User:Pepe Beleche/Expansión Libre

La expansión libre es un proceso irreversible en el cual un gas se expande en una cámara evacuada aislada. También se conoce como expansión Joule.

Los gases reales experimentan un cambio de temperatura durante la expansión libre. Para un gas ideal, la temperatura no cambia, y las condiciones antes y después de la expansión libre adiabática satisfacen

$(P_i) (V_i) = (P_f) (V_f)$ donde p es la presión, V es el volumen, y la i y f se refieren a los estados inicial y final. Dado que el gas se expande, Vf> Vi, lo que implica que la presión hace gota (Pf <Pi).

Durante la expansión libre, ningún trabajo es realizado por el gas. El gas pasa a través de los estados que no están en equilibrio termodinámico antes de llegar a su estado final, lo que implica que no se pueden definir parámetros termodinámicos como valores del gas en su conjunto. Por ejemplo, la presión cambia localmente de punto a punto, y el volumen ocupado por el gas (el cual está formado de partículas) no es una cantidad bien definida.



Una expansión libre se consigue típicamente mediante la apertura de una llave de paso que permite que el gas se expanda en un vacío. Aunque sería difícil de lograr en la realidad, es instructivo imaginar una expansión libre causada por un pistón en movimiento más rápido que prácticamente cualquier átomo. Ningún trabajo se hace porque no hay presión sobre el pistón. Sin energía térmica que sale o entra en el pistón. Sin embargo, hay un cambio de entropía. Pero la fórmula conocida para el cambio de entropía,

$$\Delta S = \int \frac {dQ_{rev}}T \, ,$$

no se aplica debido a que el proceso no es un proceso termodinámicamente reversible. Para un gas ideal, el cambio de entropía es el mismo que para el efecto Joule-Thomson:

$$\Delta S=\int_i^f\mathrm{d}S=\int_{V_{i}}^{V_{f}} \frac{P\,\mathrm{d}V}{T}=\int_{V_i}^{V_f} \frac{n R\,\mathrm{d}V}{V}=n R\ln \frac{V_f}{V_i}.$$