5. TEMA V. GAS IDEAL

 Un gas ideal es un gas teórico compuesto de un conjunto de partículas puntuales con desplazamiento aleatorio, que no interactúan entre sí. El concepto de gas ideal es útil porque el mismo se comporta según la ley de los gases ideales, una ecuación de estado simplificada, y que puede ser analizada mediante la mecánica estadística.

En condiciones normales tales como condiciones normales de presión y temperatura, la mayoría de los gases reales se comporta en forma cualitativa como un gas ideal. Muchos gases tales como el nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, gases nobles, y algunos gases pesados tales como el dióxido de carbono pueden ser tratados como gases ideales dentro de una tolerancia razonable.¹​ Generalmente, el alejamiento de las condiciones de gas ideal tiende a ser menor a mayores temperaturas y a menor densidad (o sea a menor presión),¹​ ya que el trabajo realizado por las fuerzas intermoleculares es menos importante comparado con energía cinética de las partículas, y el tamaño de las moléculas es menos importante comparado con el espacio vacío entre ellas.

El modelo de gas ideal tiende a fallar a temperaturas menores o a presiones elevadas, donde las fuerzas intermoleculares y el tamaño intermolecular son importantes. También por lo general, el modelo de gas ideal no es apropiado para la mayoría de los gases pesados, tales como vapor de agua o muchos fluidos refrigerantes.¹​ A ciertas temperaturas bajas y a alta presión, los gases reales sufren una transición de fase, tales como a un líquido o a un sólido. 

5.1.1. Densidad

La densidad de un gas ideal se define como la masa por unidad de volumen. Se puede calcular usando la ecuación de estado del gas ideal.

5.1.2. Volumen específico

El volumen específico es el volumen ocupado por una unidad de masa de un gas. Es el inverso de la densidad.

5.1.3. Presión

La presión de un gas ideal es la fuerza que las partículas del gas ejercen sobre las paredes del contenedor por unidad de área.

5.1.4. Temperatura

La temperatura de un gas ideal está relacionada con la energía cinética promedio de las partículas del gas. Se mide en kelvins (K).

5.2. Ecuación de estado de un gas ideal en diferentes formas

La ecuación de estado de un gas ideal es

$$PV=nRT$$

, donde (P) es la presión, (V) es el volumen, (n) es el número de moles, (R) es la constante de los gases ideales y (T) es la temperatura².

5.3. Relación entre la presión y el volumen específico para un proceso adiabático sin fricción

En un proceso adiabático sin fricción, la relación entre la presión y el volumen específico de un gas ideal se describe por la ecuación de Poisson:

PVγ=constante

, donde (\gamma) es el coeficiente adiabático.

5.4. Relación entre

5.4.1. La presión y la temperatura para un proceso adiabático sin fricción

Para un proceso adiabático sin fricción, la relación entre la presión y la temperatura se puede expresar como:

P1−γTγ=constante

.

5.4.2. El volumen específico y la temperatura para un proceso adiabático sin fricción

La relación entre el volumen específico y la temperatura en un proceso adiabático sin fricción es:

Vγ−1T=constante

.

5.5. Proceso politrópico

Un proceso politrópico es aquel en el que la relación entre la presión y el volumen sigue la ecuación:

PVn=constante

, donde (n) es el índice politrópico.

5.6. Factor de compresibilidad generalizado

El factor de compresibilidad ((Z)) es una medida de cuánto se desvía el comportamiento de un gas real del comportamiento de un gas ideal. Se define como:

Z=nRTPV​

.

5.7. Ecuación de estado de Van Der Waals

La ecuación de Van Der Waals es una ecuación de estado que corrige la ecuación de los gases ideales para tener en cuenta el volumen de las moléculas y las fuerzas intermoleculares:

(P+V2a​)(V−b)=RT

, donde (a) y (b) son constantes específicas del gas.