Energía interna, entalpía, entropía calores específicos en una mezcla de gases ideales

Introducción

La mezcla ideal es un modelo de mezcla en el cual el volumen, la energía interna y la entalpía de la mezcla es igual al de los componentes puros por separado, es decir el volumen, la energía y la entalpía de mezcla es nula. Cuanto más se acerquen a estos valores los de una mezcla real mas ideal será la mezcla. Alternativamente una mezcla es ideal si su coeficiente de actividad es1. Este coeficiente es el que mide la idealidad de las soluciones.

En la presentación de este trabajo veremos como se relacionan algunas propiedades termodinámicas como por ejemplo entalpía, la energía interna en mezclas de gases ideales.

Definición de algunos términos.

Energía interna:
Esta es una función de estado. No puede conocerse su valor absoluto, sino sólo la variación queexperimenta entre el estado inicial y el final del sistema.

Entalpía:
En las reacciones químicas que transcurren a presión constante, se establece que: Qp = H2 - H1 = ΔH
Donde H es la magnitud energética denominada entalpía.

Al igual que la energía interna la entalpía es una función de estado. No puede conocerse su valor absoluto, sino solo la diferencia entre el estado inicial y final.Entropía:
Es una magnitud que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir un trabajo; es el grado de desorden que poseen las moléculas que integran un cuerpo, o también el grado de irreversibilidad alcanzada después de un proceso que implique transformación de energía.

Calor Específico:
El calor específico de una sustancia o sistema termodinámico es una magnitud física quese define como la cantidad de calor que hay que suministrar a la unidad de masa del sistema considerado para elevar su temperatura en una unidad (kelvin o grado Celsius) a partir de una temperatura dada; en general, el valor del calor específico depende de dicha temperatura inicial.

Mezcla de gases ideales.
Los conceptos de gas ideal y sustancia pura están fuertemente relacionados. De hecho elestado 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 determinado el estado de vapor. Del mismo modo, la presión y volumen específico o presión y calidad, son necesarias para especificar el estado de saturación de unasustancia 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.

Un gas Ideal tiene la siguiente ecuación de estado:
PV= mRT
 
Entalpía.
La entalpía de un gas ideal es función de la temperatura solamente, lo cual podríacomprobarse de forma sencilla observando, que la ecuación anterior puede expresarse como Pv = RT y su derivada parcial será:
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En otras palabras, cuando la temperatura de un gas ideal permanece constante, mientras varía la presión, no cambia la entalpía. Confirmando así lo dicho con anterioridad con respecto a la relación entre la entalpía de un gas ideal y la temperatura.

Energía Interna. Ley deJoule:
Supongamos un sistema adiabático (que no intercambie calor con el exterior), dividido en dos recintos: uno vacío y el otro ocupado por un gas. Si dejamos al gas ocupar todo el recinto, al no haber intercambio de energía con ningún sistema no vacío, el trabajo y el calor son nulos, por lo que la energía inerna no aumenta, según el Primer Principio de la Termodinámica:
ΔU = Q + W = 0 + 0 =0.

Así pues, la energía interna solo es función de la temperatura, porque la presión y el volumen no la alteran.

Intentemos en la gráfica de la figura 1 calcular la variación de la energía entre el punto “i” y el punto “f”.
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Figura 1. Gráfica de variación de P vs V para un gas.

Como la energía del gas es una función de estado, será independiente del proceso seguido, y podremos...