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 gases perfectos, se desprecian las fuerzas intermoleculares. Esto significa que se pueden ignorar muchas complicaciones que pueden surgir de las fuerzas de Van der Waals . Todos los modelos de gases perfectos son modelos de gases ideales 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 sobre la variación (o no variación) de la capacidad calorífica con la temperatura.
Los términos gas perfecto y gas ideal a veces se utilizan indistintamente, según el campo particular de la física y la ingeniería. En ocasiones se hacen otras distinciones, como por ejemplo entre gas térmicamente perfecto y gas caloríficamente perfecto , o entre gases imperfectos, semiperfectos y perfectos, así como las características de los gases ideales. En la siguiente tabla se resumen dos de los conjuntos comunes de nomenclaturas.
Junto con la definición de 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 , se obtiene un gas térmicamente perfecto.
Un gas calóricamente perfecto
Se puede demostrar que un gas ideal (es decir, que satisface la ecuación de estado del gas ideal ) es caloríficamente perfecto o térmicamente perfecto. Esto se debe a que la energía interna de un gas ideal es, como máximo, función de la temperatura, como lo muestra la ecuación termodinámica [1].
Tanto de la mecánica estadística como de la teoría cinética de los gases más simple , esperamos que la capacidad calorífica de un gas monoatómico ideal sea constante, ya que para tal gas sólo 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 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 contribuciones de los grados de libertad vibratorios, rotacionales y electrónicos a medida que se pueblan en función de la temperatura según la distribución de Boltzmann . En esta situación encontramos que y . [4] Pero incluso si la capacidad calorífica es estrictamente una función de la temperatura de un gas determinado, se podría suponer constante para fines de cálculo si las variaciones de temperatura y capacidad calorífica no son demasiado grandes, lo que llevaría a suponer una capacidad calorífica Gas perfecto (ver más 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 todavía se permite que la capacidad calorífica varíe, aunque sólo con la temperatura, y no se permite que las moléculas se disocian. 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 qué tan precisos deben ser los cálculos, ya que la disociación molecular puede ser importante a una temperatura más alta o más baja. 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 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 los cálculos para una etapa de compresión de un compresor axial (una con variable y otra 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 impacto mayor en el resultado final calculado que si se mantiene constante o no. Al modelar un compresor axial, ejemplos de estos efectos del mundo real incluyen el espacio libre de la punta del compresor, la separación y las pérdidas por fricción/capa límite.
