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1 Preparado por: Ing. Gustavo Adolfo Moreno Rodríguez Propiedades de la sustancia pura. 1.1 Definición de Termodinámica. La termodinámica es una ciencia experimental, la cual se desarrolló a partir de trabajos realizados por científicos e ingenieros tales como: Boyle, Rumford, Joule, Kelvin, Carnot, Fahrenheit, Clausius, Rankine, Brayton, Thompson, Watt… por mencionar algunos. Es hasta el siglo diecinueve que adquiere carácter de ciencia. Actualmente, podemos definir la termodinámica de una manera sencilla como: la rama de la Física que estudia las relaciones entre el calor y las demás formas de energía. 1.2 Puntos de vista macroscópico y microscópico de la Termodinámica. En ingeniería se trata, en general, con sistemas que pueden ser descritos y analizados en cuanto a las transformaciones y transferencias de energía por medio de unas cuantas propiedades macroscópicas tales como la presión, la temperatura, la densidad, etc… Estas cantidades son el resultado promedio global del movimiento de las moléculas constituyentes de la materia, la cual bajo este enfoque se considera como continua. Este punto de vista es el que corresponde a la termodinámica clásica o ingeniería termodinámica. Por otra parte, cuando el estudio de un sistema requiere analizar el comportamiento ‘individual’ de las partículas constituyentes de la materia es necesario entonces recurrir a los métodos de la termodinámica estadística, la cual se basa en la teoría cinética molecular. En este curso, la manera en que describiremos el comportamiento de un sistema es con el punto de vista macroscópico de la termodinámica clásica. Por ejemplo; al considerar la presión que un gas ejerce en su recipiente, no nos concierne atender a la acción individual de las moléculas, sino la fuerza ejercida en un área dada, en un tiempo promedio, la cual puede medirse con un manómetro. En vista de este enfoque trataremos la sustancia como continua, pero debemos tener presente sí, que el concepto del ‘continuo’ pierde validez cuando el camino libre de las moléculas en su recorrido es comparable a las dimensiones del recipiente tal como sucede, por ejemplo, en la tecnología del alto vacío. 1.3 Sistemas termodinámicos. El término sistema se refiere a una cantidad de materia definida, limitada por alguna superficie cerrada. La superficie puede ser real (como la de un tanque que contenga oxígeno comprimido), o puede ser imaginaria como el límite de cierta masa de líquido que circula a lo largo de una tubería, cuyo proceso se sigue mentalmente. Hay tres tipos de sistemas termodinámicos:

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Preparado por: Ing. Gustavo Adolfo Moreno Rodríguez

Propiedades de la sustancia pura.

1.1 Definición de Termodinámica.

La termodinámica es una ciencia experimental, la cual se desarrolló a partir de

trabajos realizados por científicos e ingenieros tales como: Boyle, Rumford, Joule,

Kelvin, Carnot, Fahrenheit, Clausius, Rankine, Brayton, Thompson, Watt… por

mencionar algunos. Es hasta el siglo diecinueve que adquiere carácter de ciencia.

Actualmente, podemos definir la termodinámica de una manera sencilla como: la rama de

la Física que estudia las relaciones entre el calor y las demás formas de energía.

1.2 Puntos de vista macroscópico y microscópico de la Termodinámica.

En ingeniería se trata, en general, con sistemas que pueden ser descritos y analizados

en cuanto a las transformaciones y transferencias de energía por medio de unas

cuantas propiedades macroscópicas tales como la presión, la temperatura, la

densidad, etc… Estas cantidades son el resultado promedio global del movimiento de

las moléculas constituyentes de la materia, la cual bajo este enfoque se considera

como continua. Este punto de vista es el que corresponde a la termodinámica clásica

o ingeniería termodinámica.

Por otra parte, cuando el estudio de un sistema requiere analizar el comportamiento

‘individual’ de las partículas constituyentes de la materia es necesario entonces

recurrir a los métodos de la termodinámica estadística, la cual se basa en la teoría

cinética molecular.

