Termodinámica de los Gases: Estados termodinámicos

En la mecánica, el estado de un sistema en un instante dado queda completamente definido si se conocen la posición y velocidad de cada masa puntual del sistema. Esto significa que, para especificar el estado de un sistema compuesto de un número N de masas puntuales es necesario conocer 6N variables.

En termodinámica se introduce un concepto diferente y mucho más simple. La definición dinámica de estado resulta poco útil pues requeriría el manejo de muchas variables y, por otra parte, sólo interesa a los fines termodinámicos el comportamiento del sistema como un todo, independientemente de sus partículas componentes.

Examinemos algunos ejemplos para poder entender el concepto termodinámico del estado.

Fluido homogéneo: En este sistema es posible medir la temperatura T el volumen V y la presión p.

Si bien la geometría del sistema también está definida por su forma, la mayoría de las propiedades termodinámicas son independientes dela forma del sistema.

Para una determinada cantidad de sustancia contenida en el sistema, la temperatura, el volumen y la presión no son magnitudes independientes, pues están relacionadas por una ecuación de la forma general:

f (p, V, T) = 0 (7)

conocida como ecuación de estado. Su forma depende de las propiedades de la sustancia. Cualquiera de las tres variables puede expresarse como una función de las otras dos. De esta forma el estado es determinado por dos cualquiera de las variables.

A menudo suele representarse (aquí lo haremos) gráficamente la evolución de un sistema por un gráfico de la presión en función del volumen (en realidad de cualesquiera dos variables que definan un estado). Un punto de esta representación determina un estado.

Mezcla homogénea de varios compuestos: En este caso, hay que agregar a las variables que determinan el estado del sistema, la composición del mismo, es decir las concentraciones de cada compuesto en la mezcla.

La ecuación de estado de un sistema compuesto por una cierta cantidad de gas que ocupa un volumen V a una temperatura T y a una presión p, puede ser expresada por una ley analítica muy sencilla.

Laecuación deestado de un sistema compuesto por una masa m de un gas de peso molecular M está dada aproximadamente por:

p * V = m/M * R * T (8)

Donde R es una constante universal (vale lo mismo para cada sustancia e independientemente del estado del sistema) de valor igual a 1,986 cal/grado.

No existe ningún gas real que cumpla exactamente la ecuación (8). Una sustancia ideal que cumpla con exactitud la ecuación (8) se denomina gas ideal.

Suponiendo un mol de gas ideal, entonces:

p * V = R * T (9)

En muchos casos reales es aplicable la aproximación de considerar a un gas como ideal.

La ecuación de los gases ideales no es la única ecuación de estado. En ciertas situaciones la ecuación de los gases ideales se aparta mucho dela realidad. Un ejemplo se da cuando el gas se halla cercano al punto de condensación. En ese caso, una mejoraproximación es la ecuación de estado de Van der Waals:

(p + a/V²) * (V-b) = R * T (10)

Donde a y b son característicos de cada sustancia. Para a = b = 0,la ecuación es la de los gases ideales.