CAPITULO II

LA SUSTANCIA PURA 

• Es  aquella  que  tiene  una  composición  homogénea  e invariable,  independiente  de  la  fase  o  fases  en  que  se encuentra.  Toda  sustancia  pura  puede  existir  por  lo menos  en  tres  fases:  sólido,  líquido  y  vapor,ejm:  una muestra de agua en fase sólida; mezcla de agua y hielo o mezcla  de  agua  y  vapor  (cada  una  de  las  fases  tiene  la misma  composición  química,  el  agua  salada    no  es sustancia pura porque cuando se evapora la composición del  vapor  es  diferente  de  la  composición  de  la  fase líquida). Del mismo modo la mezcla de aceite y agua no es una sustancia pura, ya que el aceite no es soluble en agua, por lo que se acumula en la superficie y se forman dos regiones químicamente distintas. 

        Varios componentes                           Un solo componente(sustancia pura)

Cambio de fase líquido-vapor. Hay  muchas  situaciones  prácticas  donde  dos fases  de  una  sustancia  pura  coexisten  en equilibrio. Algunos ejemplos son: el agua existe como  una  mezcla  de  líquido  y  vapor  en  la caldera  y  en  el  condensador  de  una termoeléctrica, y el refrigerante pasa de  líquido a vapor en el congelador de un refrigerador.

Consideremos el dispositivo de cilindro y émbolo a una presión constante de 1 atm (101,325 kPa)

a) Al agua líquida que inicialmente se halla a 30°C le agregamos calor a presión constante (la temperatura aumenta)

b) Conforme se calienta, la temperatura del agua se eleva hasta llegar a 100°C.

c) Al alcanzar la temperatura de evaporación el agua hierve (cambio de fase, se tiene la temperatura de saturación).

T=30°C T=100°C T=100°C T=100°C T>100°C

Líquido LíquidoLíquido

vapor vapor Vaporsobrecalentado

Q Q Q Q Q

(a) (b) (c) (d) (e)

d) Desde este  instante y hasta que se finalice  la evaporación,  la temperatura  permanece  constante  =  100°C  (temperatura  de saturación),  cualquiera  sea  el  flujo  de  calor  transferido (presión constante).

e) Si una vez finalizada la evaporación se sigue transfiriendo calor al  vapor  de  agua,  entonces  la  temperatura  irá  aumentando hasta  alcanzar  el  estado  de  vapor sobrecalentado (recalentado)

Para fijar un estado de una sustancia pura es necesario conocer por lo menos dos propiedades intensivas o específicas independientes.

El  término Temperatura de Saturación designa  la  temperatura a  la cual se efectúa la evaporación a una presión dada, y esta presión se denomina Presión de Saturación.

Las  condiciones  de  presión  y  temperatura  en  que  dos  fases coexisten en equilibrio se denominan las condiciones de saturación.

• Propiedades de saturación. Tracemos el diagrama T-V para una presión de 1  atmósfera

                    T

                               Ts

a) Líquido  subenfriado.  El  líquido  se  encuentra  a  una  temperatura menor que la temperatura de saturación.

b) Líquido  saturado.  Es  el  líquido  que  se  encuentra  a  la  temperatura  de saturación.

c) Mezcla de líquido y vapor.

ab dc

e

V

P= c

d) Vapor saturado. Cuando la sustancia pura existe solamente como vapor a la temperatura y presión de saturación.e) Vapor sobrecalentado (recalentado). Es el vapor a una temperatura mayor que la de saturación. 

• Propiedades críticas. Si se repite la secuencia, pero a diferentes presiones, entonces  la  evaporación  tendrá  lugar  a  diferentes temperaturas, a mayor presión mayor temperatura de saturación y viceversa

Punto Crítico

PcrT

Tcrf

Líq+ vapor

f

V

Esquema de las isotermas de una sustancia pura en el diagrama P-v.

• El  punto  f(punto  de  inflexión)  se  le  conoce  como punto  crítico  y  al  mismo  corresponden  una temperatura  y  una  presión  única  que  se  conocen como  temperatura  crítica,  presión  crítica  y  volumen crítico.

