Gases ideales, líquidos, sólidos, y ecuaciones de estado
Introducción
¡Hola!
Es todo un privilegio contar con tu asistencia en esta nueva sesión, es muy seguro que la vas a disfrutar y aprenderás mucho, es por ello que te invito a la clase once denominada Gases ideales, líquidos, sólidos, y ecuaciones de estado del curso de Termodinámica.
Una de las consideraciones más importantes que se tienen al trabajar con fluidos y, particularmente con gases es su comportamiento de acuerdo a una ecuación de estado. En particular, la ecuación de estado más conocida es la del gas ideal. No obstante, el comportamiento de ciertos gases pueden aproximarse a otras ecuaciones, como las de Van der Waals, Benedict-Web-Rubin, entre otras. Por otro lado, el factor de compresibilidad es otra variable que se tiene que considerar al trabajar con fluidos. Dicho factor se trabaja con una tabla en donde aparece un factor de compresibilidad para determinados valores de presión y temperatura.
En esta clase se revisará lo que ocurre con los líquidos y sólidos desde un punto de vista ideal. Es muy importante mencionar que algunos gases como el aire, se pueden considerar como gases ideales, ya que tienen un comportamiento que se adecúa a la ecuación del gas ideal.
Para el caso en que se utilicen fluidos que no se comportan por ecuaciones de estado, dichos fluidos se les conoce como gases reales. En este punto del curso, el estudiante debe tener una noción básica de las ecuaciones de estado, así como el procedimiento para el cálculo de las propiedades termofísicas ya sea por tablas o por algún software especializado debido a que para las ecuaciones que se utilizarán, es necesario tener en claro cómo se calculan las propiedades de los fluidos.
Se recomienda complementar esta clase con el uso de algún software computacional como el EES para la solución de problemas de diseño.
Una vez dicho lo anterior, te invito a proseguir. ¡Éxito!
Desarrollo del tema
Comportamiento de gas y gas perfecto
Cualquier ecuación que relacione la presión, la temperatura y el volumen específico de una sustancia se denomina ecuación de estado. Las relaciones de propiedades que comprenden a otras pertenecientes a una sustancia que se halla en estados de equilibrio, también se conocen como ecuaciones de estado. Hay varias ecuaciones de estado, siendo la más sencilla la que se conoce como ecuación de estado del gas ideal, la cual predice el comportamiento P-v-T de un gas con bastante exactitud, dentro de cierta región elegida adecuadamente. Dicha ecuación es:
Donde la constante de proporcionalidad R se denomina constante del gas. El valor de esta constante es diferente para cada gas y se determina a partir de:
Siendo PM el peso molecular del gas y Ru la constante universal de los gases cuyo valor es:
Un gas ideal es una sustancia imaginaria que obedece a la relación (A).
Factor de compresibilidad y ecuaciones de estado
Algunos gases se desvían de manera importante del comportamiento del gas ideal en estados cercanos a la región de saturación y el punto crítico. Esta desviación a temperatura y presión especificadas se toma en cuenta con exactitud mediante la introducción de un factor de corrección llamado factor de compresibilidad Z, definido como:
También se puede expresar como:
En ambos casos, Z = 1 para gases ideales, mientras que para los reales puede ser mayor o menor que la unidad. Cuanto más lejos se encuentra Z de la unidad, mayor es la desviación que el gas presenta respecto al comportamiento del gas ideal.
Un par de variables a introducir en el tema del factor de compresibilidad son la presión y temperatura crítica, las cuales se definen como:
El factor Z para todos los gases es aproximadamente el mismo a iguales presión y temperatura reducidas, lo cual recibe el nombre de principio de estados correspondientes.
Al ajustar los datos se obtiene la carta de compresibilidad generalizada que puede emplearse para todos los gases, dicha carta se encuentra en la Figura A-15 de Cengel&Boles, (2019).
De la carta de compresibilidad generalizada se observa que:
A) A presiones muy bajas, los gases se comportan como un gas ideal sin considerar la temperatura.
B) A temperaturas altas, es posible suponer con buena precisión el comportamiento de gas ideal, independientemente de la presión.
C) La desviación de un gas respecto al comportamiento de gas ideal es mayor cerca del punto crítico.
Otras ecuaciones de estado
A manera de complemento, la Tabla A, muestra otras ecuaciones de estado que se utilizan para analizar el comportamiento de gases.
Comportamiento incomprensible ideal (líquidos y sólidos)
En los gases ideales, la energía potencial se considera nula siendo la energía total de sus moléculas la energía cinética. Para el caso de los gases reales, la energía potencial es mayor pero se mantiene por debajo de la energía cinética, sin embargo, cuando se trata con líquidos y sólidos la contribución de la energía potencial a la energía total del sistema va creciendo.
La contribución creciente del término de energía potencia se manifiesta porque cada molécula no es libre en su movimiento, sino que está restringida por sus vecinos más próximos con los que interactúa fuertemente.
Debido fundamentalmente a la intensidad de las fuerzas intermoleculares, los sólidos y líquidos son poco sensibles a los cambios de temperatura y especialmente insensibles a los cambios de presión. Esto es cierto en el caso de los líquidos, cuando se consideran temperaturas por debajo de la temperatura crítica.
A manera de complemento, revisar el siguientes enlace:
Finalmente ve los siguientes videos:
Conclusión
En conclusión, en esta clase digital se revisaron las ecuaciones de estado más conocidas y utilizadas en Termodinámica. Se revisó la característica principal de una ecuación de estado y se mostraron los valores de la constante universal de los gases para diferentes sistemas de unidades. Se presentó también el factor de compresibilidad, el cual aplica para aquellos gases que se desvían del comportamiento de la ecuación de estado en una región determinada.
Se debe recordar que, para que una ecuación sea denominada de estado, debe tener dependencia tanto de la presión, temperatura y volumen específico. La ecuación de estado más sencilla es la ecuación del gas ideal, la cual relaciona las variables mencionadas junto con la constante universal de los gases.
El factor de compresibilidad con un valor de la unidad representa un comportamiento del gas como ideal. En esta clase se revisó lo que ocurre cuando el valor de Z se aleja a la unidad y se direccionó a la carta de compresibilidad que se debe utilizar para la aproximación del valor de Z.
Finalmente, se revisó de manera general lo que ocurre con los líquidos y sólidos con relación a su comportamiento con la temperatura y presión. Particularmente, lo que ocurre con la energía cinética y potencial.
Has llegado al final de la clase. ¡Te felicito por tu importante logro! Te invito a realizar la consigna la cual, es la lectura sugerida ya que te ayudará a reforzar lo revisado en esta clase. También debes revisar los videos sugeridos, ya que de esta manera complementarás lo visto en esta clase digital. No olvides que te espero en la siguiente sesión. Hasta entonces.
Fuentes de información
- Cengel, Y. A., A. Boles A. M. & Mehmet, K. (2019). Termodinámica, (9a ed.). McGraw Hill Editores.
- Moran, J. M., & Shapiro, N. H. (2008). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. (6a ed.). John Willey & Sons, Inc