En este curso, la manera en que describiremos el comportamiento de un sistema es

con el punto de vista macroscópico de la termodinámica clásica. Por ejemplo; al

considerar la presión que un gas ejerce en su recipiente, no nos concierne atender a

la acción individual de las moléculas, sino la fuerza ejercida en un área dada, en un

tiempo promedio, la cual puede medirse con un manómetro. En vista de este enfoque

trataremos la sustancia como continua, pero debemos tener presente sí, que el

concepto del ‘continuo’ pierde validez cuando el camino libre de las moléculas en su

recorrido es comparable a las dimensiones del recipiente tal como sucede, por

ejemplo, en la tecnología del alto vacío.

1.3 Sistemas termodinámicos.

El término sistema se refiere a una cantidad de materia definida, limitada por alguna

superficie cerrada. La superficie puede ser real (como la de un tanque que contenga

oxígeno comprimido), o puede ser imaginaria como el límite de cierta masa de líquido

que circula a lo largo de una tubería, cuyo proceso se sigue mentalmente.

Hay tres tipos de sistemas termodinámicos:

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1.3.1 Sistema aislado.

Se llama así a un sistema que no intercambia ni sustancia ni energía con el resto

del universo. Es decir, un sistema aislado no recibe influencia alguna del exterior

(ni energía ni masa cruzan los límites del sistema).

1.3.2 Sistema cerrado.

Es aquel que puede intercambiar energía en forma de calor o trabajo con el medio,

pero no fluye masa a través de sus límites.

1.3.3 Sistema abierto o volumen de control.

Es aquel sistema capaz de intercambiar tanto energía como sustancia con el

medio que lo rodea.

1.4 Propiedades termodinámicas.

Una propiedad es una magnitud mesurable que sirve para describir un sistema. Así

por ejemplo, son propiedades la presión, la temperatura, el volumen específico, etc…

Las propiedades definen el estado de un sistema y tienen un solo valor definido para

un estado dado, por eso una propiedad puede definirse como una cantidad que

depende del estado del sistema y es independiente de la trayectoria por la cual el

sistema llegó a ese estado.

Las propiedades de una sustancia pueden dividirse en cuatro clases generales:

Intensivas.

Son las propiedades que no dependen de la masa, tales como: la presión, la

temperatura, la densidad.

Extensivas.

Varían directamente con la masa: el volumen, la masa, la energía cinética, la

cantidad de movimiento, etc…

Específicas.

Si una propiedad extensiva se divide por la masa, se obtiene una propiedad que

no depende de la cantidad de masa, y se denomina específica. Como ejemplo, el

volumen específico, el cual se define como el volumen por unidad de masa.

Molares.

Si un propiedad extensiva se divide por el número de moles de sustancia, se

obtiene una propiedad específica molar; por ejemplo, el volumen específico molar.

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1.5 Sistemas de unidades.

La tendencia en el mundo es que todos los países utilicen un solo sistema de

unidades llamado Sistema Internacional (SI), sin embargo aún se utilizan unidades del

sistema inglés (SU), y es por ello que haremos, en nuestro estudio de la

termodinámica, uso también de este sistema.

1.5.1 El Sistema Internacional (SI).

En este sistema hay siete unidades fundamentales: el metro ( longitud), el

kilogramo (masa), el segundo (tiempo), el kelvin (temperatura), el mol (cantidad de

sustancia), el ampere (intensidad de corriente eléctrica) y la candela (intensidad

luminosa). En termodinámica usaremos con frecuencia las primeras cinco. Todas

las demás unidades se derivan de éstas siete. Por ejemplo, la unidad de fuerza, el

newton, se deriva por medio de la segunda ley de Newton

F = m.a

1N = (1Kg)(1m/s2)

Así, un Newton se define como la fuerza que aplicada sobre una masa de 1

kg, le imprime a ésta una aceleración de 1 m/s2.

Se dice que las unidades del SI forman un sistema absoluto de unidades, pues al

escoger la masa como unidad fundamental las mediciones son independientes de

la localización donde se realicen. Pueden usarse en cualquier parte sobre la

Tierra o en cualquier otro planeta. Siempre tienen el mismo significado.

