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GASES IDEALES

Ecuaciones de estado
El estado de una cierta masa m de sustancia está determinado por su presión p, su volumen V y su temperatura T. En general, estas cantidades no pueden variar todas ellas independientemente. Existe una relación funcional entre estas cantidades, que puede representarse como

Esto se expresa diciendo que el volumen de determinada masa de sustancia depende dela presión, la temperatura y la masa.

Cualquier relación de este tipo se denomina ecuación de estado. Normalmente es muy complicado, para una sustancia concreta, expresarla de forma matemática específica. A menudo es útil saber cómo varía una de las magnitudes cuando lo hace alguna otra y se mantienen constantes las demás. Así el coeficiente de compresibilidad (isotérmico) k describe lavariación del volumen cuando cambia la presión, para una masa y una temperatura constantes. De igual forma, el coeficiente de dilatación cúbica ( de la variación del volumen cuando cambia la temperatura, para una masa a una presión constante.

El término estado utilizado aquí implica un estado de equilibrio, lo que significa que la temperatura y la presión son iguales en todos los puntos. Porconsiguiente, si se comunica calor a algún punto de un sistema en equilibrio, hay que esperar hasta que el proceso de transferencia del calor dentro del sistema haya producido una nueva temperatura uniforme, para que el sistema se encuentre de nuevo en un estado de equilibrio.

El gas ideal

A bajas presiones las ecuaciones de estado de los gases son especialmente sencillas. Podemos variar la presión,el volumen y la temperatura e investigar las relaciones existentes entre estos y la cantidad de sustancia. A menudo conviene medir la cantidad de gas en función del número de moles n en vez de en función de la masa m. Como la masa molecular M es la masa por mol, la masa total m está dada por

A partir de la medición de la presión, el volumen, la temperatura y el número de moles de distintosgases, se llega a una serie de conclusiones. En primer lugar, el volumen es proporcional al número de moles; si duplicamos al cantidad de gas, manteniendo constantes la presión y la temperatura, el volumen se duplica. En segundo lugar, el volumen varía inversamente con la presión; si duplicamos la presión, manteniendo constantes la temperatura y la cantidad de sustancia, el gas se comprime a la mitadde su volumen inicial. En tercer lugar, la presión es proporcional a la temperatura absoluta; si duplicamos la temperatura absoluta, manteniendo constantes el volumen y la cantidad de sustancia, la presión se duplica.

Estas conclusiones pueden resumirse de forma clara en una sola ecuación de estado:

Sería de esperar que la constante de proporcionalidad R tuviera valores diferentes paradistintos gases; sin embargo, tiene el mismo valor para todos, al menos a temperatura suficientemente alta y baja presión. Esta cantidad se denomina constante universal de los gases. El valor numérico de R depende de las unidades en que se expresan p, V, n y T. El adjetivo “universal” significa que R tiene el mismo valor para todos los gases en cualquier sistema de unidades. Su valor es:

En elsistema mks: R = 8.314 (N / m2) . m3 / mol K = 8.314 J / mol K
En el sistema cgs: R = 8.314*107 (din / cm2). cm3 / mol K = 8.314*107 erg / mol K
En todos los sistemas, expresado en calorías: R= 1.99 cal / mol K
En cálculos químicos: R= 0.08207 lt . atm / mol K

Definamos ahora un gas ideal como aquel que verifica exactamente la ecuación de estado para todas las presiones y temperaturas. Comosugiere el término, el as ideal es un modelo idealizado que representa muy bien el comportamiento de los gases en algunas circunstancias y peor en otras. En general, el comportamiento de un gas se aproxima más al modelo de gas ideal a muy bajas presiones, cuando las moléculas están separadas entre sí.

En la siguiente figura se muestran las desviaciones en relación con el comportamiento del...