Número de Avogadro
Ley de los gases ideales
Un gas ideal se define como aquel en el que todas las colisiones entre átomos o moléculas son perfectamente elásticas y en el que no existen fuerzas de atracción intermoleculares. Uno puede visualizarlo como una colección de esferas perfectamente duras que chocan pero que de otra manera no interactúan entre sí. En un gas de este tipo, toda la energía interna está en forma de energía cinética y cualquier cambio en la energía interna va acompañado de un cambio de temperatura .
Un gas ideal se puede caracterizar por tres variables de estado : presión absoluta (P), volumen (V) y temperatura absoluta (T). La relación entre ellos se puede deducir de la teoría cinética y se llama
n = número de lunares
R = constante de gas universal = 8,3145 J / mol K
N = número de moléculas
k = constante de Boltzmann = 1,38066 x 10 -23 J / K = 8,617385 x 10 -5 eV / K
k = R / N A
N A = Número de Avogadro = 6.0221 x 10 23 / mol
Se puede considerar que la ley de los gases ideales surge de la presión cinética de las moléculas de gas que chocan con las paredes de un recipiente de acuerdo con las leyes de Newton. Pero también hay un elemento estadístico en la determinación de la energía cinética promedio de esas moléculas. La temperatura se considera proporcional a esta energía cinética media; esto invoca la idea de temperatura cinética . Un mol de un gas ideal en STP ocupa 22,4 litros.
Partida de un gas ideal: ecuación de estado de van der Waals
Constantes moleculares
En la teoría cinética de los gases, hay ciertas constantes que limitan la incesante actividad molecular. Las propiedades del gas se describen en términos de variables de estado .
Un volumen V dado de cualquier gas ideal tendrá el mismo número de moléculas. La masa del gas será entonces proporcional a la masa molecular. Una cantidad estándar conveniente es el mol , la masa de gas en gramos igual a la masa molecular en uma. El número de Avogadro es el número de moléculas en un mol de cualquier sustancia molecular.
N A = número de Avogadro = 6.0221 x 10 23 / mol
La energía cinética de traslación promedio de cualquier tipo de molécula en un gas ideal viene dada por
Variables de estado
Una variable de estado es una propiedad física medible con precisión que caracteriza el estado de un sistema, independientemente de cómo el sistema llegó a ese estado. Debe tener un valor único inherente para caracterizar un estado. Por ejemplo, en el ejemplo del trabajo con calor , el estado final se caracteriza por una temperatura específica (una variable de estado) independientemente de si se llevó a ese estado mediante calentamiento, o al realizar un trabajo en él, o ambos.
Ejemplos comunes de variables de estado son la presión P, el volumen V y la temperatura T. En la ley de los gases ideales , el estado de n moles de gas está determinado con precisión por estas tres variables de estado. Si una propiedad, por ejemplo, la entalpía H, se define como una combinación de otras variables de estado, entonces también es una variable de estado. La entalpía es uno de los cuatro " potenciales termodinámicos ", y los otros tres, la energía interna U, la energía libre de Helmholtz F y la energía libre de Gibbs G también son variables de estado. La entropía S también es una variable de estado.
Algunos textos simplemente usan el término "variable termodinámica" en lugar de la descripción "variable de estado".
El topo
Un mol (mol abreviado) de una sustancia pura es una masa del material en gramos que es numéricamente igual a la masa molecular en unidades de masa atómica (amu). Un mol de cualquier material contendrá el número de moléculas de Avogadro. Por ejemplo, el carbono tiene una masa atómica de exactamente 12,0 unidades de masa atómica; por tanto, un mol de carbono equivale a 12 gramos. Para un isótopo de un elemento puro, el número de masa A es aproximadamente igual a la masa en uma. Las masas precisas de elementos puros con sus concentraciones isotópicas normales se pueden obtener de la tabla periódica .
Un mol de un gas ideal ocupará un volumen de 22,4 litros en STP (temperatura y presión estándar, 0 ° C y una atmósfera de presión).El número de Avogadro
Temperatura y presión estándar
STP se utiliza ampliamente como un punto de referencia estándar para la expresión de las propiedades y procesos de los gases ideales. La temperatura estándar es el punto de congelación del agua y la presión estándar es una atmósfera estándar. Estos se pueden cuantificar de la siguiente manera:
Temperatura estándar: 0 ° C = 273,15 K
Presión estándar = 1 atmósfera = 760 mmHg = 101,3 kPa
Volumen estándar de 1 mol de un gas ideal en STP: 22,4 litros
Presión manométrica
¿El neumático pinchado de su automóvil tiene presión de aire cero ? Si está completamente plano, todavía tiene aire a presión atmosférica . Sin duda, tiene cero presión útil y el medidor de llantas leería cero libras por pulgada cuadrada. La mayoría de los manómetros leen el exceso de presión sobre la presión atmosférica y este exceso se llama "presión manométrica". Si bien es una medida útil para muchos propósitos prácticos, debe convertirse a presión absoluta para aplicaciones como la ley de los gases ideales .
Dado que un vacío parcial estará por debajo de la presión atmosférica, a menudo se usa la frase "presión negativa". Ciertamente, no existe la presión absoluta negativa, pero las pequeñas disminuciones de presión se utilizan comúnmente para arrastrar fluidos en pulverizadores, carburadores para automóviles y muchas otras aplicaciones. En el caso de la respiración , decimos que los pulmones producen una presión negativa de aproximadamente -4 mmHg para tomar aire, lo que por supuesto significa una disminución de 4 mmHg de la presión atmosférica circundante.
Cuando un sistema está a presión atmosférica como la imagen de la izquierda de arriba, se dice que la presión manométrica es cero. En esta imagen, el sistema se ha abierto para que esté en equilibrio con la atmósfera. En la imagen de la derecha, el sistema se cerró y el émbolo empujó hacia abajo hasta que la presión sea de aproximadamente 15 lb / in 2 . Esto implica que la presión absoluta se ha duplicado aproximadamente al comprimir el gas a la mitad de su volumen (ley de los gases ideales). La presión atmosférica estándar en estas unidades comunes de EE. UU. Es de 14,7 lb / pulg 2 , por lo que debe agregarse a la presión manométrica anterior para obtener la presión absoluta.
Ley de los gases ideales con restricciones
A los efectos de los cálculos, conviene colocar la ley de los gases ideales en la forma:
donde los subíndices i y f se refieren a los estados inicial y final de algún proceso. Si la temperatura está restringida a ser constante, esto se convierte en:
que se conoce como Ley de Boyle.
Si la presión es constante, entonces la ley de los gases ideales toma la forma
que históricamente se ha llamado Ley de Charles. Es apropiado para experimentos realizados en presencia de una presión atmosférica constante.
Todos los estados posibles de un gas ideal se pueden representar mediante una superficie PvT como se ilustra a continuación. También se muestra el comportamiento cuando cualquiera de las tres variables de estado se mantiene constante.