1.5.2 El Sistema Inglés (SU de ‘Standar Units’).

En este sistema, la fuerza, cuya unidad es la libra (lb), es una de las unidades

fundamentales y la unidad de masa, el slug (del inglés sluggish, lento), se deriva

por medio de la segunda ley de Newton:

1 lb = (1 slug)(1 pie/s2)

De donde: 1 slug = 1 lb.s2/pie

Así, un slug, es la masa que adquiere una aceleración de 1 pie/s2 cuando actúa

sobre ella una fuerza de 1 lb.

En Estados Unidos y otros países que aún usan unidades inglesas, es común usar como

unidad de masa la libra estándar (o libra-masa, abreviado lbm), la cual se define como

0.45359243 kg y es la masa de un estándar de platino que se guarda en el National

Bureau of Standars en Washington. La libra (fuerza) se define entonces como el peso de

ese estándar de platino. Como el peso de un cuerpo depende de la atracción

gravitacional de la Tierra, se especifica que la libra estándar debe ser colocada a nivel del

mar y a una latitud de 45° para definir correctamente una fuerza de una libra.

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1.6 Presión.

La presión se define como la razón entre la fuerza normal (perpendicular) que ejerce

una sustancia sobre una superficie y el área de esa superficie.

𝑝 =𝐹

𝐴 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1.6 − 1

Donde: F = fuerza normal, A = área

Las unidades para la presión se indican en el cuadro siguiente:

Sistema Unidad Símbolo Observaciones

SI N/m2 = pascal Pa 1 kPa = 103 Pa (kilopascal)

1 MPa = 106 Pa (megapascal)

SU lb/pul2 Psi psi: pounds per square inch (libras

por pulgada cuadrada).

1.6.1 Variación de la presión con la altura.

Considere un líquido contenido en un recipiente. La presión en un punto situado a la

profundidad “h” está dada por

𝑃 = 𝑃𝑆 + 𝜌𝑔ℎ 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1.6.1 − 1

Donde P = presión total que ejerce el líquido a la profundidad “h”, PS = presión en la

superficie del líquido, 𝜌 = densidad del líquido, h = distancia desde la superficie libre

del líquido hasta el punto considerado (profundidad) y g = 9.81 m/s2 = 32.2 pies/s2

(valor de la aceleración gravitacional a nivel del mar, a menos que se especifique otro

valor).

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Solución:

h = 90(sen 30˚) = 45 cm = 0.45 m

Presión en el fondo:

P = 𝜌𝑔ℎ = (1000)(9.81)(0.45) =

4414.5 Pa.

Figura 1.6.1-1: La presión en función de la profundidad.

Observe que la presión sólo depende de la profundidad y de la densidad del líquido,

no depende de la posición horizontal.

Ejemplo 1. Calcúlese la presión en el fondo de la probeta mostrada, si ésta

contiene agua.

Datos: 𝜌 = 1000 kg/m3, g = 9.81 m/s2

Recuerde que: 1 N = 1 (kg*m/s2) y 1 Pa = 1 N/m2

1.6.2 Presión absoluta.

La presión que ejercen líquidos y gases, es el resultado de la interacción de sus

moléculas componentes con las paredes del recipiente que los contiene. Si las

moléculas no estuvieran en movimiento, o no hubieran moléculas, no habría

presión y esta situación representaría el “cero absoluto” para la presión. Se

llama presión absoluta a la presión total con respecto a ese cero absoluto.

La presión en el punto A de la figura es:

𝑃𝐴 = 𝑃𝐵 + 𝜌𝑔ℎ

PB es la presión en la superficie del líquido y se toma

como cero si el recipiente está abierto a la atmósfera. El

segundo término del miembro derecho de la ecuación es

la presión que ejerce la columna de líquido en el punto A.

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1.6.3 Presión atmosférica.

La mezcla de gases (aire), que componen la atmósfera de la Tierra ejerce

presión sobre los cuerpos inmersos en ella. A esta presión se denomina

presión atmosférica (o barométrica), la cual se mide con un aparato llamado

barómetro (como el ilustrado en la Figura 1.6.3-1).

