Propiedades de una sustancia pura

Profesor:Joaquín Zueco JordánÁrea de Máquinas y Motores Térmicos

• Sistema– Sistemas cerrados (cantidad de masa fija). Sistemas aislados.– Sistemas abiertos.

• Volúmenes de control (en algunos libros asociado a sistemas abiertos

Introducción. Conceptos generales

• Objetivo de la Termodinámica: relacionar las variables termodinámicas de un sistema , 

en general en equilibrio termodinámico

• Visión macroscópica y microscópica de la Termodinámica

– Termodinámica clásica –> visión macroscópica, estudio de los sistemas como un todo.

– Termodinámica estadística ‐> visión microscópia, estudio de los sistemas a nivel molecular.

Introducción. Conceptos generales

Propiedades, estados, procesos y ciclos termodinámicos

Propiedad. Es una característica macroscópica de un sistema talcomo masa, volumen, energía, presión, y temperatura que puedentener un valor numérico

Valor que es asignado como consecuencia del comportamiento de un sistema

Estado. es la condición del sistema descrita por sus propiedades. Como suele haber relación entre las propiedades se suelen utilizarvarias propiedades para caracterizar tal estado

El nº de propiedades independientes es necesarias normalmente son 2 (1+ nº de modos de trabajo cuasiestático relevantes)

Cuando las propiedades de un sistema cambian pasando de un estado a otro sufre un proceso

Ciclo termodinámico es una secuencia de procesos que terminan en el mismo estado

Propiedades, estados, procesos y ciclos termodinámicos

• Propiedades extensivas. Es aquella que su valor para un sistema es la suma de los valores que tiene en cada uno de los subsistemas quecomponen al sistema. Ejemplos: Masa, volumen energía

Propiedades intensivas. Son aquellas que no son aditivas

• Fase cantidad de materia que es homogénea tanto en composición química como en su estructura física

sólido – líquido y gas

• Sistancia pura es aquella que tiene una composición uniforme (sólo una sustancia aunque puede tener varias fases)

• Equilibrio las propiedades del sistema se mantienen constantes en todo el sistema como consecuencia  de una igualdad de distintos «efectos»

• Procesos reales y en cuasiequilibrio

Supondremos que los procesos se producen como una sucesión de estados de equilibrio

Sistemas compresibles y su estado termodinámico

P =P(V,T)V=V(P,T)T=T(P,V)

La ecuación de estado nos permite hallar unavariable fundamental conocidas las otras dos.

P, V, T Variables termodinámicas fundamentales

P,V,T

M.C.

f (P,V,T) = 0Sistema simple

Sistema simple compresible posee 1 forma de trabajo, p dVEstado termodinámico definido conocido 2 props. independientes

Comportamiento de los fluidos, superficie P-v-T

Sustancia que se contrae al solidificar

j ko p

Sólido

Líquido Gas

VaporLíquido

y vapor

Sólido y líquido

Sólido y vapor

Presión

Volumen específico

Temperatura

Sustancia que se expande al solidificar

Presión

Temperatura

Vapor

GasLíquido

Sólido

Sólido y líquido

Proyecciones p-T, p-v y T-v

Fuente: Termodinámica lógica y motores térmicos, José Aguera Soriano, 1999

Diagrama de fases

Curva de fusión

Punto crítico

Gas

Sólido

P

T

Curva vaporización

Líquido

A B

C D

AGUA

P T P T

Punto triple

Curva de sublimación

Vapor

B1

B2 A2

A1

CPc

T1

T3

T2

TcVaporhúmedo

Líquidosaturado

Vapor saturado

Gas

Vapor sobrecalentado

Líquido

P

V

Tª=cte

Introducimos un gas en un cilindro y medimos P, V en distintos estados de igual temperatura

Proceso isotérmico

Comportamiento de los fluidos

Un gas no se puede licuar comprimiéndolo a T=cte > Tc

Tª=cteTª=cteTª=cteTª=cteTª=cte

B1

B2 A2

A1

CTcp1

p2

pc

Vaporhúmedo

Líquidosaturado Vapor saturado

Gas

Vapor sobrecalentado

Líquido

T

V

Introducimos un gas en un cilindro y medimos T, V en distintos estados de igual presión

Proceso isobárico

Comportamiento de los fluidos

LíquidoPa

Líquido y vaporVapor sobrecalentado

Fuente: http://www2.udec.cl/~dfiguero/curso/capacidadfases/capacidadfases.htm

Temperatura y presión de saturación

0 101,33 100,0 1000 89,55 96,3 2000 79,50 93,25000 54,05 83,010000 26,50 66,220000 5,53 34,5

