TEMA 2

SUSTANCIA PURAS

Sustancia Pura

 Es toda sustancia que tiene su composición química homogénea e invarianteEjemplo: el agua, el nitrógeno, el oxígeno, el amoníaco y muchos mas.La sustancia pura puede presentarse en distintas fases: sólido, líquido y gaseosa. Dependiendo de los valores de presión y temperatura una sustancia puede estar como sólido, líquido o vapor o presentarse en dos o tres fases a la vez.

Equilibrio de fase

Los estados de equilibrio de una sustancia simple compresible pueden representarse como una superficie en un espacio tridimensional

•Las fases sólida, líquida y gaseosa (vapor) aparecen sobre la superficie como regiones.

•El estado en esas regiones monofásicas se especifica mediante los valores de dos cualesquiera de las tres propiedades P, v yT.

•Regiones monofásicas están separadas,en la superficie, por regiones bifásicas que representan los cambios de fase.

•Cualquier estado representado por un punto sobre la línea de separación de una región monofásica de otra bif

•La línea curva que separa la región líquida de la región líquido-vapor, línea a-m-c, se conoce como línea de líquido saturado.

•Los estados representados sobre la curva c-n-b son estados de vapor saturado.

•El punto donde las líneas de líquido saturado y de vapor saturado se juntan se llama punto crítico. Las tres propiedades de interés Pc, Vc,Tc.

(Una sustancia cuya temperatura sea mayor que su temperatura crítica no será capaz de condensar a la fase líquida, independientemente de cuán alta sea la presión que se ejerce sobre ella.)

•Otro estado único de la materia. Está representado por la línea paralela al plano Pv y señalado como estado triple.

•Como el término implica, en este estado coexisten en equilibrio las tres fases. El estado triple, o punto triple en esta figura corresponde al equilibrio entre un sólido (estado d ), un líquido (estado a) y un gas (estado b).

•Las superficies sólido-líquido y sólido-vapor de se muestran como la curva de fusión (o curva de congelación) y la curva de sublimación, respectivamente.

•La línea a trazos representa la curva de fusión (congelación) de una sustancia que, como el agua, se expansiona al congelarse.

•Mientras que las regiones bifásicas aparecen como líneas en un diagrama PT, las regiones monofásicas lo hacen como áreas.

Un estado representado por un punto en la región líquido-vapor (región húmeda), tal como el x, es una mezcla de líquido y vapor saturados.Se observa que durante la evaporación la P y T son ctes pero el v aumenta.

X se denomina “Calidad”

X = mg/ (mg +mf)

X= 0 % X= 100 %

Propiedades independientes de una sustancia pura

Es una razón importante para introducir el concepto de una sustancia pura es que el estado de una sustancia pura, comprensible, simple (es decir una sustancia pura en ausencia de movimiento, gravedad y efectos de superficie, magnéticos o eléctricos) se define por dos propiedades independientes. Por ejemplo, si se especifican la temperatura y el volumen especifico del vapor sobrecalentado, se determina el estado del vapor

Para comprender la importancia del término propiedad independiente, considérese los estados de líquido saturado y vapor saturado de una sustancia pura. Estos dos estados tienen la misma presión y la misma temperatura, pero definitivamente no son el mismo estado. Por lo tanto, en un estado de saturación, la presión y la temperatura no son propiedades independientes. Para especificar el estado de saturación de una sustancia pura se requieren dos propiedades independientes como la presión y el volumen específico, o la presión y la calidad

     Para una masa de control difásica, la calidad varía desde 0, cuando la masada control está compuesta únicamente de líquido saturado, hasta 1, cuando está constituida únicamente por vapor saturado. Con frecuencia, la calidad también se expresa como un porcentaje. Obsérvese que la calidad sólo está definida para la mezcla difásica constituida por líquido y vapor. El volumen del sistema a lo largo de la línea difásica es: V= Vliq+ Vvap Si consideramos una masa m que tiene una calidad x. La expresión anterior definirá el volumen o sea la suma del volumen del líquido y el volumen del vapor. En términos de la masa, la ecuación anterior se puede escribir en la forma mv = m liq v liq + m vap v vap. Ya se había definido v f, para referirnos al volumen especifico del liquido saturado y v g , para el volumen especifico del vapor saturado, ahora bien la diferencia entre estos dos v g - v f , representa el incremento en volumen especifico cuando el estado cambia de liquido saturado a vapor saturado y de identifica como v fg 

Ecuaciones de estado para la fase vapor

A partir de observaciones experimentales se ha establecido que el comportamiento, según las propiedades P, v y T, de gases a baja densidad, esta representado muy aproximadamente por la siguiente ecuación de estado.Pv = RgTen donde, Rg= Ru/M.en que Rg del gas, M el peso molecular y Ru es la constante universal de logases. El valor de Ru depende de las unidades elegidas para P, v y T. Los valores que se usarán más frecuencia en este texto son: Ru= 848 kgfm/kgmol ºK = 1545 pies lbf/lbmol ºR = 1.987 Btu/lbmol ºR

Es cuando el Número de mach es mayor que " 0.3" por lo cual se presenten variaciones apreciables de densidad. Cuando ocurre lo anterior quiere decir que las variaciones de las presiones y temperaturas también son significativas. Esas grandes variaciones de temperatura implica que las ecuaciones de la energía siguientes no se pueden despreciar:

Estas ecuaciones se resuelven simultáneamente para obtener las cuatro incógnitas siguientes:1.- Presión2.- Densidad3.- Temperatura4.- Velocidad

Superficie Termodinámica

         El tema que se trata en este capítulo se puede resumir adecuadamente al considerar una superficie de presión volumétrica especifico - temperatura. En la imagen se muestra una sustancia como el agua donde el volumen especifico disminuye durante la congelación, y en otra el proceso contrario, donde el volumen aumenta durante el proceso de congelación.

En estos diagramas la presión, el volumen especifico y la temperatura se grafican sobre coordenadas mutuamente perpendiculares y así, cada posible estado de equilibrio está representado por un punto sobre la superficie.