Con el barómetro la presión se mide en términos de columna de algún líquido,

generalmente mercurio. De este modo, la presión atmosférica se expresa en

“mm de mercurio” o “pulgadas de mercurio”, etc…

La presión atmosférica estándar (a nivel del mar), tiene los siguientes

valores:

1 atm = 760 mm-Hg = 29.92 pul-Hg = 101.3 kPa = 14.69 psi

Figura 1.6.3-1: Barómetro

1.6.4 Presión manométrica.

La mayoría de los dispositivos empleados para medir presión, miden en realidad

la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica. El resultado

obtenido se conoce como presión manométrica.

La Figura 1.6.4-1 ilustra la relación entre las presiones manométrica,

atmosférica y absoluta:

𝑝𝑎𝑏𝑠 = 𝑝𝑎𝑡𝑚 + 𝑝𝑚𝑎𝑛 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1.6.4 − 1

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Figura 1.6.4-1: Presiones absoluta, atmosférica y manométrica.

1.7 Temperatura.

La temperatura también es una propiedad relacionada con el movimiento de las moléculas

y para definirla correctamente se debe echar mano del comportamiento de la materia a

nivel microscópico.

Como se anotó antes, en el estudio de la termodinámica clásica sólo interesa el punto de

vista macroscópico. Así pues, no definiremos la temperatura, pero sí se puede definir la

igualdad de temperatura entre dos cuerpos. La ley que permite definir la igualdad de

temperatura se denomina ley cero de la Termodinámica.

1.7.1 Ley cero de la Termodinámica.

Dos cuerpos en contacto térmico tienen igualdad de temperatura cuando no hay

cambios en ninguna propiedad observable (tal como la resistencia eléctrica, la longitud

o el volumen, etc…).

La ley cero de la termodinámica establece que:

“cuando dos cuerpos tienen igualdad de temperatura con un tercero, los dos tienen

igualdad de temperatura entre sí”.

Esta ley es realmente la base de la medición de temperatura, porque cada vez que un

cuerpo tenga igualdad de temperatura con el termómetro calibrado, podemos decir que el

cuerpo tiene la temperatura que leemos en el termómetro.

1.7.2 Escalas de temperatura.

Las escalas de temperatura se definen “…entre dos puntos fijos fácilmente reproducibles,

el hielo y el agua se encuentran en equilibrio a la presión de 101 kPa; el punto de vapor

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se obtiene cuando el agua líquida y su vapor están en equilibrio a 101 kPa…” (Potter,

2004).

Las escalas diseñadas considerando esos dos puntos fijos son la escala Celsius y la

escala Fahrenheit, en el cuadro siguiente se anotan los valores asignados en cada una.

Escala Punto de hielo Punto de vapor Divisiones

Celsius 0 100 100

Fahrenheit 32 212 180

La relación entre ambas escalas es la siguiente:

𝑇𝐹 = 1.8 ∗ 𝑇𝐶 + 32 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1.7.2 − 1

Donde: TF = temperatura en grados Fahrenheit

TC = temperatura en grados Celsius.

Escalas absolutas

Las escalas absolutas son la Kelvin y la Rankine, éstas se relacionan con las escalas

relativas vistas anteriormente por:

𝑇𝐾 = 𝑇𝐶 + 273.15 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1.7.2 − 2

𝑇𝑅 = 𝑇𝐹 + 459.67 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1.7.2 − 3

Ejemplo 2.

El pronóstico del clima dice que la temperatura promedio será de 79 °F. Expresar esa

temperatura en °C, K y °R.

Solución:

𝑇𝐶 =𝑇𝐹 − 32

1.8=

79 − 32

1.8= 26.11

𝑇𝐾 = 26.11 + 273.15 = 299.26

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𝑇𝑅 = 79 + 459.67 = 538.67

1.8 Fases de una sustancia.

1.8 Fases y estados de la sustancia.

Fase.

Una fase está definida como una cantidad de materia homogénea en todas sus partes.

Cuando están presentes varias fases, las fases están separadas por los límites de

fase.

