Ley de Boyle-Mariotte: biografía, fórmulas, experimento, gases, y más

Se le denominó ley de Boyle-Mariotte, gracias a que estos dos grandes científicos estudiaron de forma totalmente diferente, e incluso ninguno de los dos sabia de los estudios del otro. Posteriormente juntaron ambos descubrimientos, para la aplicación y conocimiento sobre la ley de los gases. Esta ley implica la relación entre los gases, el volumen y la presión resultante. Conoceremos un poco mas a través de este artículo.

Ley de Boyle-Mariotte y mas

¿Qué es la Ley de Boyle-Mariotte?

La ley de Boyle-Mariotte, o también llamada ley de Boyle principalmente, son postulados que fueron llevados a cabo de una manera independiente por los físicos Robert Boyle en 1662 y Edme Mariotte en 1676. Esta ley pertenece a los llamados: leyes de gases, que asocia el volumen y la presión de una cantidad específica de gas contenida a una temperatura continua.

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Esta ley determina lo siguiente:

La presión ejercida por una fuerza química es inversamente proporcional a la masa de gas, siempre que su temperatura permanezca permanente. Lo que significa entonces que, si el volumen sube, la presión disminuirá y, si la presión aumenta, el volumen disminuirá.

Esta ley fue inicialmente propuesta por Robert Boyle en el año 1662. Edme Mariotte, por otro lado, a través de sus investigaciones, también llegó a la misma conclusión que Boyle, sin embargo la publicación de su obra sólo fue posible en el año 1676. Es por esta razón que en muchos textos esta ley aparece con el nombre de ambos científicos.

Ahora, para probar su teoría, Boyle hizo la siguiente experiencia: inyectó gas en un recipiente con un émbolo y verificó las diferentes presiones que se manifestaron cuando el émbolo fue rebajado, pues al hacerlo, la presión sobre el gas aumentó proporcionalmente, a la disminución de su volumen.

En cuanto a su campo de aplicación, su uso más frecuente es en el área de buceo, donde a través de la aplicación de la ley, es posible especificar la duración de un recipiente lleno de aire comprimido y su productividad a una determinada profundidad.

Se debe añadir que esta ley, en conjunto con la ley de Graham y la ley de Charles y Gay Lussac, integra las leyes de los gases y explica el comportamiento de un gas ideal. Estas tres leyes pueden generalizarse dentro de la ecuación general de los gases.

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Es importante recordar que, aunque el estudio de las características de los gases, puede ser de poco valor e interés para algunos, considerar el hecho de que la evolución tecnológica fue posible en gran parte a la capacidad sabia de manipular esos elementos, a partir del dominio de los océanos para el espacio exterior.

Biografías

Robert Boyle

Ley de Boyle-Mariotte y masPara todos los que interesa el mundo de la historia, es muy probable que recuerden al ilustre Robert Boyle como el científico que formuló la ley de Boyle, una ley natural que determina la relación entre la presión y el volumen de los gases. Se conoce que este fue uno de los mas grandes descubrimiento que se han realizado, fue la base para incontables avances científicos. Pero Robert Boyle fue más que un excelente hombre de ciencia. También se le considera un hombre de gran fe en Dios y en su Palabra inspirada, la Biblia.

El científico provenía del seno de una familia con recursos económicos. Nació en el castillo de Lismore (Irlanda) en 1627, un par de años antes del comienzo de la época o la era de la razón. Esta fue la época en la cual muchos de los grandes científicos que conocemos hoy en día trataron de liberar a la humanidad de los fanatismos que la habían esclavizado por siglos. Boyle tenía ese mismo objetivo. De hecho, en una autobiografía de los primeros años de su vida se denomina a sí mismo Philaretus, que significa “amante de la virtud”.

Boyle tenía mucha curiosidad por conocer toda la realidad que se vivía y también tenía un profundo interés por educar a otras personas de todo lo que había aprendido. Sus numerosos escritos tuvieron un profundo efecto en muchos de sus contemporáneos, entre ellos el famoso científico sir Isaac Newton. En 1660, Boyle llegó a ser uno de los fundadores de la Royal Society, institución científica que hoy todavía existe en Londres (Inglaterra). (ver artículo: Tiburones Más Grande del Mundo).

