El estado gaseoso de la materia que nos rodea es una de las tres formas comunes de la materia. En física, este estado fluido de agregación se suele considerar en la aproximación de un gas ideal. Usando esta aproximación, describimos en el artículo posibles isoprocesos en gases.
Gas ideal y la ecuación universal para describirlo
Un gas ideal es aquel cuyas partículas no tienen dimensiones y no interactúan entre sí. Obviamente, no hay un solo gas que satisfaga exactamente estas condiciones, ya que incluso el átomo más pequeño, el hidrógeno, tiene un tamaño determinado. Además, incluso entre átomos de gases nobles neutros, existe una débil interacción de van der Waals. Entonces surge la pregunta: ¿en qué casos se puede despreciar el tamaño de las partículas del gas y la interacción entre ellas? La respuesta a esta pregunta será la observancia de las siguientes condiciones físico-químicas:
- baja presión (alrededor de 1 atmósfera y menos);
- altas temperaturas (alrededor de la temperatura ambiente y más);
- inercia química de moléculas y átomosgasolina.
Si al menos una de las condiciones no se cumple, el gas debe considerarse real y debe describirse mediante una ecuación especial de van der Waals.
La ecuación de Mendeleev-Clapeyron debe ser considerada antes de estudiar los isoprocesos. La ecuación de los gases ideales es su segundo nombre. Tiene la siguiente notación:
PV=nRT
Es decir, vincula tres parámetros termodinámicos: presión P, temperatura T y volumen V, así como la cantidad n de la sustancia. El símbolo R aquí denota la constante de los gases, es igual a 8.314 J / (Kmol).
¿Qué son los isoprocesos en los gases?
Estos procesos se entienden como transiciones entre dos estados diferentes del gas (inicial y final), por lo que unas cantidades se conservan y otras cambian. Hay tres tipos de isoprocesos en los gases:
- isotérmico;
- isobárico;
- isocorico.
Es importante señalar que todos ellos fueron estudiados y descritos experimentalmente en el período comprendido entre la segunda mitad del siglo XVII y los años 30 del siglo XIX. Con base en estos resultados experimentales, Émile Clapeyron en 1834 derivó una ecuación que es universal para los gases. Este artículo está construido al revés: aplicando la ecuación de estado, obtenemos fórmulas para isoprocesos en gases ideales.
Transición a temperatura constante
Se llama proceso isotérmico. De la ecuación de estado de un gas ideal se deduce que a una temperatura absoluta constante en un sistema cerrado, el producto debe permanecer constantevolumen a presión, es decir:
PV=constante
Esta relación fue efectivamente observada por Robert Boyle y Edm Mariotte en la segunda mitad del siglo XVII, por lo que la igualdad actualmente registrada lleva sus nombres.
Las dependencias funcionales P(V) o V(P), expresadas gráficamente, parecen hipérbolas. Cuanto mayor sea la temperatura a la que se realiza el experimento isotérmico, mayor será el producto PV.
En un proceso isotérmico, un gas se expande o se contrae, realizando un trabajo sin cambiar su energía interna.
Transición a presión constante
Ahora estudiemos el proceso isobárico, durante el cual la presión se mantiene constante. Un ejemplo de tal transición es el calentamiento del gas debajo del pistón. Como resultado del calentamiento, la energía cinética de las partículas aumenta, comienzan a golpear el pistón con más frecuencia y con mayor fuerza, como resultado de lo cual el gas se expande. En el proceso de expansión, el gas realiza un trabajo cuya eficiencia es del 40 % (para un gas monoatómico).
Para este isoproceso, la ecuación de estado de un gas ideal dice que debe cumplirse la siguiente relación:
V/T=constante
Es fácil de obtener si la presión constante se transfiere al lado derecho de la ecuación de Clapeyron y la temperatura al lado izquierdo. Esta igualdad se llama ley de Charles.
La igualdad indica que las funciones V(T) y T(V) parecen líneas rectas en los gráficos. La pendiente de la línea V(T) relativa a la abscisa será tanto menor cuanto mayor sea la presiónP.
Transición a volumen constante
El último isoproceso en gases, que consideraremos en el artículo, es la transición isocórica. Usando la ecuación universal de Clapeyron, es fácil obtener la siguiente igualdad para esta transición:
P/T=constante
La transición isocórica está descrita por la ley de Gay-Lussac. Se puede ver que gráficamente las funciones P(T) y T(P) serán líneas rectas. Entre los tres procesos isocóricos, el isocórico es el más eficiente si es necesario aumentar la temperatura del sistema debido al suministro de calor externo. Durante este proceso, el gas no realiza trabajo, es decir, todo el calor se destinará a aumentar la energía interna del sistema.
