Propiedades Residuales
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Propiedades Residuales.
PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE FLUIDOS
Que tal amigos, en la sección anterior se explicó en forma aplicada los procesos termodinámicos, para ello use un modelo muy usual en la industria petrolera, tal como es una bomba neumática.
En esta ocasión hablaremos acerca de las propiedades termodinámicas de fluidos, para los cuales haré mención de los fluidos usuales dentro de la industria petrolera, ya que son los componentes que se encuentran frecuentemente.
En ingeniería de Proceso es muy interesante conocer cómo se determinan las propiedades de sólidos, líquidos y gases para aplicar las Leyes de la Termodinámica.
Las propiedades termodinámicas son características que se pueden observar, medir o cuantificar en las sustancias. La cantidad y tipo de propiedades que se puedan establecer para un sistema dependen del tipo de observación que se halla establecido para el análisis del sistema. Por ejemplo si el enfoque usado es el macroscópico se pueden establecer propiedades como temperatura, presión, energia, energía interna y entalpía y otras, que de ningún modo serían establecidas utilizando el enfoque microscópico.
Dichas propiedades se clasifican como extensivas o intensivas dependiendo de su comportamiento al variar la extensión o la masa del fluido.Algunas propiedades se cuantifican para toda la cantidad de materia en el sistema, es decir para su extensión, como el volumen total que ocupa, la energía que contiene internamente, incluso la materia (mol) o su masa (m). Estas propiedades que cambian de valor al cambiar la extensión del sistema son denominadas extensivas.
Otras propiedades no dependen de la cantidad total de masa en el sistema ni cambian con el cambio en su extensión, pero si indican su repetibilidad en cada unidad de extensión del sistema; en la mayoría de las ocasiones, indican la intensidad con que se presenta una propiedad extensiva. Estas son llamadas propiedades intensivas y entre ellas se tienen la presión, la temperatura y todas las propiedades por unidad de masa (especificas) como la gravedad específica. Debido a que estas propiedades intensivas son invariantes con la extensión del sistema, permiten establecer relaciones directas con el estado de las sustancias.
Hay tres formas usuales para conocer estas propiedades
1) Tablas de propiedades2) Figuras y Diagramas Termodinámicos3) Correlaciones y Ecuaciones
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Las principales propiedades que debemos analizar y determinar para aplicaciones en ingeniería son mostradas en la Tabla 1.
Tabla 1: Algunas propiedades físicas termodinámicas
Tabla 2 : Tabla de propiedades básicas de los elementos comunes encontrados en la exploración y explotación de pozos petroleros.
Click para descargar tabla 2 (http://rapidshare.com/files/208820120/Propiedades.pdf.html)
Nota: Los datos de la tabla anterior están referido a condiciones estándar (14.7 Psia @ 60°F)
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PRESIÓN DE VAPOR
Esta es la presión a una temperatura dada a la que dos fases pueden coexistir en equilibrio (por un periodo “largo”). Los ingenieros de diseño (INGENIERIA DE PROCESO) debemos tener claro los conceptos de presión de vapor sobre líquidos, presión de saturación y presión de vapor sobre sólidos (presión de sublimación).
Fig. 1 Diagrama PT de una sustancia pura
La presión de vapor de un líquido puede calcularse utilizando la ecuación de Antoine modificada.
La ecuación es:
P: KpaT: °K
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Tabla 3 : Coeficientes de Antoine.
Click para descargar tabla 3 (http://rapidshare.com/files/208823655/Antoine.pdf.html)
PUNTO CRÍTICO
Coordenadas de presión (Pc) y temperatura (Tc) características de un fluido A presiones mayores a Pc, no se puede pasar de vapor a líquido por simple enfriamiento, y a temperaturas mayores a Tc, no se puede pasar de vapor a líquido por simple compresión.
PUNTO TRIPLE
Coordenadas de presión y temperatura a las que co-existen en equilibrio las fases gaseosa, líquida y sólida. El punto triple es una propiedad característica de cada sustancia.