Figura 1.8-1: Sistema de tres fases.

Estado.

El estado de una sustancia está determinado por propiedades como la temperatura, la

presión y la densidad. Cada una de las propiedades en un estado cualquiera tiene un

solo valor definido, y tendrá siempre el mismo valor para ese estado sin importar cómo

la sustancia alcanzó ese estado.

Las cantidades cuyos valores determinan el estado de un sistema se llaman

coordenadas termodinámicas o variables de estado.

Al número mínimo de propiedades que deben especificarse para fijar el estado de la

sustancia se denomina propiedades independientes.

Una sustancia puede estar en una fase y en distintos estados. Así, por ejemplo, el

agua a 25 °C y 1 atm de presión está en fase líquida. Si se aumenta la temperatura a

28 °C a la misma presión, siempre estará en fase líquida pero habrá cambiado el

estado pues cambió el valor de una de las propiedades.

1.9 Equilibrio.

Un sistema está en equilibrio cuando el valor de una propiedad es el mismo en todo el

sistema.

Equilibrio térmico: si la temperatura es la misma a través de todo el sistema.

Equilibro mecánico: la presión es la misma en todo el sistema.

𝑇𝐾 = ℃ + 273 ; °𝑅 = ℉ + 460

En general, es suficiente utilizar las conversiones con tres cifras significativas. Por lo cual:

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Equilibrio termodinámico: cuando el sistema está en equilibrio en relación con

cualquier posible cambio de estado.

1.10 Proceso.

Siempre que una o más de las propiedades de un sistema cambien, diremos que ha

ocurrido un cambio de estado. La trayectoria de la sucesión de estados por los que

pasa el sistema se llama proceso.

De acuerdo con la propiedad que permanezca sin cambio, los procesos se

denominan:

Proceso isotérmico: el que ocurre a temperatura constante.

Proceso isobárico: ocurre a presión constante.

Proceso isócoro (isocórico o isométrico): ocurre a volumen constante.

Proceso cuasi-equilibrio.

En termodinámica se trata con procesos en equilibrio; pero, en la práctica lo usual es

que los cambios de estado ocurran en desequilibrio.

Muchas situaciones, sin embargo, se pueden modelar como si se tratara de procesos

en equilibrio dado que los cambios de las propiedades ocurren muy lentamente o son

pequeños.

Un proceso ideal en el cual los cambios de las propiedades son tan pequeños (o

lentos) que puede considerarse que todos los estados por los que pasa el sistema son

estados de equilibrio se llama proceso cuasiequilibrio.

1.11 Ciclo.

Si un sistema a partir de un estado inicial dado pasa por varios cambios y finalmente

vuelve al estado inicial se dice que ha experimentado un ciclo.

1.12 Sustancia pura.

La sustancia pura se define como aquella que tiene una composición química

homogénea e invariable. Puede existir en más de una fase, pero su composición

química es la misma en todas sus fases.

Por ejemplo; el agua líquida, una mezcla de agua líquida y vapor, una mezcla de hielo

y agua líquida. En los tres casos se trata de sustancias puras, pues para cada fase

tienen la misma composición química.

1.13 Sustancia simple compresible.

Se denomina así a una sustancia en la cual los efectos magnéticos, eléctricos, de

superficie (tensión superficial), no tienen importancia.

Al sistema que consta de una sustancia simple compresible se le llama sistema simple

compresible.

1.14 Fases y estados de saturación.

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Considérese como sistema cierta masa de agua contenida en un cilindro, como se

muestra en la Figura 1.14.1. El émbolo y las pesas mantienen la presión constante.

Cuando se transmite calor al agua, la temperatura aumentará en forma considerable,

el volumen aumenta ligeramente y la presión permanece constante (1).

Si la presión es igual a la atmosférica, cuando la temperatura alcanza los 100 °C, el

agua comenzará a vaporizarse (ebullición), en este punto la adición de calor no

producirá aumento en la temperatura (calor latente) pero el volumen aumentará

considerablemente (2).

Cuando toda el agua se ha vaporizado, el suministro de calor se traduce en aumento

de la temperatura y del volumen del vapor (3).

