Las variables que componen la ecuación de estado de un gas ideal son la cantidad de moles, la presión, el volumen, la temperatura absoluta y la constante universal de los gases.
Ecuación de estado es la expresión matemática que se emplea en los ámbitos de la química y la física para vincular variables de estado propias de un sistema termodinámico que se encuentra en condiciones de equilibrio. Es un recurso que sirve para describir las particularidades que presenta la materia en ciertas circunstancias (como su energía interna, la presión, la temperatura o el volumen).
En el campo de la termodinámica, la ecuación de estado permite prever el comportamiento de líquidos y gases, así como también es útil para calcular el volumen de un sólido. Conviene, incluso, tener presente que se aprovecha a la hora de detallar qué propiedades o rasgos distintivos poseen las mezclas y las sustancias puras y en investigaciones o estudios que se focalizan en las estrellas, por ejemplo.
Es oportuno resaltar, además, que la ecuación de estado no es universal, es decir, no es única y adecuada para explicar cómo se comportan todas las sustancias en distintos contextos térmicos o de presión. Cada una de ellas es constitutiva o fundamental, puntual para cada sustancia.
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ResumenTipos de ecuaciones de estado
Las ecuaciones de estado, según se comprueba al analizar la teoría, se clasifican de distintas maneras en función de sus características.
Existen, por brindar referencias concretas al respecto, la ecuación de estado para gases ideales (en cuya estructura se relacionan la temperatura, el número de moles que reúne un gas ideal, el volumen y la presión) y la ecuación de estado de los gases reales (reservada para la descripción del comportamiento de gases no ideales).
Se distinguen, por otra parte, la ecuación de estado de Soave-Redlich-Kwong (SRK), la ecuación de estado de Redlich-Kwong, la ecuación de estado de Beattie-Bridgeman y la ecuación de estado de Peng-Robinson.
En base a simulaciones informáticas se ha constituido, en tanto, la ecuación de estado de Elliott, Suresh y Donohue (ESD). Si bien es una herramienta preferentemente aprovechada para comprender cómo se comportan los fluidos, puede ser extendida al estudio de polímeros. Para el modelado de datos experimentales y el cálculo de módulo aparente, volumen y densidad de un material en particular, en cambio, está recomendado el uso de la ecuación de estado de Murnaghan.
Las propiedades que tienen los materiales se pueden describir a través de la ecuación de estado de Mie-Grüneisen.
Limitaciones
Las ecuaciones de estado poseen múltiples bondades y un variado campo de aplicación, pero no están exentas de limitaciones. En primer lugar, no son adecuadas para la predicción del desempeño de cada sustancia existente expuesta a cualquier condición.
En el caso de la ecuación de estado del gas ideal, puntualmente, en casos de temperatura baja y presión elevada no resulta tan exacta, así como tampoco sirve para prever procesos como el de la condensación para pasar de estado gaseoso a estado líquido.
Se señala, por otra parte, que puede existir una profunda complejidad en el desarrollo de una ecuación de estado. Su perfil depende, pues, de variaciones que van surgiendo en tiempo real respecto a las propiedades de cada fluido.
Ecuación de estado para gases ideales
La más sencilla o básica de las ecuaciones de estado se caracteriza por describir cómo se comporta un gas en condiciones de alta temperatura y baja presión. Se trata de la ecuación de estado de un gas ideal o ley de los gases ideales, que nace de la combinación de un par de postulados: la ley de Charles y la ley de Boyle.
La ya citada ley de los gases ideales constituye una aceptable aproximación a cómo, al estar expuestos a diferentes condiciones, se comportan diversos gases. Sirve para un gran número de acciones, como la predicción del estado final de un cierto gas o el cálculo tanto de la masa molar como de la densidad de un gas. Cabe mencionar que al tomar en consideración volúmenes finitos en materia intermolecular y a las fuerzas intermoleculares se traspasa la ecuación de estado de un gas ideal y se llega a la ecuación para un gas real. Al respecto es interesante recordar que el físico y profesor neerlandés Johannes van der Waals (cuyo apellido está inmortalizado en la denominada ecuación de Van der Waals) se inspiró en la ley de los gases ideales para trabajar en la ecuación de estado centrada en líquidos y gases.
Los fluidos que componen al universo se determinan al resolver la ecuación de estado vinculada a la cosmología, donde se relacionan la presión y la densidad propias de cada fluido.
Más datos
Cuando la intención es determinar la viscosidad que caracteriza a un fluido se recomienda apelar a la ecuación de estado de Peng-Robinson (PR). Aquellos que se dedican a la cosmología, por su parte, conciben a la ecuación de estado como una fórmula o estructura que, focalizándose en el lazo entre densidad y presión, brinda información acerca de la clase de fluido existente en el universo.
Es enriquecedor, también, dirigir la mirada a la ecuación de estado reservada a la transformación adiabática. Es necesario, en este marco, indicar que se define como transformación adiabática al proceso termodinámico cuyo aspecto más singular es la ausencia de transferencia de calor en relación al entorno. De combinarse y complementarse la ecuación del trabajo con la ecuación de estado del gas ideal se llega a la conocida como ecuación fundamental de un sistema adiabático.
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