¿Cuáles son algunas discrepancias en la ley del gas ideal?

La ley del gas ideal, naturalmente, solo es precisa para gases en condiciones de tipo “ideal”: alta temperatura y baja presión. Las desviaciones del comportamiento ideal del gas se producen cuando las moléculas están suficientemente juntas, o tienen una velocidad promedio suficientemente baja, que las fuerzas intermoleculares (Van der Waals, enlaces H, etc.) afectan el comportamiento del sistema en una cantidad significativa. Por ejemplo, si las moléculas se atraen entre sí, el fluido ocupará menos volumen y / o ejercerá menos presión que en un estado ideal no atrayente. A altas temperaturas, las fuerzas intermoleculares tienen un impacto relativo menor en las propiedades de volumen, y a presiones más bajas, las moléculas están demasiado separadas para interactuar mucho.

En mi trabajo, trabajamos regularmente con acumuladores hidráulicos del fondo marino que contienen nitrógeno frío y de alta presión: 10,000 psi a 40F es bastante común. En esas condiciones, el nitrógeno es la mitad de denso que el agua. Eso está bastante alejado del “gas ideal” y se nota: las ecuaciones basadas en el comportamiento del gas ideal, como la Ley de Boyle, ocasionan habitualmente un error del 10-20% para el rendimiento del acumulador. El gas se vuelve tan denso que el volumen de las moléculas individuales juega un papel importante en la determinación de las propiedades de llenado del espacio del fluido. Por lo tanto, utilizamos varias ecuaciones PVT para corregir los cálculos de la ley de gas ideal, o simplemente usamos un conjunto de datos de ajuste de curva empírica como el NIST vinculado anteriormente.

En un caso aún más extremo, considere el agua vieja simple – H2O. Las moléculas de agua tienen un peso molecular de 18, que es inusualmente ligero para un líquido a temperatura ambiente y más ligero que muchos gases. En comparación, el metano tiene un peso molecular de 16 y se considera un gas bastante ligero. Incluso los hidrocarburos más pesados ​​como el etano (30), el propano (44) y el butano (58) son todos gases. El alcano de hidrocarburo más ligero que es líquido a temperatura ambiente es el pentano, con un peso molecular de 72. Esto es bastante consistente en la mayoría de los gases y líquidos: las moléculas ligeras tienden a ser gases y las moléculas más pesadas tienden a ser líquidos. Pero el agua es una molécula ligera que contrarresta la tendencia.

De hecho, incluso las moléculas “análogas” más pesadas con la misma estructura básica de enlace covalente pero que carecen de enlace H, como el H2S, son gases a temperatura ambiente. El agua es una molécula extraña. (Por cierto, este comportamiento es parte de por qué es tan importante para la vida).

¿Por qué? Debido al poderoso enlace de hidrógeno entre las moléculas. La fuerte atracción intermolecular hace que el agua forme predominantemente un líquido denso e incompresible a temperatura ambiente. Algunas moléculas de alta energía se escapan como vapor de agua, pero la mayoría del agua a temperatura ambiente quiere estar compactada como líquido para minimizar la distancia entre las moléculas. Esta es una desviación enorme del comportamiento casi ideal del gas que la mayoría de las moléculas de tamaño similar exhiben a temperatura ambiente y presión atmosférica.

En este caso, la atracción intermolecular es tan poderosa que el rango de presión / temperatura requerido para un comportamiento ideal cambia dramáticamente. La temperatura ambiente es demasiado fría para que el agua actúe como un gas ideal. Pero si el agua se calienta por encima de su temperatura de punto crítico de 705F y se mantiene a una presión por debajo de su presión de punto crítico de 3200 psi, entonces también se convertirá en un gas y a temperaturas aún más altas actuará como un gas ideal. Las condiciones simplemente tienen que sacar las moléculas de las condiciones donde las fuerzas de atracción intermolecular controlan el comportamiento del fluido a granel.

No existen compuestos para los cuales la ley de los gases ideales modele perfectamente el sistema, y ​​hay muchos compuestos para los cuales la ley de los gases ideales está bastante lejos de la realidad. La ley de los gases ideales hace 3 supuestos principales: supone que las moléculas son “masas puntuales”, supone colisiones perfectamente elásticas y supone una falta total de fuerzas intermoleculares. No existe un escenario de la vida real cuando alguno de estos supuestos es completamente cierto, pero funcionan bastante bien para una amplia gama de compuestos y condiciones. A altas presiones donde las moléculas se encuentran entre sí con mayor frecuencia, o con moléculas grandes, o con moléculas polares, estas suposiciones son especialmente malas.