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Clase 8: “Ley de los Gases ideales”
Clase 8
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09/03/22
REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA (MARCO TEÓRICO)
GASES IDEALES
Un gas ideal es un gas teórico compuesto de un conjunto de moléculas que ocupa un
volumen determinado donde la interacción entre si es elástica mediante un movimiento
aleatorio. Es decir, es un conjunto de átomos o moléculas que se mueven libremente sin
interacciones. La presión ejercida por el gas se debe a los choques de las moléculas con
las paredes del recipiente. El comportamiento de gas ideal se tiene a bajas presiones es
decir en el límite de densidad cero. A presiones elevadas las moléculas interaccionan y
las fuerzas intermoleculares hacen que el gas se desvíe de la idealidad.(Fernández, 2018)
La energía cinética es directamente proporcional a la temperatura. Las colisiones entre
las moléculas que lo componen (entre sí y con el recipiente o contenedor) son de tipo
elástico, es decir, que conservan el momento y la energía cinética. Se trata de un concepto
útil que puede ser analizado al hacer uso de la mecánica estadística, a través de una
ecuación de estado simplificada que se conoce como “ley de gases ideales”.
ESTADO DE UN GAS
Para determinar el estado de un
gas, es importante considerar tres
magnitudes físicas para una masa
establecida en un gas: Presión
(P), (Pa), Volumen (V), (m3),
Temperatura (T), (K). (Blas &
Serrano, 2019)
Una ecuación de estado es una ecuación que relaciona, para un sistema en equilibrio
termodinámico, las variables de estado que lo describen. Tiene la forma general:
��ሺ��,��,��ሻ=��
No existe una única ecuación de estado que describa el comportamiento de todas las
sustancias para todas las condiciones de presión y temperatura.
Ecuación de estado en un gas ideal: la ecuación de estado más sencilla es aquella
que describe el comportamiento de un gas cuando éste se encuentra a una presión
baja y a una temperatura alta. En estas condiciones la densidad del gas es muy
baja, por lo que pueden hacerse las siguientes aproximaciones: No hay
interacciones entre las moléculas del gas y el volumen de las moléculas es nulo.
La ecuación de estado que describe un gas en estas condiciones se llama ecuación de
estado de un gas ideal.
La ecuación de estado de un gas ideal es el resultado de combinar dos leyes empíricas
válidas para gases muy diluidos: la ley de Boyle y la ley de Charles.
LEY DE LOS GASES IDEALES
1. LEY DE CHARLES: gracias a los estudios del francés Jacques Charles en 1787,
tenemos ésta ley que expresa la relación directamente proporcional entre la
temperatura y el volumen de un gas, a cierta presión. (Uriarte, 2021)
La ecuación que representa a ésta ley es la siguiente:
Donde:
V1: volumen inicial del gas
T1: temperatura inicial del gas
V2: volumen final del gas
T2: temperatura final del gas
2. LEY DE GAY LUSSAC: ésta ley explica que la presión de una masa de gas cuyo
volumen se mantiene constante es directamente proporcional a la temperatura que
posea (expresada en kelvin). Fue planteada por Joseph Louis Gay-Lussac en 1802.
Para los gases ideales, ésta ley se representa a través de la ecuación:
Donde:
P1: presión inicial del gas
T1: temperatura inicial del gas
P2: presión final del gas
T2: temperatura final del gas
3. LEY DE BOYLE – MARIOTTE: en el siglo XVII, el científico Robert Boyle llevó
a cabo una serie de experiencias empleando gases y líquidos, gracias a las cuales
determinó el efecto que ejerce la presión sobre el volumen en los gases.
Llevándolo a formular su ley, que afirma que “el volumen de un gas varía de forma
inversamente proporcional a la presión sí la temperatura permanece constante”.
(Químicas, 2020).
Esto se representa para gases ideales mediante la siguiente ecuación:
Donde:
P1: presión inicial del gas
V1: volumen inicial del gas
P2: presión final del gas
V2: volumen final del gas
4. LEY DE AVOGADRO: es una ley formulada en 1811 por Amadeo Avogadro, quien
descubrió que: “Volúmenes iguales de distintas sustancias gaseosas, medidos en las
mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de
moléculas”. La Ley de Avogadro es una ley de los gases que relaciona el volumen y
la cantidad de gas a presión y temperaturas constantes.
A presión y temperatura constantes, la misma cantidad de gas tiene el mismo
volumen independientemente del elemento químico que lo forme.
El volumen (V) es directamente proporcional a la cantidad de partículas de
gas (n), por lo tanto: ���� .Lo cual tiene como consecuencia que:
Si aumenta la cantidad de gas, aumenta el volumen
Si disminuye la cantidad de gas, disminuye el volumen
TERMODINÁMICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
TERMODINÁMICA
Artículo Científico
RESUMEN
El presente artículo recoge el origen mismo de la ecuación de estado de los gases ideales en términos puramente físicos, y señala la forma en la cual se deben hacer los cálculos tanto de las variables PVT para una masa fija de gas, como los relacionados con varios procesos termodinámicos; dichos cálculos se facilitan mediante el uso de los diagramas termodinámicos para el gas ideal.
Palabras clave: Ecuación de estado, gases ideales, diagramas Termodinámicos.
