar este artículo
Editorial Ejemplode. (2026, 5 de agosto). Expansibilidad: qué es, fórmulas y ejemplos. https://www.ejemplode.com/fisica/expansibilidad/
Fuentes consultadas
- OpenStax College Physics 2e, 13.3: The Ideal Gas LawRelación entre presión absoluta, volumen, temperatura y cantidad de gas.
- OpenStax Chemistry, 9.2: Relating Pressure, Volume, Amount, and TemperatureLeyes de Boyle y Charles y uso de temperatura absoluta.
- OpenStax Physics, 12.2: First Law of ThermodynamicsExpansión térmica y relación entre presión, volumen, temperatura y trabajo.
- NIST Guide to the SI, Chapter 4Unidades y símbolos del Sistema Internacional.
- The International System of Units (SI Brochure)Definiciones oficiales del SI y escritura de unidades.
Responsable editorial
Editorial Ejemplode
Responsable de la selección, verificación y actualización del contenido, los ejemplos y las fuentes.
Revisión y actualización
Última revisión editorial: