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Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos
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Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos
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Facultad de Ciencias Químicas e Ingeniería de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos
Archivo: Ingeniería química.
La propia naturaleza del hombre hace que continuamente se pregunte lo que pasa con su entorno y con los fenómenos naturales que lo rodean. Uno de los caminos que ha utilizado para dar respuesta a algunas de sus preguntas ha sido aplicar sus conocimientos de matemáticas, física y química para poder entender y predecir el comportamiento de la realidad.
En ingeniería química es común la manipulación de la materia a través de cambios físicos o químicos para transformar las materias primas en productos. Los cambios químicos básicamente tienen que ver con las modificaciones en la estructura y proporciones de los elementos de los reactivos que se transforman en productos en las reacciones químicas. Los cambios físicos son aquellos que modifican el estado de la materia. Cabe mencionar que los estados de la materia más conocidos y observables (también conocidos como estados de agregación) son cuatro: sólido, líquido, vapor y plasma. Básicamente la diferencia entre ellos son las fuerzas de unión de las partículas (moléculas, átomos o iones).
El estado vapor (gas), es de interés en los procesos químicos, debido principalmente a que su comportamiento no es fácil de predecir en comparación con el estado sólido o líquido. El comportamiento de una sustancia química esta en función de sus propiedades termodinámicas, tales como, presión, temperatura y volumen. Por ejemplo, si consideramos que la presión permanece constante para una sustancia química en estado sólido, si se modifica su temperatura, la sustancia permanecerá sin cambios de volumen aparente hasta alcanzar su punto de fusión. En el caso de una sustancia en estado líquido, si incrementamos su temperatura, su volumen permanecerá aparentemente igual hasta alcanzar su punto de ebullición. En ambos casos, el volumen permanecerá casi constante sin importar que modifiquemos la temperatura. En el caso de los gases, si hacemos modificaciones de la temperatura considerando la presión constante, el resultado que tendremos serán cambios considerables de volumen. Este hecho es el que hace necesario el utilizar modelos que permitan estimar el comportamiento de la materia cuando se encuentra en estado gas.
Gas Ideal vs Gas Real
Para poder analizar el comportamiento del estado gas de la materia, se define como gas ideal a un gas teórico que se compone de partículas puntuales que se desplazan de manera aleatoria (al azar) y que no interactúan entre sí [Moran and Sahapiro, 2006]. La ecuación de estado que describe el comportamiento de un gas ideal es:
(Ec. 1)
Donde,
P – Presión.
V – Volumen.
n – Número de moles.
T – Temperatura.
R – Constante Universal de los Gases.
La ecuación de estado de gas ideal considera cambios inversamente proporcionales entre la presión y el volumen, así como cambios directamente proporcionales de la presión o el volumen respecto de la temperatura. Un gas real, en cambio, es aquel con comportamiento termodinámico que no sigue la misma ecuación de estado de los gases ideales.
Es posible distinguir entre un gas ideal y un gas real, de acuerdo a los principios que relacionan su presión, volumen y temperatura.
Para poder observar el comportamiento del Gas Ideal respecto a los Gases Reales consideremos que el número de moles, n, es igual a 1, de modo que despejando de la ecuación 1,
(Ec. 2)
Graficando la ecuación 2 y el comportamiento de algunos gases reales, tales como, el nitrógeno (N2), el metano (CH4), el hidrógeno (H2) o el bióxido de carbono (CO2), podemos observar en la Figura 1 la desviación que existe del comportamiento del gas ideal (línea punteada) respecto a los reales.
Figura 1. Comportamiento de gases reales respecto al gas ideal [Engel and Reid, 2012].
En condiciones normales de presión y temperatura, los gases reales suelen comportarse en forma cualitativa de la misma manera que un gas ideal. Por lo tanto, gases como el oxígeno, el nitrógeno, el hidrógeno o el dióxido de carbono se pueden tratar como gases ideales en ciertas condiciones.
Para medir el comportamiento de un gas que difiere de las condiciones habituales del gas ideal, es necesario utilizar las ecuaciones de los gases reales. Estas demuestran que los gases reales no se expanden infinitamente, de lo contrario, alcanzarían un estado en el que ya no ocuparían más volumen.
El comportamiento de un gas real se acerca al comportamiento de un gas ideal cuando su fórmula química es sencilla y cuando su reactividad es baja. El helio, por ejemplo, es un gas real cuyo comportamiento es cercano al ideal.
Es importante tener en cuenta la diferencia que existe entre los gases reales respecto a la consideración de gas ideal para poder predecir de mejor manera su comportamiento.
REFERENCIAS
Michael J.Moran and Howard N.Shapiro (2006). Fundamentals of Engineering Thermodynamics. John Wiley & Sons, Inc.
Thomas Engel and Philip Reid (2012). Thermodynamics, Statistical Thermodynamics & Kinetics, 3/E. Prentice Hall. 648 pp.
Semblanza
Dr. Antonio Rodríguez Martínez
Es Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (1992). Es Maestro en Ciencias en Ingeniería Química (2003) y Doctor en Ingeniería Química y de Procesos por la Universidad Rovira i Virgili (Tarragona, España, 2005). Es Profesor Investigador de Tiempo Completo de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos desde 2005. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores nivel 1, cuenta con el Perfil Deseable de la SEP y es miembro honorífico del Sistema Estatal de Investigadores de Morelos.
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Dr. Rosenberg Javier Romero Domínguez
Es Ingeniero Químico por la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (1993). Es Maestro en Ciencias por la UNAM en 1996. Doctor en Ingeniería Energética por la UNAM en 2001. Es Profesor investigador de Tiempo Completo de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos desde 2001. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores nivel 2, cuenta con el Perfil Deseable de la SEP y es miembro honorífico del Sistema Estatal de Investigadores de Morelos.
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Dra. Martha Lilia Domínguez Patiño
Es Ingeniera Química por la Universidad Autónoma del Estado de Morelos (1987). Es Maestra en Ciencias en Química Orgánica por la UAEM en 194. Doctora en Ciencia e Ingeniería de los Materiales por la UEAM en 2005. Es Profesora investigadora de Tiempo Completo de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos desde 1992. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores nivel 1, cuenta con el Perfil Deseable de la SEP y es miembro honorífico del Sistema Estatal de Investigadores de Morelos.