INTRODUCCIÓN
Los gases ideales son unas sustancias hipotéticas que se constituyen en una herramienta clave para el estudio de distintos procesos y ciclos termodinámicos. Se emplea igualmente el modelo de los gases ideales en la elaboración de los balances de masa y energía involucrados en las operaciones físicas y en los procesos químicos que tienen lugar en las industrias del mismo nombre. Sin embargo, el manejo puramente mecánico que se hace de la ecuación,
���� =������ o ���������� =������������
mejor conocida con el nombre de ecuación de estado de los gases ideales o gases perfectos, o bien de una variante de la misma conocida como la
ley combinada de los gases ideales,
��1��1 ��1 ��2��2 ��2
hace que se pierdan o se escondan las relaciones de funcionalidad que existen entre las distintas variables involucradas, siendo éstas claves en la elaboración de
los balances que tienen que ver con operaciones físicas y con las reacciones químicas. En estas condiciones, el presente artículo plantea por una parte retomar el cálculo con los gases ideales puro recuperando las relaciones de funcionalidad que existen entre las variables PVT, lo cual puede hacerse
fácilmente mediante la metodología de los “factores de conversión”, y por otra, retomar el empleo de los diagramas termodinámicos P-V y T-V, para ilustrar los procesos termodinámicos que experimentan los gases ideales, de la misma manera en la cual se
emplean los diagramas P-v, T-v, y PT cuando se trata de estudiar el
comportamiento termodinámico de una sustancia pura. [1]
Ley de los gases ideales:
En Termodinámica se sabe que la ecuación de estado más antigua de los gases ideales fue la obtenida por los investigadores Robert Boyle y Edme Mariotte, quienes condujeron procesos de compresión isotérmica de una masa fija de un gas. Dicha ecuación, conocida como la Ley de Boyle, es:
ሺ��������ሻሺ��ሻ=����
Donde KT es una constante que depende de la temperatura de trabajo. Igualmente, los investigadores Jacques Alex Caesar Charles (1787) y Joseph Louis GayLussac (1802) condujeron procesos de calentamiento isobárico de una masa fija de un gas, y a partir de los resultados reportados por éstos fue obtenida posteriormente la siguiente ecuación conocida como la Ley de Charles: Donde Kp es una constante que depende de la presión de trabajo. Otro investigador, Benoit-Paul Emile Clapeyron recogió hacia el año 1834, los resultados anteriores los cuales dieron
lugar a la que hoy se conoce como la ecuación de estado de los gases ideales. A continuación, se muestran los diagramas termodinámicos donde se representan los procesos de Boyle y de Charles entre dos estados
termodinámicos P1, V1, T1 y P2, V2, T2. Dichas rutas termodinámicas reversibles
son esenciales para el trabajo con gases ideales, tal como se considera en los numerales siguientes: [2]
Cálculos con los gases ideales:
El cálculo de las variables PVT de una
masa fija de gas al pasar desde una condición termodinámica hasta una
condición termodinámica 2 a menudo se
hace con base en las condiciones
estándar de temperatura y presión.
Partiendo de dichas condiciones
estándar, es posible llegar hasta las condiciones reales en las que se encuentra el gas aplicando los factores de corrección según se opere el cambio en las dos variables independientes seleccionadas. En cualquier problema que involucre gases ideales siempre se consideran seis variables, las cuales son literalmente, P1, V1, T1, P2, V2 y T2 de las que deben conocerse cinco para poder determinar la sexta; tanto la temperatura como la presión deben ser absolutas en cualquier sistema de unidades. [3]
CONCLUSIONES
Con base en lo discutido en los
numerales anteriores podemos concluir que tanto el modelo de cálculo empleado como el uso de los diagramas termodinámicos, facilitan la solución de los problemas de Termodinámica que involucran el manejo de gases ideales. Los verdaderos resultados de lo anterior
se obtienen al estudiar casos más
complejos relacionados con estas sustancias hipotéticas, tales como los procesos adiabáticos reversibles e irreversibles, las operaciones de humedad y saturación, los balances de masa y energía. Además, un gas ideal es un gas teórico compuesto de un conjunto de partículas puntuales con desplazamiento aleatorio, que no interactúan entre sí. Es decir, está contemplado como parte del grupo de los gases teóricos por componerse de partículas puntuales que se mueven de modo aleatorio y que no interactúan entre sí.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]Universidad Tencológica de Pereira. (2018). Gases ideales. revistas.utp.edu.co.
[2]Ríos, L. (2007). Características de los gases ideales. www.redalyc.org.
[3]Mustafá, Y. (2019). Gases ideales aplicación. dialnet.unirioja.es.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
Blas, T., & Serrano, A. (2019). Termodinámica: primer principio. www2.montes.upm.es. Recuperado de: https://www2.montes.upm.es/dptos/digfa/cfisica/termo1p/estado.html
Fernández, G. (2018). Concepto de gas ideal. www.quimicafisica.com. Recuperado de: https://www.quimicafisica.com/definicion-gas-ideal.html
Mustafá, Y. (2019). Gases ideales aplicación. dialnet.unirioja.es. Recuperado de: https://dialnet.unirioja.es/servlet/articulo?codigo=4805078
Químicas. (2020). Ley de Avogadro de los gases. www.quimicas.net. Recuperado de: https://www.quimicas.net/2015/07/ley-de-avogadro-de-los-gases.html
Ríos, L. (2007). Características de los gases ideales. www.redalyc.org. Recuperado de: https://www.redalyc.org/pdf/849/84903578.pdf
Universidad Tencológica de Pereira. (2018). Gases ideales. revistas.utp.edu.co. Recuperado de: https://revistas.utp.edu.co/index.php/revistaciencia/article/view/5477/2819
Uriarte, J. (2021). Características: gases ideales. www.caracteristicas.co. Recuperado de: https://www.caracteristicas.co/gases-ideales/
