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¿Qué es un gas? (5)

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Como os prometí, ahora vamos a hablar de la posibilidad que las partículas que forman un gas también giren sobre si mismas, además de desplazarse en línea recta a gran velocidad.

Cada tipo de movimiento que puede realizar una partícula se llama grado de libertad. En cuanto a la traslación hay tres grados de libertad, ya que las partículas pueden moverse:

  1. De izquierda a derecha,
  2. De atrás a adelante y
  3. De abajo a arriba.

En cuanto a los grados de libertad de rotación, la cosa es un poco más complicada porque depende de la estructura internas de las partículas. Si las partículas son puntuales, entonces no pueden rotar. ¿Cómo va a girar un punto sobre si mismo? Pues no puede. Así que los gases monoatómicos (por ejemplo, el argón y el resto de gases nobles) no tienen grados de libertad rotacionales.

Si las partículas están compuesta de dos átomos iguales y puntuales (como en el caso del hidrógeno, nitrógeno u oxígeno), la molécula puede girar de dos formas distintas. Pensad en una majorette, si empieza con su bastón en posición vertical puede hacerlo girar por delante de su cuerpo (como el hélice de un avión), o por al lado (como el rotor trasero del helicóptero).

Lo que no puede hacer una molécula diatómica es girar sobre su propio eje (como un pollo al ast, para entendernos). El es similar al anterior: en un movimiento de este estilo, la posición de los átomos no cambiaría, sólo girarían. Pero, como hemos dicho antes, los átomos puntuales no pueden girar. Sólo pueden girar las cosas que tienen cierto tamaño. Así que la rotación entorno de su propio eje no es posible, una molécula formada por dos átomos puntuales sólo tiene dos grados de libertad rotacionales.

Por último, si una molécula tiene tres o más átomos (no alineados), entonces sí es posible que rote entorno de los tres ejes del espacio. Y, por lo tanto, tendrá tres grados de libertad. Un ejemplo de esto sería el vapor de agua (H2O).

En resumen, las partículas de un gas siempre tienen tres grados de libertad de traslación, y ninguno, dos o tres de rotación. En total, tienen tres, cinco o seis grados de libertad.

¿Por qué es todo esto importante? Existe el teorema de equipartición, que dice que al aportar energía a un gas para calentarlo, dicha energía se reparte de forma equitativa entre todos los grados de libertad.

En consecuencia, cuantos más grados de libertad tengan las partículas de un gas, la energía que le aportemos se tendrá que dividir entre más grados de libertad, y en consecuencia costará más calentarlo. Por lo tanto, la capacidad calorífica de un gas depende del número de grados de libertad que tengan sus partícuas. Por ejemplo, cuesta el doble calentar vapor de agua (que tiene seis grados de libertad, 3+3), que argón (sólo tiene 3).

Hasta ahora sólo nos hemos preocupado del movimiento de las partículas. Pero si las partículas se mueven en linea recta, tarde o temprano colisionarán con las paredes del recipiente que contiene el gas. Y, de hecho, que lo hagan es algo extremadamente importante. Hablaremos de ello en sucesivas entradas.

En Genciencia | ¿Qué es un gas? 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9

Foto | Dustpuppy

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