En este punto las propiedades del líquido saturado y vapor saturado se confunden. Ejm para el agua Pcr = 22,09 Mpa , Tcr = 647,3 ºK, Vc=0,003155 m3/kg

• Punto Triple: (PT)

     Es una propiedad característica de las sustancias, en el cual coexisten  las tres  fases, es decir coexisten  los estados sólido líquido y gaseoso.

    La  presión  y  temperatura  del  punto  triple  tienen valores fijos para cada sustancia.

Características de ciertas sustancias puras

PUNTO TRIPLEPT

PUNTO CRITICOPC

AGUADIÓXIDO DE CARBONOHIDRÓGENONITRÓGENOOXIGENOPLATA

T(K)273.15216.51463.454.81233

P(bar)0.00615.1730.0720.1250.00150.0001

T(K)647.3304.233.3126.2154.8

P(bar)220.973.91333.950.8

• La cantidad de calor que se suministra para efectuar los diversos  cambios de  fase es  igual al  cambio de entalpía (también llamado calor latente)

• Entalpía de fusión: cambio de entalpía entre la fase sólida y una fase líquida.

• Entalpía de Evaporación: cambio de entalpía entre la fase líquida y una fase de vapor.

• Entalpía de sublimación: cambio de entalpía entre la fase sólida y una fase de vapor

SUPERFICIES TERMODINAMICAS(Diagrama P- v - T)

Proyecciones de la superficie P-v-T sobre los planos P-T y P-v.

P » 2 atm

ßTeb (agua) » 120ºC

P » 2 atm

ßTeb (agua) » 120ºC

PROPIEDADES DE UNA MEZCLA LÍQUIDO-VAPOR.

Toda mezcla de líquido-vapor en equilibrio necesariamente se encuentra a las condiciones de fases (presión y temperatura de saturación). En este caso la presión y temperatura no son propiedades independientes, por lo tanto es necesario dar alguna otra propiedad o parámetro que permita identificar un estado dado, Estas son:

a) Calidad o Título. (x). Es la cantidad de vapor existente respecto a la masa total de la mezcla líquido vapor.

m

mg totalmasa

saturado vapor de masax

m = mg + mf

Humedad. (y).    Es  la  cantidad  de  líquido  existente respecto a la masa total de la mezcla líquido-vapor

fgfgfg

gfgf

ffgf

fgf

fg

ff

vvvfasedecambiodelespecíficovolumenv

saturadovapordelespecíficovolumenvvvxvv

saturadolíquidodeespecíficovolumenvvyvv

totalespecíficovolumenvdondexvvv

tieneseTambién

yxoyxm

m

m

mcumpleseTambién

mezclalademasamsaturadoliquidodemasamm

my

)(

)1(

:

:

111:

Del  mismo  modo  ocurre  con  las  demás propiedades  extensivas  (energía  interna, entalpía y entropía), cuyas fórmulas serán: 

)/(

)/(

)/(

KkgJxsss

kgJxhhh

kgJxuuu

fgf

fgf

fgf

La calidad solo sirve cuando trabajamos dentro de la campana

Si un depósito está con la mitad de líquido y mitad vapor, entonces ¿la calidad será 50 % ?

Tablas de propiedades.

Las  propiedades  termodinámicas  de  fluidos  de  interés  técnico suelen  presentarse  de  tres  modos:  en  forma  gráfica (diagramas), en forma algebraica (ecuaciones de estado), o bien en forma de tablas para el cual Estudiaremos el caso del agua, por las siguientes razones:            

                       1.  El comportamiento es análogo en sustancias puras

           2.  Las tablas son similares en cuanto la forma de presentar los datos

           3.  La importancia del agua en los procesos térmicos 

Para  cada  sustancia  las  propiedades  termodinámicas se listan en más de una tabla, ya que se prepara una para  cada  región  de  interés,  como  las  de  vapor sobrecalentado,  de  líquido  comprimido  y  de saturación (mezcla).Cuando  se  examina  las  tablas  se  notará  dos  nuevas propiedades:  entalpia  h y  entropía  s. La  entropía  es una  propiedad  relacionada  con  la  segunda  ley  de  la termodinámica.