Figura 1.14-1: Cambio de fase en una sustancia simple compresible.

Temperatura de saturación: es la temperatura a la cual se efectúa la vaporización a

una presión dada.

Presión de saturación: es la presión a la cual se produce la vaporización para una

temperatura dada.

Así, por ejemplo, para el agua a 100 °C la presión de saturación es 101.3 kPa

(atmosférica a nivel del mar). También podemos decir que, para el agua a una

presión de 101.3 kPa, la temperatura de saturación es de 100 °C.

Para una sustancia pura existe una relación definida entre la presión de saturación y la

temperatura de saturación. La curva que representa esta relación se llama curva de

presión de vapor (ver Figura 1.14-2).

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Figura 1.14-2: Curva de presión de vapor para el agua.

Nota: en la Figura 1.14-2, que muestra la curva de presión versus temperatura para el

agua, la unidad de presión llamada torr es equivalente a mm de mercurio

1.14.1 Diagrama T-v.

El experimento descrito anteriormente se representa en un diagrama T-v

(temperatura-volumen específico), como se muestra en la Figura 1.14.1-1

Al punto en el que comienza la vaporización (4) se le llama líquido saturado y donde

termina la vaporización (5) se denomina vapor saturado. Estos estados se definen de

la siguiente manera:

Líquido saturado: la sustancia está en forma líquida a la presión y temperatura de

saturación.

Vapor saturado: si la sustancia está en la fase de vapor a la presión y temperatura de

saturación.

Los estados de líquido saturado y vapor saturado definen tres regiones en el

diagrama, las cuales son:

Líquido sub-enfriado o comprimido: si la temperatura es menor que la de saturación a

la presión dada se llama líquido sub-enfriado; y, si la presión es mayor que la de

saturación a la temperatura dada se denomina líquido comprimido.

Mezcla saturada: es un sistema bifásico compuesto por líquido y vapor a la presión y

temperatura de saturación.

Vapor sobrecalentado: se llama así al vapor que está a una temperatura mayor que la

de saturación a la presión dada (las sustancias que llamamos gases son vapores

altamente sobrecalentados).

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Figura 1.14.1-1: Cambios de fase en un diagrama T-v.

Al realizar el experimento descrito a distintas presiones, se obtiene el diagrama

mostrado en la Figura 1.14.1-2.

En el punto crítico son idénticos el líquido saturado y el vapor saturado. En un

proceso a presión constante, a una presión mayor que la crítica nunca estarán

presentes dos fases, sino que habrá un cambio continuo de densidad y en todo tiempo

estará presente una sola fase; en estas condiciones la sustancia se llama

simplemente un fluido.

Figura 1.14.1-2: Diagrama T-v

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1.14.2 Calidad.

Cuando existe alguna sustancia una parte en forma líquida y otra como vapor a la

temperatura de saturación, se define su calidad como la proporción de la masa de

vapor a la masa total. En forma de ecuación:

𝑥 =𝑚𝑔

𝑚 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1.14.2 − 1

𝑚 = 𝑚𝑔 + 𝑚𝑓 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1.14.2 − 2

En las cuales: mg es la masa de vapor, mf es la masa de líquido y m es la masa total.

Se obtiene la relación entre volumen específico de la mezcla y los volúmenes

específicos del líquido y del vapor, partiendo de que:

𝑉 = 𝑉𝑓 + 𝑉𝑔

El volumen total es la suma del volumen de líquido y el volumen de vapor, ahora se

sustituye que:

𝑉 = 𝑚𝑣 → 𝑚𝑣 = 𝑚𝑓𝑣𝑓 + 𝑚𝑔𝑣𝑔

Se divide a ambos lados por la masa:

