COMPORTAMIENTO DE LOS GASES EN LA TERMODINÁMICA

COMPORTAMIENTO DE LOS GASES EN LA TERMODINÁMICA
INTRODUCCIÓN
Los conceptos de gas ideal y sustancia pura están fuertemente relacionados. De hecho el estado de una sustancia pura simple y compresible, está definido por dos propiedades termodinámicamente independientes. Esto significa que, sí el volumen específico y la temperatura del vapor sobrecalentado están especificados, queda determinadoel estado de vapor. Del mismo modo, la presión y volumen específico o presión y calidad, son necesarias para especificar el estado de saturación de una sustancia pura. El estado del aire, que es una mezcla de gases de composición definida, se establece con dos propiedades mientras permanezca en fase gaseosa, y en ésta instancia, el aire puede ser tratado como una sustancia pura. De entre todos losposibles sistemas que pueden ser objetivos de un estudio por la termodinámica los gases serán los que con más frecuencia estudiaremos en esta asignatura.
SUSTANCIA PURA Las sustancias puras usuales en el análisis termodinámico: H2O, N2, O2, CH4, C4H10, CF3CH2F, CO2, NH3..., son fluidos moleculares sencillos, i.e. líquidos y gases de baja masa molar. Lossólidos suelen tratarse de una manera muy simplificada en termodinámica, pues suele importar sólo su poder de confinamiento (paredes, rígidas o móviles) y su capacidad térmica. Pero si se para uno a pensar en los fluidos naturales (aguas más o menos saladas, líquidos corporales, aceites vegetales...), y en los fluidos antropogénicos (bebidas alcohólicas, bebidas gasificadas edulcoradas, combustibles,gases de escape, aceites minerales, otros productos derivados del petróleo, metales líquidos...), se aprecia enseguida que los fluidos no son siempre mezclas de sustancias sencillas de baja masa molar. Las sustancias de gran masa molar (macromoléculas), incluso en estado puro presentan un comportamiento termodinámico mucho más difícil de modelizar.Las sustancias puras más usuales en termodinámica (i.e. los fluidos moleculares sencillos: H2O, N2, CH4, C4H10, CF3CH2F, CO2...) presentan cambios de fase sólido-líquido-gas a temperaturas bien definidas, mientras que las sustancias de alta masa molar (e.g. M>1 kg/mol, i.e. sustancias con más de unos 100 átomos por molécula) no tienen los cambios de fase tan bien definidos o nisiquiera son alcanzables porque se descomponen antes (e.g. los aceites de silicona, líquidos a temperatura y presión ambientes, aumentan enormemente de viscosidad cuando se enfrían y es difícil decidir cuándo se consideran en estado sólido; por el otro extremo, al calentarlos, se descomponen antes de hervir.
DIAGRAMA DE FASES DE UNA SUSTANCIA PURAUna fase es un estado en una secuencia de posibles estados generalmente periódicos (e.g. fases de la luna). Las fases en termodinámica son los distintos estados homogéneos en los que se presenta una sustancia al ir cambiando su estado termodinámico (temperatura, presión o concentración). Los tres estados fásicos de la materia son: sólido, líquido y gaseoso. Para unasustancia pura de poca masa molar, como el CO2, el diagrama de fases esquemático se muestra en la Fig. 5.1, donde se ha incluido la nomenclatura usual para los cambios de fase.

Fig. 5.1. Diagrama de fases (p-T), y diagrama p-v-T de los estados de equilibrio de una sustancia pura como el dióxido de carbono, con la nomenclatura paralos cambios de fase. Al paso de vapor a líquido también se le llama licuación (o licuefacción, que ambas formas vienen en el diccionario). A veces, se restringe la región supercrítica al cuadrante T>TCR, p>pCR, y también otras veces se restringe el nombre de vapor al estado gaseoso en equilibrio bifásico (así se dice, e.g., vapor de butano a la parte gaseosa dentro de la botella a...