Además se gano el título del padre de la química, así le llamaron por muchos años. Los experimentos pioneros en química, especialmente con respecto a las propiedades de los gases, argumentan que Robert Boyle sobre las condiciones y los cambios de la materia en el nivel corpuscular fue precursor de la teoría moderna de los elementos químicos que solemos utilizar aún en nuestros días. También fue uno de los fundadores de la Royal Society de Londres como se pudo observar en el párrafo anterior, fue un científico muy influyente, un ejemplo para muchos jóvenes de su época.

Robert Boyle, estudió en las mejores escuelas de inglés y europeo. Entre 1656 y 1668 trabajó en la Universidad de Oxford como asistente Robert Hooke, cuya colaboración había llevado a cabo una serie de experimentos que establecieron las propiedades físicas del aire y su papel en los procesos de combustión, respiración y transmisión de audio.

Ley de Boyle-Mariotte y masLos resultados de estas contribuciones se reunieron en sus nuevos experimentos físico-mecánicos sobre la elasticidad del aire y sus efectos (1660). En la segunda edición de este trabajo (1662), la famosa característica de los gases llamada Boyle, que afirma que el volumen absorbió de una temperatura constante, el gas es inversamente proporcional a la presión. Hoy sabemos que esta ley se cumple solo aceptando un comportamiento teórico del gas ideal.

En 1661, publicó el químico escéptico, el trabajo que ataca la antigua teoría aristotélica de los cuatro elementos (tierra, agua, aire, fuego) y los tres principios abalados por el paracelso (sal, azufre y mercurio). Boyle propuso, sin embargo, el concepto de partículas básicas que, cuando se combinan en diferentes proporciones, generan los diversos materiales conocidos, prefigurando más de cien años antes de que los descubrimientos y la contribución a fines del siglo XVIII, Antoine Lavoisier y John Dalton, conduzcan a la química moderna.

Entre sus muchos trabajos experimentales también abordó el estudio de la calcinación de varios metales; También propuso una manera de distinguir las sustancias alcalinas de las ácidas, lo que dio origen al uso de indicadores químicos. Robert Boyle, devoto y fiel seguidor de los principios religiosos, realizo una enorme inversión, parte de su dinero lo dono en obras como traducción y publicación de los Evangelios en gaélico y turco.

También hay muchos informes que describen a Boyle como un hombre de mucha fe, incluso adoptó el mismo enfoque con lo referente a los temas espirituales. Se ideo una magnitud de lo que podría ser el universo y de la maravillosa constitución de los seres vivos lo convenció de que tenía que haber un Diseñador y Creador. Rechazó el espíritu de ateísmo que predominaba entre los intelectuales de su época y llegó a la conclusión de que nadie que razonara honestamente podía ser ateo.

Posteriormente se menciona que Boyle tuvo una especie de revelación divina, la cual le permitiría creer en una verdad absoluta de la religión y del espiritismo en general, el cual, expreso que toda persona pensante no podía ser ateo, todos tenemos un propósito en la vida y debemos cumplir con los mandatos que nos indica un Dios.

Edme Mariotte

Ley de Boyle-Mariotte y masEdme Mariotte (Dijon, 1620 – París, 1684) fue un físico, docente e investigador, considerado uno de los pioneros dentro del campo de la física en Francia. Él fue especialmente reconocido por su trabajo sobre el punto ciego del ojo, la creación de la Ley de Boyle-Mariotte y sus experiencias con péndulos.

Mariotte dedicó su carrera a realizar experiencias sin fin, lo que le llevó a ser miembro de la Academia Francesa de Ciencias. Aunque ha sido su principal campo de trabajo, no ha trabajado sólo en el campo de la física. Él hizo varias investigaciones sobre la fisiología de las plantas y estudió matemáticas en profundidad, logrando descifrar muchos enigmas en esta área.

La manera de trabajar de Edme Mariotte, se dice que también fue revolucionaria debido a su constancia, empeño y a su dedicación con grandes científicos de la época. De hecho, se considera que fue uno de los pioneros de la cooperación científica internacional. Aunque no hay realmente material que respalde sobre los primeros años de su vida, se dice que Edme Mariotte nació en Dijon (Francia) en 1620, no hay mayores detalles del comienzo de sus estudios, pero si se supo que desde muy joven se intereso por las matemáticas.

El trabajo de Mariotte sobre física enfocado en el mundo académico y su manera de trabajar revela que probablemente era autodidacta. Entre 1654 y 1658, él trabajó como profesor de física, pero sólo diez años después su vida comenzó a ser documentada debido a sus descubrimientos importantes. En 1668, publicó su primer trabajo “Nouvelle Découverte touchant la vue” (Un nuevo descubrimiento sobre la visión).