𝑣 =𝑚𝑓

𝑚𝑣𝑓 +

𝑚𝑔

𝑚𝑣𝑔

Pero: 𝑚𝑓 = 𝑚 − 𝑚𝑔

𝑣 =𝑚 − 𝑚𝑔

𝑚𝑣𝑓 +

𝑚𝑔

𝑚𝑣𝑔 = (1 −

𝑚𝑔

𝑚) 𝑣𝑓 +

𝑚𝑔

𝑚𝑣𝑔

𝑣 = 𝑣𝑓 −𝑚𝑔

𝑚𝑣𝑓 +

𝑚𝑔

𝑚𝑣𝑔 = 𝑣𝑓 +

𝑚𝑔

𝑚(𝑣𝑔 − 𝑣𝑓)

Finalmente:

𝑣 = 𝑣𝑓 + 𝑥(𝑣𝑔 − 𝑣𝑓) 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1.14.2 − 3

Donde: v = volumen específico de la mezcla, vf = volumen específico del líquido, vg =

volumen específico del vapor y x = calidad o título del vapor.

Ejemplo 3.

Calcule el volumen específico de una mezcla de líquido y vapor en equilibrio a 200 °C que

tiene una x = 70%.

Solución: de las tablas del vapor de agua (Tabla de temperaturas), obtenemos que a la

temperatura de 200 °C

Psat = 1.554 MPa

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vf = 0.001156 m3/kg

vg = 0.1274 m3/kg.

Aplicando la Ecuación 1.14.2-3, se obtiene:

𝑣 = 𝑣𝑓 + 𝑥(𝑣𝑔 − 𝑣𝑓) = 0.001156 + 0.7(0.1274 − 0.001156)

𝑣 = 0.0895𝑚3

𝑘𝑔

Actividades.

N°1: Responda el siguiente cuestionario.

1. Establezca la diferencia entre los puntos de vista macroscópico y microscópico.

2. Haga un dibujo que represente los distintos tipos de sistemas termodinámicos.

3. Escriba a qué clase de propiedades corresponden las siguientes:

A) Energía cinética.

B) Presión.

C) Volumen específico.

D) Densidad.

E) Energía potencial.

F) Volumen.

4. Explique las definiciones del newton y del slug.

5. ¿Puede una sustancia pura existir en distintos estados en una sola fase? ¿Por

qué si o por qué no?

6. ¿Cuándo se dice que un sistema está en equilibrio?

7. Anote el nombre que recibe cada proceso:

a) Proceso durante el cual no cambia la presión:

b) Proceso a volumen constante:

c) Proceso sin variación de temperatura:

8. Defina proceso cuasiequilibrio.

9. Explique, utilizando un dibujo, la ley cero de la Termodinámica.

10. Defina temperatura de saturación y presión de saturación.

11. Según la curva de presión de vapor para el agua, mostrada a continuación, ¿cuál

sería aproximadamente la presión de saturación a la temperatura de 125 °C?

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Curva de presión de vapor para el agua.

12. Defina cada uno de los estados siguientes:

a) Líquido saturado:

b) Vapor saturado;

13. Defina cada una de las fases siguientes:

a) Líquido subenfriado:

b) Líquido comprimido:

c) Vapor sobrecalentado:

14. La calidad de una sustancia pura se expresa como x = (mg/m), explique su

significado.

N°2: Con base en el diagrama T-v mostrado en la figura, responda falso o verdadero

a) Para el proceso 2-5-3 la temperatura es constante ______________________

b) En el estado 4 la sustancia existe como líquido saturado __________________

c) En el estado 1 la sustancia está como mezcla líquido-vapor _______________

d) La trayectoria de estados desde 1 hasta 3, es una isoterma _______________

e) La presión en el estado 3 es mayor que en el estado 1 ___________________

f) La calidad del estado 3 es mayor que la del estado 2 ____________________

g) En el punto 5 inicia la vaporización ___________________________________

h) La temperatura de saturación a la presión indicada es de 100 °C ___________

i) La calidad se define entre los estados 4 y 5 ____________________________

j) La mezcla saturada se compone de líquido y vapor sobrecalentado _________

Page 17: Propiedades de la sustancia pura....El estado de una sustancia está determinado por propiedades como la temperatura, la presión y la densidad. Cada una de las propiedades en un estado

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Preparado por: Ing. Gustavo Adolfo Moreno Rodríguez

Cambios de fase en un diagrama T-v.