Gas perfecto - Perfect gas
En física e ingeniería , un gas perfecto es un modelo de gas teórico que se diferencia de los gases reales en formas específicas que hacen que ciertos cálculos sean más fáciles de manejar. En todos los modelos de gas perfecto, se desprecian las fuerzas intermoleculares. Esto significa que se pueden descuidar muchas complicaciones que pueden surgir de las fuerzas de Van der Waals . Todos los modelos de gas perfecto son modelos de gas ideal en el sentido de que todos siguen la ecuación de estado del gas ideal . Sin embargo, la idea de un modelo de gas perfecto a menudo se invoca como una combinación de la ecuación de estado del gas ideal con supuestos adicionales específicos con respecto a la variación (o no variación) de la capacidad calorífica con la temperatura.
Nomenclatura de gas perfecta
Los términos gas perfecto y gas ideal a veces se usan indistintamente, dependiendo del campo particular de la física y la ingeniería. A veces, se hacen otras distinciones, como entre gas térmicamente perfecto y gas térmicamente perfecto , o entre gases imperfectos, semi-perfectos y perfectos, así como las características de los gases ideales. Dos de los conjuntos comunes de nomenclaturas se resumen en la siguiente tabla.
| Nomenclatura 1 | Nomenclatura 2 | Calentar capacidad en constante , , o constante , |
Ley de los gases ideales y |
|---|---|---|---|
| Calóricamente perfecto | Perfecto | Constante | sí |
| Térmicamente perfecto | Semi-perfecto | Dependiente de T | sí |
| Ideal | Puede o no ser dependiente de T | sí | |
| Imperfecto | Imperfecto o no ideal | Dependiente de T y P | No |
Gas térmica y calóricamente perfecto
Junto con la definición de un gas perfecto, también se pueden hacer dos simplificaciones más, aunque varios libros de texto omiten o combinan las siguientes simplificaciones en una definición general de "gas perfecto".
Para un número fijo de moles de gas , un gas térmicamente perfecto
- está en equilibrio termodinámico
- no está reaccionando químicamente
- tiene energía interna , entalpía , y la presión de volumen / constante constantes capacidades de calor , que son únicamente funciones de la temperatura y no de la presión o el volumen , es decir, , , , . Estas últimas expresiones son válidas para todos los pequeños cambios de propiedad y no se limitan a variaciones constantes o constantes .
Un gas calóricamente perfecto
- está en equilibrio termodinámico
- no está reaccionando químicamente
- tiene energía interna y entalpía que son funciones de la temperatura solamente, es decir ,
- tiene capacidades de calor , que son constantes, es decir, , y , donde es cualquier finito (no diferencial cambio) en cada cantidad.
Puede demostrarse que un gas ideal (es decir, que satisface la ecuación de estado del gas ideal ) es calóricamente perfecto o térmicamente perfecto. Esto se debe a que la energía interna de un gas ideal es como mucho una función de la temperatura, como lo muestra la ecuación termodinámica
- ,
que es exactamente cero cuando . Por lo tanto, y , como máximo , son funciones de solo temperatura para esta ecuación de estado en particular .
Tanto de la mecánica estadística como de la teoría cinética más simple de los gases , esperamos que la capacidad calorífica de un gas ideal monoatómico sea constante, ya que para tal gas solo la energía cinética contribuye a la energía interna y dentro de una constante aditiva arbitraria , y por lo tanto , una constante. Además, el teorema de equipartición clásico predice que todos los gases ideales (incluso los poliatómicos) tienen capacidades caloríficas constantes a todas las temperaturas. Sin embargo, ahora se sabe por la teoría moderna de la mecánica estadística cuántica , así como por los datos experimentales, que un gas ideal poliatómico generalmente tendrá contribuciones térmicas a su energía interna que no son funciones lineales de la temperatura. Estas contribuciones se deben a las contribuciones de los grados de libertad vibracionales, rotacionales y electrónicos a medida que se van poblando en función de la temperatura de acuerdo con la distribución de Boltzmann . En esta situación nos encontramos con que y . Pero incluso si la capacidad calorífica es estrictamente una función de la temperatura para un gas dado, se podría suponer constante para fines de cálculo si las variaciones de temperatura y capacidad calorífica no son demasiado grandes, lo que llevaría a la suposición de un gas calóricamente perfecto ( vea abajo).
Estos tipos de aproximaciones son útiles para modelar, por ejemplo, un compresor axial donde las fluctuaciones de temperatura generalmente no son lo suficientemente grandes como para causar desviaciones significativas del modelo de gas térmicamente perfecto . En este modelo, la capacidad calorífica aún puede variar, aunque solo con la temperatura, y las moléculas no pueden disociarse. Esto último generalmente implica que la temperatura debe limitarse a <2500 K. Este límite de temperatura depende de la composición química del gas y de la precisión de los cálculos, ya que la disociación molecular puede ser importante a una temperatura más alta o más baja que es intrínsecamente depende de la naturaleza molecular del gas.
Aún más restringido es el gas calóricamente perfecto para el que, además, se supone que la capacidad calorífica es constante. Aunque este puede ser el modelo más restrictivo desde la perspectiva de la temperatura, puede ser lo suficientemente preciso como para hacer predicciones razonables dentro de los límites especificados. Por ejemplo, una comparación de cálculos para una etapa de compresión de un compresor axial (uno con variable y otro con constante ) puede producir una desviación lo suficientemente pequeña como para respaldar este enfoque.
Además, otros factores entran en juego y dominan durante un ciclo de compresión si tienen un mayor impacto en el resultado final calculado que si se mantuvo constante o no . Al modelar un compresor axial, los ejemplos de estos efectos del mundo real incluyen la holgura de la punta del compresor, la separación y la capa límite / pérdidas por fricción.