Calculadora de compresión y expansión de gases

¿Qué ocurre cuando un gas se comprime o se expande?

La presión, el volumen y la temperatura de un gas en un recipiente cerrado cambian de forma conjunta. El resultado depende de cómo se realice el proceso. Esta calculadora resuelve los cinco procesos básicos de un gas ideal y calcula el trabajo realizado por el gas, el calor que absorbe y la variación de su energía interna.

Los procesos

Isotérmico (temperatura constante): P₁ × V₁ = P₂ × V₂. En una compresión lenta, el gas cede calor al entorno. Trabajo: W = P₁ × V₁ × ln(V₂ / V₁).

Adiabático (sin intercambio de calor): P × V^γ es constante. El gas se calienta al comprimirse rápidamente y se enfría al expandirse rápidamente. Trabajo: W = (P₁V₁ − P₂V₂) / (γ − 1).

Isobárico (presión constante): V / T es constante. Trabajo: W = P × (V₂ − V₁).

Isocórico (volumen constante): P / T es constante. No se realiza trabajo y todo el calor aumenta la energía interna.

Politrópico: P × V^n es constante. El proceso de un compresor real suele situarse entre el isotérmico y el adiabático.

γ es la relación de capacidades caloríficas: 5/3 para gases monoatómicos, como helio y argón, y 7/5 para gases diatómicos, como el aire.

Ejemplo

En el cilindro de un motor se comprimen rápidamente 240 cm³ de mezcla de aire y combustible a 100 kPa y 20 °C hasta 40 cm³. Si el proceso se considera adiabático con γ = 1,4, la presión pasa a ser 100 × 6^1,4 = 1229 kPa y la temperatura aumenta de 293 K a 600 K. El trabajo realizado sobre el gas es 63 J. Si la misma compresión fuera isotérmica, la presión solo alcanzaría 600 kPa.

Convenio de signos

Aquí el trabajo es el realizado por el gas. Es positivo en la expansión y negativo en la compresión. El primer principio se aplica como ΔU = Q − W.

Límites

Se supone un gas ideal, un proceso reversible y γ constante. En las máquinas reales, la fricción y las fugas de calor modifican el resultado. Debes introducir la presión absoluta. Esta herramienta no está destinada al diseño de recipientes a presión ni compresores.

Preguntas frecuentes

¿Cómo se calcula la presión en una compresión adiabática?

Por ejemplo, comprimir adiabáticamente 2 L de gas ideal a 100 kPa absolutos hasta 1 L, con una relación de capacidades caloríficas de 1,4, da una presión final de 263,9 kPa. El producto de la presión por el volumen elevado a la relación de capacidades caloríficas permanece constante. Se supone un proceso reversible, sin la fricción ni las fugas de calor de una máquina real.

Calcular con estos valores