Uno de sus mas importantes descubrimientos, y por lo cual es recordado directamente, fue un trabajo dedicado a su investigación sobre el punto ciego del ojo; un descubrimiento que provocó un antes y un después en el campo de la oftalmología. Gracias a la gran repercusión de esta publicación, ese mismo año, Jean-Baptiste Colbert (Ministro de Finanzas de Luis XIV) invitó a Mariotte a ingresar a la Academia Francesa de Ciencias.Ley de Boyle-Mariotte y mas

Otro hito en la vida de Mariott fue su investigación sobre la presión y el volumen del gas, cuyas conclusiones publicó en 1676. Hoy en día, este estudio se conoce como el equipo de Boyle Mariot, una ventaja que comparte con el investigador irlandés Robert Boyle. Edme Mariotte murió en París el 12 de mayo de 1684.

Contribución a la ciencia

Mariotte es conocido por tres trabajos principales: el punto ciego del ojo, la Ley de Boyle-Mariotte y sus experimentos con péndulos.

El punto ciego

En 1668 Edme Mariotte publicó su descubrimiento principal mas importante en el campo de la oftalmología: el punto ciego del ojo. La publicación describió sus experimentos sobre el nervio óptico, con el objetivo de verificar si la fuerza de visibilidad variaba dependiendo de la posición del nervio. Después de observar varios ojos humanos y animales, Mariotte descubrió que el nervio óptico nunca estaba en el centro del ojo.

En términos de personas estaba por encima del medio y hacia la nariz. Esto mostraría que hay un área en el ojo humano donde hay un punto ciego. Generalmente, cuando se usan ambos ojos, el punto es impensable y solo ese punto puede detectarse mediante exámenes médicos.

Hoy en día, el trabajo de Edme Mariot continúa siendo un punto de referencia en el mundo de la oftalmología. Se ha encontrado que los ejercicios pueden reducir el punto ciego del ojo, lo que mejora la visión.

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La ley de Boyle-Mariotte

Durante sus experimentos con gases, Mariotte descubrió que, a una temperatura constante, la presión y el volumen de un gas son inversamente proporcionales. Esto significa que cuando el volumen de un gas disminuye, la presión aumenta (y lo mismo sucede al revés).

Edme Mariotte publicó sus conclusiones en 1676, en un libro llamado Discurso de la naturaleza del aire (habla de la naturaleza del aire). Curiosamente, había otro científico, el irlandés Robert Boyle, que hizo el mismo descubrimiento 17 años antes.

Sin embargo, no hay mención de plagio por Mariotte, ya que ambos científicos realizaron sus estudios de forma totalmente independiente. De hecho, en los países de habla inglesa, la ley es conocida como Ley de Boyle y en Francia, como la Ley de Mariotte. Esta ley puede aplicarse a muchas acciones que realizamos hoy, como el buceo, el mecanismo de los motores de gasolina y diesel o el sistema de airbags.

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Experimentos con péndulos

Edme Mariotte realizo muchos estudios e incluso invirtió gran parte de su trabajo a la experimentación de colisiones entre objetos. Uno de los experimentos más destacados consistió en la observación del movimiento del péndulo.

El experimento consiste en tener tres bolas idénticas (A, B, C) de un material pesado alineado. Una cuarta bola (D), alcanza la bola C. Las bolas C y B no se mueven y la bola D, después de la colisión, también.

Es decir, solo la bola A se mueve, manteniendo la misma velocidad que la bola D al principio. Este experimento se puede hacer con la cantidad de bolas que quieras. En 1671, Mariotte presentó los resultados de sus experimentos en la Academia de Ciencias de Francia y los publicó desde 1673.

Más tarde, Isaac Newton continuó haciendo experimentos basados ​​en los hallazgos de Mariott. En las observaciones presentadas por Newton, menciona en varias ocasiones las publicaciones del físico francés.

Aunque Mariotte fue un pionero y descubridor de tales experimentos con los viajes diarios, la investigación ahora se conoce como el “Péndulo de Newton”.

Explicación

La Ley de Boyle es una ley de gases que relaciona la presión y el volumen de cierta cantidad de gas, sin variación de temperatura, es decir, a una temperatura constante. Es también conocida como Ley Boyle-Mariotte porque en un principio, fue ideada de manera independiente por el físico y químico anglo-irlandés Robert Boyle (1662) y por el físico y botánico francés Edme Mariotte (1676).

