En física e ingeniería , un gas perfecto es un modelo teórico de gas que difiere 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 descuidan 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.
Los términos gas perfecto y gas ideal se utilizan a veces indistintamente, dependiendo del campo particular de la física y la ingeniería. A veces, se hacen otras distinciones, como entre gas térmicamente perfecto y gas calóricamente perfecto , o entre gases imperfectos, semiperfectos y perfectos, así como las características de los gases ideales. Dos de los conjuntos de nomenclaturas comunes se resumen en la siguiente tabla.
Junto con la definición de gas perfecto, también hay dos simplificaciones más que se pueden hacer, 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
Un gas calóricamente perfecto
Se puede demostrar que un gas ideal (es decir, que satisface la ecuación de estado de los gases ideales, ) es calóricamente perfecto o térmicamente perfecto. Esto se debe a que la energía interna de un gas ideal es, como máximo, una función de la temperatura, como lo demuestra la ecuación termodinámica [1], que es exactamente cero cuando . Por lo tanto, y son, como máximo, funciones únicamente de la temperatura para esta ecuación de estado particular .
Tanto desde la mecánica estadística como desde la teoría cinética más simple de los gases , esperamos que la capacidad calorífica de un gas ideal monatómico sea constante, ya que para un gas de este tipo solo la energía cinética contribuye a la energía interna y a 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 a partir de la teoría moderna de la mecánica estadística cuántica , así como de los datos experimentales, que un gas ideal poliatómico generalmente tendrá contribuciones térmicas a su energía interna que no son funciones lineales de la temperatura. [2] [3] Estas contribuciones se deben a las contribuciones de los grados de libertad vibracionales, rotacionales y electrónicos a medida que se llenan en función de la temperatura de acuerdo con la distribución de Boltzmann . En esta situación, encontramos que y . [4] Pero incluso si la capacidad térmica es estrictamente una función de la temperatura para un gas dado, podría suponerse constante para fines de cálculo si las variaciones de temperatura y capacidad térmica no son demasiado grandes, lo que llevaría a suponer un gas calóricamente perfecto (ver más abajo).
Este tipo de aproximaciones son útiles para modelar, por ejemplo, un compresor axial donde las fluctuaciones de temperatura no suelen ser lo suficientemente grandes como para causar desviaciones significativas del modelo de gas térmicamente perfecto . En este modelo, la capacidad térmica todavía puede variar, aunque solo con la temperatura, y no se permite que las moléculas se disocien. Esto último generalmente implica que la temperatura debe limitarse a < 2500 K. [5] Este límite de temperatura depende de la composición química del gas y de la precisión que deban tener los cálculos, ya que la disociación molecular puede ser importante a una temperatura más alta o más baja, lo que depende intrínsecamente de la naturaleza molecular del gas.
Aún más restringido es el gas calóricamente perfecto para el cual, además, se supone que la capacidad calorífica es constante. Aunque este puede ser el modelo más restrictivo desde una perspectiva de 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 mantuviera constante o no. Al modelar un compresor axial, algunos ejemplos de estos efectos del mundo real incluyen la holgura de la punta del compresor, la separación y las pérdidas por fricción o de la capa límite.