SISTEMA CERRADO Y SISTEMA ADIABÁTICO
Sistema cerrado es un sistema termodinámico en donde no existe intercambio de materia entre él y su entorno.
Sistema adiabático es un sistema termodinámico en el que no hay interacción de calor entre él y su entorno.
SISTEMA TERMODINÁMICO
Cantidad de materia de masa e identidad fijas que se toma como base para un determinado estudio… lo que queda fuera del sistema se conoce como entorno o ambiente.
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CALOR DE VAPORIZACIÓN
El calor de vaporización disminuye con el aumento de T. En el punto crítico ΔHvap = 0. Es importante señalar que no existe calor de vaporización a temperaturas mayores a Tc.
En el siguiente capitulo veremos algunas de aplicaciones (en la industria petrolera) de las propiedades termodinámicas aquí tratadas, en donde se darán cuenta de por que los Ingenieros de Proceso debemos tener claro los conceptos de presión de vapor sobre líquidos, presión de saturación y presión de vapor sobre sólidos (presión de sublimación).
Propiedades Termodinámicas
En ingeniería, las variables medidas comúnmente son presión, flujo másico y temperatura, y a
partir de ellas se desarrollan cálculos para determinar el valor de otras variables útiles para
describir el sistema con el que se esté trabajando, tales como el calor transferido.
1. Medidas de cantidad o de tamaño
Masa (m)
Medición Número de moles (n)
Volumen (V)
2. Temperatura.
La temperatura de un cuerpo es una función directa de la energía cinética de sus moléculas, y se
utiliza como una medida indirecta de la cantidad de calor transferido en un proceso. La temperatura
es la fuerza impulsora para la transferencia de energía en forma de calor.
Sistema Masa Longitud Tiempo Temperatura Fuerza Energía
Internacional
(SI)
Kg m S °C N J
Inglés lbm ft S °F lbf BTU
cgs g cm S °C dina erg
Tabla 1. Múltiplos de unidadesM. en C. María Guadalupe Ordorica Morales 7
3. Presión
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La presión ejercida por un fluido sobre una superficie se define como la fuerza normal ejercida por
el fluido por unidad de área de superficie, lo que se representa mediante la ecuación
P = F / A = mg / A = Ahg / A = hg
4. Trabajo
Se realiza trabajo siempre que una fuerza actúe a través de una distancia. La cantidad de trabajo
se define de la siguiente manera:
+ si está en la misma dirección de la fuerza
dW = F dL
- si está en dirección opuesta a la fuerza
En termodinámica, el trabajo se acompaña de un cambio en el volumen del sistema (compresión o
expansión).
5. Energía
Por lo general, se define a la energía como la capacidad un cuerpo o sistema de realizar un
trabajo. Para esto, se considera la energía contenida en el sistema, la cual puede ser de tres tipos
Energía cinética (Ek = mv2
/2)
Energía contenida en un sistema Energía potencial (Ep = mgh)
Energía interna (U)
Al cuerpo o conjunto sobre el que se concentra la atención se le llama sistema, y lo demás son los
alrededores. Cuando se realiza trabajo, este lo hacen los alrededores sobre el sistema o viceversa,
y la energía se transfiere de los alrededores al sistema o al revés. Durante la transferencia existe el
trabajo, mientras que Ek, Ep y U residen en el sistema.
6. Energía interna
Es la energía de las moléculas de la sustancia en cuestión. La adición de calor a una sustancia
aumenta su actividad molecular y así se provoca un aumento de energía interna (U). El trabajo
hecho sobre la sustancia puede tener el mismo efecto.