En 1662, Robert Boyle, descubrió que la presión aplicada a un gas es inversamente proporcional a su volumen, y a su temperatura, y al número de moles (gas) constante. Esto significa que si el doble aumenta la presión sobre el gas, se comprime reduciendo su volumen a la mitad. Si la presión es 3 veces mayor, el volumen será un tercio. (ver artículo: Cuántos Años Viven los Tiburones).

Explicación cinética de la ley de Boyle

A medida que aumenta el volumen del contenedor que contiene el gas, la distancia a la que viajarán las partículas antes de chocar contra las paredes del contenedor. Este aumento en la distancia hace que las colisiones (colisiones) sean menos frecuentes y, por lo tanto, la presión ejercida sobre las paredes es menor que la que se hizo anteriormente cuando el volumen era menor.

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Fórmula

Esta ley se puede expresar de forma matemática como:

P · V = k
P es presión
V es Volumen
(k es una constante cuando Temperatura y masa son constantes).

Esta fórmula se puede utilizar para determinar el cambio de presión o temperatura durante una transformación isotérmica de la siguiente manera:

P1 · V1 = P2 · V2

Es decir, que el producto entre la presión inicial y el volumen inicial es igual al producto de la presión final por el volumen final. Por ejemplo, si se desea determinar el volumen final, será suficiente dividir P1V1 entre P2.

(P1 · V1)/ P2 = V2

Como se puede observar en la siguiente animación, cuando aumenta la presión, el volumen baja y viceversa.

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En este otro gráfico se puede observar que cuando la temperatura disminuye, la hipérbole equilatera (llamada isoterma) “se mueve” hacia la izquierda.

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Ejemplos

1) Un determinado gas con una presión de 1,8 atm ocupa un volumen de 0,9L. Manteniendo constantes
la temperatura, se aumenta la presión del gas a 4,1 atm. Calcular el volumen ocupado por el gas.

Teniendo en cuenta la fórmula de la ley de Boyle planteada anteriormente P1 · V1 = P2 · V2 se realizan los cálculos necesarios.

(P1 · V1)/ P2 = V2

(1,8atm · 0,9L)/ 4,1atm = V2 = 0,395L

Respuesta: El nuevo volumen ocupado por el gas será 0,395L

2) Un gas que ocupaba 4L de volumen, ha pasado a ocupar un volumen de 3L luego de que la presión ha sido aumentada a 800 mmHg. ¿Cuál era la presión inicial a la que se encontraba el gas?

P1 · V1 = P2 · V2

de la cual nos interesa despejar P1.

P1 = (P2 · V2) / V1

sustituimos con los datos proporcionados:

P1 = (800 mmHg · 3L) / 4L

P1 = 600 mmHg

Experimento

El aire, el oxígeno, el gas natural, dióxido de carbono, los gases están tan presentes en nuestras vidas que es importantísimo conocer sus propiedades. En este experimento vamos a estudiar la relación entre la presión y el volumen de un gas: la ley de Boyle- Mariotte.

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Materiales a utilizar:

  • Jeringuilla grande, preferiblemente.
  • Nubes, marshmallows, malvaviscos… como los quieras llamar, el único requisito es que sean esponjosos.
  • Cinta adhesiva.

Procedimiento (primera parte):

  1. Mete una nube dentro de la jeringuilla. Si no cabe entera, con un trozo será suficiente.
  2. Baja el émbolo hasta que toque a la nube.
  3. Tapa la boquilla con cinta adhesiva.
  4. Sube el émbolo todo lo que puedas y observa lo que ha ocurrido: ¡es mucho más grande!
  5. Baja el émbolo y la nube recuperará su tamaño original.

Procedimiento (segunda parte):

  1. Esta vez comenzamos con la boquilla de la jeringuilla bien cubierta con la cinta adhesiva.
  2. Mete una nube y baja el émbolo. Notarás que la nube se encoge pero si subes el émbolo volverá a su estado inicial.

¿Qué es lo ocurre?

