Es imposible utilizar las leyes de la mecánica de Newton para analizar los movimientos individuales de cada partícula que componen un gas. Ni la computadora más avanzada haría esto posible, por esta razón, se hace necesario analizar el conjunto o sistema y tomar una media para conocer el estado promediado de las propiedades termodinámicas mediante la teoría probabilista. Esto nos lleva a preguntarnos: ¿ Existe el gas ideal?
¿Qué es el gas ideal?
Es aquel cuyas dimensiones moleculares pueden despreciarse. Esto puede parecer contradictorio pues desde el punto de visto matemático, ningún punto tiene dimensión y el gas ideal está compuesto por puntos materiales, por lo cual no ocurren colisiones entre ellos y sus velocidades individuales no sufren cambios. Su temperatura y presión deben permanecer constantes; si no hay alteración exterior del recipiente en donde está contenido el gas, se mantiene el equilibrio térmico.
Ecuaciones de estado
P: Es la presión del gas, cuyo valor depende de manera directa del número (N) de moléculas por unidad volumétrica y de forma inversa, al volumen que lo contiene.
V: Es el volumen donde está contenido el gas; su valor es inverso al de la presión.
T: Es la temperatura del gas.
K: Constante de Blotzmann.
Considerando que existen tres cantidades termodinámicas que se relacionan entre sí durante los procesos termodinámicos, tales o cuales variables son: la presión, la temperatura y el volumen del gas.
Suponiendo que el gas se encuentra a temperatura constante, el producto entre la presión y el volumen debería entonces ser una constante. En la fotografia, la joven está aumentando la presión y el volumen del globo, a costa de mantener la temperatura del gas interno constante.
Este resultado será útil para los procesos termodinámicos.
Para el caso de la joven de la fotografía, el proceso sería isotérmico; igual temperatura. A éste se lo conoce con el nombre de ecuación de Boyle.
Si la presión fuera la que se mantiene constante durante el proceso, se denominaría proceso isobárico, en concordancia con la ley encontrada por Charles, en donde el cociente que resulta de dividir el volumen, sobre la temperatura del gas, resulta ser una constante.
Si en una reacción química variamos el volumen del contenido en el recipiente y su temperatura, su presión permanece constante ya que está abierto; su presión sería la atmosférica.
Fórmula del gas ideal
Cuando intentamos relacionar el producto PV Con V/T, como ambos son valores fijos (constantes), resultan otras constantes. De tal manera:
Esta constante tiene un carácter físico (en el concepto de masa) y es igual al producto NK, donde N representa la cantidad de moléculas en el gas y K indica la constante de Boltzman. Su valor es de 1.38x10-23 J/K.
La ecuación de los gases ideales, es solo para temperaturas absolutas y aplicable a todos los gases a densidades muy bajas; aunque también es usada a densidades normales.
Pongamos por ejemplo un comprensor de aire; al comprimir el aire, aumenta su contenido (volumen especifico o volumen por unidad de masa), pues lo que varía es la cantidad de aire ocupando un volumen por unidad de masa y no el volumen espacial. De ese modo, aumenta su presión y el aire se calienta. El producto de estos tres permanece constante.
El gas real
Por supuesto que en la realidad no existe el gas ideal, por cuanto siempre habrá colisiones entre las partículas del gas, las que cambian de velocidad debido a la cantidad de partículas individuales que colisionan entre sí y con las paredes del recipiente que las contengan. De este modo se puede explicar la aparición de la presión en las paredes del recipiente que contiene al gas.
En cada colisión de partículas, la velocidad de cada molécula cambia y al haber tantas de ellas, resulta que adquieren todas las velocidades posibles, alcanzándose así el equilibrio térmico. Si las colisiones son frecuentes, el equilibrio térmico se logra rápidamente y si colisionan con menor frecuencia, el equilibrio llega lentamente.
Una vez que se logra el equilibrio térmico, las colisiones pueden continuar ya que las partículas no ejercerán ningún papel sobre la presión y la temperatura, lo que nos dice por qué no cambia en nada el considerar al gas como un compuesto de puntos materiales que no colisionan: El gas ideal.