Altura P. atm. (kPa) Tsat(ºC)

• Al psat tiempos de cocción más cortos y ahorro energético

Psat(kPa)

Tsat(ºC)0 50 100 150 2000

200

400

600AGUA

Tsat= f(Psat)

• Al altura disminuye la psat (y Tsat) tiempos de cocción mayores

• Por cada 1000m de altura la Tsat disminuye unos 3ºC

Líquido saturadohf sf vf uf

Vapor saturado secohg sg vg ug374,15 ºC

= 221,2 barDiagrama T-s

s

hfg =TS (sg- sf)

CTc

P1

P2

Pc

Vaporhúmedo

T

sf sg

P3

Líquido

Vapor sobrecalentado

h = u + p v

Entalpía:

Ps Presión de saturaciónhfg = ug

- uf + PS (vg- vf)

Calor latente de vaporizaciónTs Temperatura de saturación

Fuente: http://www2.udec.cl/~dfiguero/curso/capacidadfases/capacidadfases.htm

(a presión atmosférica)

Diagrama de Mollier, h-sh

s

Vapor húmedo

Líquido comprimido

Vaporsobrecalentado

C

Fuente: Termodinámica Técnica, Moran & Shapiro, 1993

Fuente: Termodinámica Técnica, Moran & Shapiro, 1993

Fuente: Termodinámica Técnica, Moran & Shapiro, 1993

Fuente: Termodinámica Técnica, Moran & Shapiro, 1993

Aproximaciones a líquido saturado de un líquido comprimido

v(P,T) vf(T)

Cuando no se disponen datos (a presiones bajas)

Volumen específico:

u(P,T) uf(T)Energía interna:

h(P,T) hf(T) + vf(T) [P-Psat(T)]Entalpía:

Ejemplo:Aprox. líquido saturado a 20ºC (20ºC, 10MPa)

uf (20ºC) = 83,95 kJ/kgvf (20ºC) = 0,0010017 m3/kg 0,0009972 m3/kg

83,36 kJ/kgh(P,T) = 93,97 kJ/kg 93,33 kJ/kg

Título o calidad de un vapor húmedo

mg mgx = = m mf+ mg

Título de un vapormfy = m

Grado de humedad

1 kg vapor húmedo

x kg vapor saturado

seco

(1 – x) kglíquido saturado= +

CPc

T

Vaporhúmedo

P

vvgvf v

x

V = Vliq + Vvap

V Vf Vgv = m m m

mf mgv = vf + vgm m

Título o calidad de un vapor húmedo

CPc

T

Vaporhúmedo

P

vgvf v

x

v

u = ( 1 – x ) uf + x ug

s = ( 1 – x ) sf + x sg

h = ( 1 – x ) hf + x hg

Otras propiedades termodinámicas

mf mgv = vf + vgm m

mg mfx = x m m

v = x vf + x vg

1 dQ dq c =

m dT dT c =c(T,P)Unidades:• J/kg K• J/kg ºC

Calor específicoCantidad de calor necesaria para elevar un grado la temperatura de la unidad de masa de una sustancia

Qv

cv c. e. a volumen cte.

V cteu

cv = T v

dq cv =

dT v

cv(v,T)Qp

cp c.e. a presión cte.

dq cP =

dT p

P cteh

cP = T p

cp(P,T)

Sustancia incompresible, v=constante

udu dT

vdu = cv dT

u u du dT dv

v v T

u = u (T, v)

v= cte dv = 0

h = u + P vh = h (T, P)v= cte dv = 0

dh = du + Pdv + v dP

P= cte dP = 0

En un proceso a presión cte

dh = du + v dPh

cv = T p

dh = du du = cv dT

hcp = cv =

T p cp(T) = cv (T) = c(T)

Sustancia incompresible, v=constante

c (kJ/kgK)

0,2

0,4

100 200 300 400 500

Hierro

Cobre

Plomo

Temperatura (K)

u2 – u1 = c(T) dT1

2h2 – h1 = c(T) dT + v (P2 – P1)

2

1

u2 – u1 c (T2 – T1)h2 – h1 c (T2-T1) +v (P2 – P1)

Los calores específicos varían muy poco con la presión pero sí notablemente con la temperatura

Fuente: http://www.vaxasoftware.com