Las nubes, malvaviscos o marshmallows son unos dulces muy esponjosos y flexibles, que están hechos principalmente de azúcar claro, gelatina y muchas pequeñas burbujas de aire que le dan ese aspecto y esa característica esponjosa cuando lo comemos entre estos ingredientes. El aire en el interior está a presión atmosférica en el lugar donde se hicieron. Veamos qué pasaría con una de estas burbujas en cada una de estas situaciones:

La presión de la presión del aire es mayor que la presión del aire en el interior: la fuerza ejercida por el aire en las paredes de la burbuja es mayor que la del aire desde el exterior. La gelatina y el azúcar molar son flexibles y, por lo tanto, la nube se colapsa.

La presión del aire exterior es inferior al del aire interior: este tiempo la nube se expande, porque la fuerza ejercida por el aire sobre las paredes de la burbuja es menor que la ejercida por el aire en el interior. (Ver Artículo: Pez Gallo).

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La ley de Boyle-Mariotte establece que a una temperatura constante y para un gas en un recipiente, la producción del volumen de presión no cambia. Esto significa que si el volumen aumentara, la presión disminuiría proporcionalmente al aumento de volumen, y si el volumen disminuyera, se produciría un aumento proporcional de la presión. Se puede expresar de la siguiente manera:

P1•V1= P2•V2

Este comportamiento de los gases fue descubierto por dos científicos de forma independiente: Robert Boyle y Edme Mariotte. Ambos llegaron a la misma conclusión en la segunda mitad del siglo XVII.

En ocasiones anteriores hemos utilizado la ley de Boyle-Mariotte para explicar lo sucedido en nuestros experimentos:

Infla un globo dentro de una botella.

El vaso de agua boca abajo.

Crea un tornado con dos botellas.

Primera parte del experimento. Al elevar el émbolo de la jeringa, el volumen ocupado por el aire aumenta. Según la ley de Boyle-Mariotte, la presión debe disminuir. Vimos que efectivamente la presión disminuye porque nuestra nube (melcocha) se expandió.

Segunda parte del experimento. Baje el pistón y, por lo tanto, el volumen ocupado por el aire disminuye. La ley de Boyle-Mariotte dice que la presión dentro de la jeringa debe aumentar. La nube se ha vuelto más pequeña, lo que concuerda con el aumento de la presión.

Aplicaciones

Las leyes de Boyle tienen muchas aplicaciones en la vida moderna, incluido el buceo, ya que el buceador tiene que expulsar el aire de sus pulmones a medida que aumenta porque se expande al reducir la presión y no causa daños en los tejidos.

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Se puede observar en todos los dispositivos que utilizan o operan por medio de energía neumática, como brazos robóticos, que utilizan pistones neumáticos, actuadores, reguladores de presión y válvulas de liberación de presión, entre otros componentes.

Los motores de gasolina, gas o diesel también utilizan la ley de Boyle en el proceso de combustión interna, ya que en un momento dado el aire entra en el cilindro con volumen y presión y, en un segundo momento, el volumen se reduce a aumentar la presión ella.

El sistema de bolsas de aire que poseen los automóviles, que actúa a través de la liberación de una cantidad de aire o gas determinada a partir de una cámara que llega a la bolsa exterior, un lugar donde la presión disminuye y el volumen aumenta, mantiene una temperatura constante.

La ley de Boyle es muy importante ahora porque es la ley que nos habla y explica el comportamiento de los gases. Ciertamente nos dice que la presión y el volumen del gas son inversamente proporcionales entre sí. Luego, cuando la presión se aplica al gas, el volumen disminuye y la presión aumenta.

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Análisis

En el año 1662, Robert Boyle descubrió que la presión aplicada a un gas era inversamente proporcional a su volumen a la temperatura constante y al número de mols. En otras palabras, si la presión ejercida sobre el gas es aumentada dos veces, ese mismo gas es comprimido, reduciendo su volumen a la mitad.

Cuando el volumen del recipiente que contiene el gas aumenta, la distancia que las partículas tienen que pasar antes de chocar contra las paredes del recipiente también aumenta. Este aumento en la distancia hace que las colisiones menos frecuentes y, por lo tanto, la presión en las paredes es menor que la ejercida anteriormente cuando el volumen era menor.

La afirmación de la ley de Boyle es la siguiente: la presión ejercida por una fuerza física es inversamente proporcional al volumen de una masa gaseosa, siempre que su temperatura se mantenga constantemente. O, en términos más simples, podemos explicar cómo: Cuanto mayor la temperatura constante, el volumen de una masa fija de gas es inversamente proporcional a la presión que esto ejerce constante.

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