Gas ideal

Teoría cinética de los gases ideales

Física II Licenciatura en Física
2003

Autores: María de los Angeles Bertinetti Andrea Fourty Adriana Foussats

Teoría cinética de los gases ideales

Cátedra Física II (Licenciatura en Física)

Introducción
El punto de vista de la termodinámica clásica es enteramente macroscópico. Los sistemas se describen sobre la base de sus propiedadesmacroscópicas, tales como la presión, la temperatura y el volumen. No formula hipótesis microscópicas y es una ciencia puramente empírica. Estas limitaciones de la termodinámica pueden superarse haciendo hipótesis acerca de la estructura de la materia, ya que las propiedades macroscópicas de una sustancia pueden predecirse aplicando estadísticamente las leyes de la mecánica a cada una de las moléculas queconstituyen la materia. Hay dos teorías microscópicas diferentes pero relacionadas mediante las cuales es posible expresar todas las variables termodinámicas como ciertos promedios de las propiedades moleculares, la teoría cinética y la termodinámica estadística. La teoría cinética se ocupa de los detalles del movimiento y del choque molecular, aplica las leyes de la mecánica clásica a cada unade las moléculas de un sistema y de ellas deduce, por ejemplo, expresiones de la presión, temperatura, energía interna y calores específicos. La termodinámica estadística ignora las características de las moléculas individuales y aplica consideraciones de probabilidad al gran número de moléculas que constituyen cualquier porción de materia. En un principio ambas teorías se desarrollaron sobre lahipótesis de que las leyes de la mecánica, deducidas del comportamiento macroscópico de la materia, son aplicables a partículas como moléculas y electrones. Sin embargo hechos experimentales mostraron que, en algunos aspectos, estas hipótesis no eran totalmente correctas. El hecho de que los sistemas en pequeña escala no obedezcan las mismas leyes que los sistemas macroscópicos ha llevado aldesarrollo de la mecánica cuántica. La termodinámica estadística se ve así enriquecida con ciertos aportes de ésta que consiguieron aclarar con éxito algunas de las características poco satisfactorias provenientes de la mecánica clásica. Las magnitudes de las velocidades de las moléculas individuales varían en un gran intervalo, ya que las moléculas están en constante movimiento al azar, colisionandoentre ellas y con las paredes del recipiente que contiene al gas. Durante un pequeño intervalo de tiempo, una partícula sufre varias colisiones, y cada colisión cambia tanto el módulo como la dirección de su velocidad. Sin embargo es posible hablar de una velocidad promedio de la partícula, ya que en cada instante las partículas tienen velocidades menores, iguales o mayores que el promedio, es decir,hay una distribución característica de las velocidades moleculares de un gas dado. En el desarrollo de la teoría cinética de gases se analizan propiedades sobre la base de la velocidad cuadrática media de las moléculas y no se considera la distribución característica de las mismas. La finalidad de este apunte es tratar sólo los aspectos cinéticos de la teoría molecular, partiendo de la definiciónde un gas ideal desde el punto de vista microscópico. Se hace también una breve introducción al campo de la termodinámica estadística, con la finalidad de aplicar las leyes de la mecánica clásica a los átomos de dicho gas estadísticamente, y demostrar que la definición microscópica de un gas ideal está de acuerdo con la definición macroscópica que provee la termodinámica clásica.

Definiciónmicroscópica del Gas Ideal
Desde el punto de vista microscópico, un gas ideal se define sobre la base de las siguientes hipótesis:

1

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Cátedra Física II (Licenciatura en Física)

1. Todo volumen macroscópico de gas está constituido por un gran número de moléculas. Todas sus moléculas son idénticas si el gas es un elemento o compuesto estable. En...