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Para modelar los gases podemos utilizar modelos simples, que son aproximados; o modelos de mayor precision, que describen mejor el comportamiento real de ellos. Se van a llamar respectivamente gases ideales y gases reales.
2.2.2.1. Gases ideales. Los conceptos de
gas ideal y sustancia pura están fuertemente relacionados.
De hecho el estado 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 una sustancia
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:
Y la entalpía de un gas ideal es función de la temperatura
solamente, lo cual podria comprobarse de forma sencilla observando,
que la ecuacion anterior puede expresarse como Pv = RT y su derivada
parcial sera:
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.
Finalmente se concluye que, debido a que la entalpía se
puede definir como:
Tanto la entalpía como la energía interna de un gas ideal, son funciones solamente de la temperatura.
2.2.2.1.1. Calor específico. Para un gas ideal, JOULE ha planteado que los cambios de propiedades como volumen o presion, ejercen una influencia despreciable, tanto en la energía interna como en la entalpía, por tal razon ellas se presentan como una función unicamente de la temperatura asi:
Las derivadas parciales reciben el nombre de calores específicos,
y son considerados constantes para los gases ideales, de tal modo
que tendriamos:
donde Cv y Cp son los llamados calores específicos a volumen y presión constante respectivamente.
El calor especifico a volumen constante, como unidad derivada para el sistema internacional:
se define como el cambio de energía molecular interna u por
unidad de masa por grado de temperatura, cuando los estados finales
corresponden al equilibrio del mismo volumen.
De otro lado, El calor especifico a presion constante, como unidad derivada para el sistema internacional:
se define como el cambio en la entalpía para una unidad de
masa (o un mol), entre dos estados de equilibrio a la misma presión,
por grado de cambio en la temperatura.
Reemplazando Pv = RT, donde R es la constante particular del gas, en la ecuacion de entalpía, obtendriamos que
y se tiene que:
por lo tanto:
2.2.2.1.2. Entropía ( S ). La entropía,
considerada como una propiedad y cuyo símbolo es S, fue introducida
por Clausius en 1865; sus unidades son [J / K], en forma semejante,
por unidad de masa, la entropía específica s, tiene
como unidades [J / Kg K]. Si en un proceso ideal, se sigue la trayectoria;
el hecho de hacer esto implica un suministro de energia al medio,
y será posible hablar de proceso reversible (ideal), siempre
que se pueda ir en sentido inverso, siguiendo esa misma trayectoria,
no obstante no existe una forma eficaz de retornar la energía
ya suministrada de nuevo al medio, a sus condiciones iniciales.
Por lo tanto, esta energía transformada aunque permanece
allí, no puede ser aprovechada. Es a esta energía
latente a lo que se denomina entropía.
Esto implica que al igual que en la definición de trabajo
(en sistemas sin flujo), para un proceso ideal:
Se puede apreciar que, el trabajo de no-flujo es en forma gráfica, el área bajo el proceso cuando se gráfica en un diagrama P-v (Figura 4a).
Debido a que el calor, así como el trabajo son términos
importantes en un sistema energético, la pregunta es: Sería
conveniente tener una gráfica similiar donde las áreas
representen calor? Pues bien, ésta posible segunda gráfica
corresponde al área bajo el proceso 1-2 en el diagrama T-s
de la Figura 4b y es igual a dQ.
En resumen, en los ciclos el trabajo neto y el calor neto están representados por áreas cerradas en los diagramas P-v y T-s respectivamente. Se sabe que para todo tipo de proceso, se cumple:
De otro lado, para un proceso ideal donde no hay flujo de calor al exterior, se sigue cumpliendo la ecuación anterior. Por lo tanto en éstas condiciones:
como T no puede ser igual a cero, entonces, dS = 0, es decir, S = constante. De donde se deduce que un proceso como éste (también llamado adiabático reversible, y del cual se hablará posteriormente), sucede a entropía constante.
Finalmente se concluye que, fisicamente hablando, La entropía es la propiedad que permanece constante en un proceso adiabático reversible . Esto quiere decir que si no hay cambios en la entropía el proceso debe ser ideal y sin intercambio de calor al exterior.
2.2.2.2. Gases reales. Debido a la dificultad que revisten las relaciones de propiedades para los gases reales, dichos valores se obtienen mejor por el uso de tablas o gráficas que se han diseñado especialmente para ello. Un gas real es aquel en el cual las moléculas no ejercen fuerzas unas sobre otras, es decir, se comporta como un gas perfecto sólo cuando éste es sometido a alta presión y enfriamiento con respecto a sus condiciones críticas, observándose entonces lo siguiente:
donde Z es el Factor de Compresibilidad, el cual depende de P, T y el gas mismo. Generalmente Z se da para todos los gases como una función de la Presión Reducida Pr y la Temperatura Reducida Tr , donde:
en la cual Pc y Tc son la presión y la temperatura en el punto crítico, respectivamente.