ENTALPÍA En el análisis de cierto tipo de procesos, particularmente en la generación de potencia y refrigeración, a menudo se encuentra la combinación de propiedades u+ Pv. Para simplificar y por conveniencia, esta combinación se define como una nueva propiedad llamada entalpía, que se representa mediante el símbolo h o H:

(entalpía específica)

(entalpía total)

kgkJvPuh

kJVPUH

a) Estados de líquidos saturado y de vapor saturado.      Las  propiedades  de  liquido  saturado  y  de  vapor saturado  para  el  agua  se  enumeran  en  dos  tipos  de tablas,  las  cuales  proporcionan  la  misma  información pero con la única diferencia que en una las propiedades se enumeran a partir de la temperatura y en la otra por la  presión,  por  lo  que  estas  se  usaran convenientemente de acuerdo a los datos dados en los ejercicios y problemas.

Uso de la tabla con entrada por temperatura

PresTemp. sat °C kPaT Psat

VOLUMEN ESPECIFICO ENERGIA INTERNA, kJ/kgm3/kg

Líquido                 Vapor       Líquido                     vapor      sat                           sat.             sat.       Evap          sat vf                             vg                       uf               ufg                    ug 

 

85 57,83 90 70,1495 84,55

0,001 033         2,828            355,82     2132,6     2488,40,001 036         2,361             376,82   2117,7      2494,50,001 040         1,982             397,86   2102,7      2500,6

Subíndice g (gas): propiedad de vapor saturado.

Subíndice f (fluido): propiedad de líquido saturado.

b) Vapor sobrecalentado o recalentado. En la región situada a la derecha de la línea de vapor saturado y a temperaturas superiores a la temperatura en el punto crítico, una sustancia existe como vapor sobrecalentado. Como la región sobrecalentada es de una sola fase (únicamente la de vapor), la temperatura y la presión ya no son propiedades dependientes y pueden usarse de manera conveniente como dos propiedades independientes en las tablas. 

T°C

P= .010 MPa (45,81) v u h S  

sat.50100 . . .1300

14.67414.86917.196    .    .    .72.602 

2437.92443.92515.5    .    .    .4683.7 

2584.725.92.62687.5    .    .    .5409.7

8.15028.17498.4479    .    .    .11.5811 

   

c) Líquido Comprimido.

Las  tablas para  líquido  comprimido no  son muy  comunes.  El  formato de  la tabla es muy similar al de  las de vapor  sobrecalentado. Una de  las  razones por  las  que  no  hay  datos  para  líquido  comprimido  es  la  relativa independencia de sus propiedades respecto a la presión. La variación de las propiedades de  líquido comprimido con  la presión es muy  ligera: aumentar 100 veces esta última ocasiona que las propiedades cambien menos de 1 por ciento.          A falta de datos para líquido comprimido, una aproximación general es considerar al líquido comprimido como un líquido saturado a la temperatura dada.  Esto  se  debe  a  que  las  propiedades  del  líquido  comprimido  tienen mayor dependencia de la temperatura que de la presión.    

EJEMPLOS

1.  Un recipiente que tiene un volumen de 0,4 m3, contiene 2 kg de una mezcla  de  agua  líquida  y  vapor  de  agua  a  una  presión  de  600  kPa. Determina    :  a)  La  calidad      b)  El  volumen  y  la masa  del  vapor    c)  el volumen y la masa del líquido.

2.     4 kg de agua se calientan a una presión de 200kPa para producir una mezcla  con una  calidad de  0,8. Determina  el  volumen final  ocupado por la mezcla

3. Determine  el  estado  del  agua,  a  una  temperatura  de  200  oC  y  una Presión de 1 Mpa.

4. Determina    el  volumen  específico,  la  energía  interna,    entalpìa    y entropía del agua a 0,1 MPa  y 200 oC