En una escala submolecular, la energía se asocia con los electrones y los núcleos de los átomos,
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y con su energía de enlace resultante de las fuerzas que mantienen unidos a los átomos como
moléculas. Es la energía interna, que termodinámicamente no tiene una definición concisa.M. en C. María Guadalupe Ordorica Morales 8
7. Calor
Cuando dos sistemas, a temperaturas diferentes, se ponen en contacto, la temperatura final que
ambos alcanzan tiene un valor intermedio entre las dos temperaturas iniciales. Ha habido una
diferencia de temperatura en estos sistemas. Uno de ellos ha perdido "calor" (su variación de
temperatura es menor que cero ya que la temperatura final es menor que la inicial) y el otro ha
ganado "calor" (su variación de temperatura es positiva). La cantidad de calor (cedida uno al otro)
puede medirse, es una magnitud escalar que suele ser representada mediante la letra Q.
Durante mucho tiempo se pensó que el calor era una especie de "fluido" que pasaba de un cuerpo
a otro (se le conocía como calórico). Hoy se sabe que el calor es una onda electromagnética (posee
la misma naturaleza que la luz) y su emisión depende de la vibración de los electrones de los
átomos que forman el sistema.
8. Equivalente mecánico del calor
Si el calor es precisamente otra forma de energía, cualquier unidad de
energía puede ser una unidad de calor. El tamaño relativo de las
"unidades de calor" y las "unidades mecánicas" puede encontrarse a
partir de los experimentos en los cuales una cantidad conocida de
energía mecánica, medida en joules, se añade al sistema (recipiente
de agua, por ejemplo). Del aumento de temperatura medido puede
calcularse cuanto calor (en calorías) tendremos que añadir a la
muestra de agua para producir el mismo efecto. De esa manera puede
calcularse la relación entre Joule y calorías, es decir, el llamado
equivalente mecánico del calor.
En Manchester, Inglaterra, durante la década de 1840, James P. Joule (1818 – 1889) eralizó una
serie experimentos en recipientes aislados, colocando en ellos cantidades conocidas de agua,
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aceite y mercurio. El aparato que utilizó originalmente tenía unas pesas como las que se muestran
en la figura 1, y que al caer, hacían girar un conjunto de paletas sumergidas en agua. La pérdida de
energía mecánica (debido al rozamiento) se calculaba conociendo las pesas y las alturas de las
cuales caían. La energía calorífica equivalente era determinada a través de la masa de agua y su
aumento de temperatura. Así, Joule demostró que existe una relación cuantitativa entre calor y
trabajo, y que el calor es una forma de energía. Los resultados numéricos obtenidos fueron: 1 kcal =
1000 cal = 4186 joules.
9. Calor y Trabajo
Ni el calor ni el trabajo son propiedades de un cuerpo en el sentido de poder asignarle un valor a
la cantidad "contenida" en el sistema. El trabajo es una medida de la energía trasferida por medios
mecánicos mientras que el calor, en cambio, es una medida de la energía transferida por medio de
una diferencia de temperatura.
Si se aplica una fuerza sobre una superficie, se ejercerá una presión sobre ese lugar. La fuerza
aplicada, al provocar un desplazamiento, genera trabajo mecánico. En el caso de la presión, que
actúa sobre las paredes de un cuerpo extensible, el ensanchamiento de este produce variación de
volumen, el que está asociado con el trabajo mecánico también (Figura 2).
Figura 1. Experimento
De JouleM. en C. María Guadalupe Ordorica Morales 9
Figura 2. Generación de Trabajo
Si se aplica una fuerza sobre una superficie, se ejercerá una presión sobre ese lugar. La fuerza
aplicada, al provocar un desplazamiento, genera trabajo mecánico. En el caso de la presión, que
actúa sobre las paredes de un cuerpo extensible, el ensanchamiento de este produce variación de
volumen, el que está asociado con el trabajo mecánico también.
Ley Cero de la Termodinámica
R.H. Fowler, en 1931, enunció la ley cero de la termodinámica: “Cuando dos sistemas o cuerpos
diferentes están en equilibrio termodinámico con un tercero, también están en equilibrio entre sí”.
Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito situado a una determinada
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temperatura, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir,
llegará a tener la misma temperatura que éste.