Sustancia pura

Una sustancia pura es aquella que tiene una composición química homogénea e invariable puede existir en más de una fase pero la composición química es la misma en todas las fases. Por ej. El agua líquida, una mezcla de hielo y agua y una mezcla de agua líquida y vapor de agua son todas sustancias puras; cada fase tiene la misma composición química.

Equilibrio de fases; Vapor líquido sólido en una sustancia pura.

Considere un sistema formado por 1 Kg. de agua contenido en un conjunto de cilindro-pistón. Suponga que el pistón y el peso mantienen una presión de0.1 MPa en el cilindro y que la temperatura inicial es de 20 °C. a medida que se transfiere calor al agua la temperatura se eleva un poco, el volumen específico aumenta ligeramente y la presión se mantiene constante. Cuando la temperatura llega a 99,6 °C, una transferencia adicional de calor provoca un cambio de fase, algo del líquido se transforma en vapor durante

este proceso tanto la temperatura como la presión permanecen constantes pero el volumen especifico se incrementa considerablemente. Cuando se ha evaporado la última gota de líquido, una transferencia de calor adicional ocasiona un incremento en la temperatura y el volumen especifico del vapor.

El termino temperatura de saturación o temperatura de ebullición designa la temperatura a la cual se lleva a cabo la evaporación a una presión dada. Esta presión se llama presión de saturación para la temperatura dada.

La temperatura de saturación es aquella que a una presión dada una sustancia puede cambiar de fase. Si una sustancia existe como líquido a la temperatura y presión de saturación, se llama liquido saturado. Este es un líquido que está apunto de evaporarse. Cuando la temperatura del líquido es menor que la temperatura de saturación para la presión existente, se llama liquido sobre enfriado (lo cual indica quela temperatura es menor que la temperatura de saturación para la presión dada) o liquido comprimido (lo cual significa que la presión es mayor que la presión de saturación para la temperatura dada). Si una sustancia existe como vapor a la temperatura de saturación, se llama vapor saturado. Este es un vapor que está a punto de condensarse. Cuando el vapor está a una temperatura superior a la temperatura de saturación, se dice que existe como vapor sobrecalentado.

Otro término importante es el de mezcla saturada que es una sustancia que está entre los estados de líquido saturado y vapor saturado.

Presión de saturación: presión a la cual una sustancia puede cambiar de fase a una temperatura dada. Supóngase ahora que el pistón regresa a su posición original en el aparato experimental y que la temperatura del baño, que constituye los alrededores, cambia a un valor mayor, T, > T. Al mover el pistón lentamente para aumentar el volumen de la masa de control, manteniendo la temperatura de dicha masa constante en T, se encuentra una nueva isoterma en el diagrama P- v. Este procedimiento se puede repetir a temperaturas cada vez mayores y dibujar las isotermas para cada una.

Temperatura crítica A mayores temperaturas, disminuye la longitud de la línea difásica horizontal. Finalmente, para el agua, la isoterma en la región difásica correspondiente a una temperatura T = 374.14°C = 705.43°F, tiene una longitud nula. Es decir, existe una región donde no se distinguen las dos fases; si el volumen aumenta, el agua realiza la transición de líquido a vapor sin la aparición de la región de dos fases. Experimentalmente, si se mantiene el líquido original a esta temperatura o una superior, mientras se expande el volumen, no se puede decir cuándo el líquido se convierte en vapor, ya que no se forma ninguna interface entre las fases; no es posible ver ninguna superficie líquida. Para el agua, este fenómeno tiene lugar a una presión y una temperatura tan elevadas que queda fuera de la experiencia cotidiana.

A las altas presiones presentes en la región del diagrama P- v en que esto ocurre, cuando el volumen específico del líquido aumenta a lo largo de una isoterma, la presión de la masa de control disminuye continuamente. El volumen específico del líquido aumenta y la transición del líquido a gas tiene lugar lentamente a un volumen específico pequeño, sin una separación entrefases visible, por lo que se puede pensar que las dos “fases” tienen el mismovolumen específico (y por lo tanto la densidad) y consecuentemente no es posible distinguir una de otra. El mismo fenómeno tiene lugar para todas las isotermas que se encuentran sobre la temperatura crítica.

La temperatura más baja, a la cual la isoterma no presenta transición entre las fases, recibe el nombre de temperatura crítica T0. Es común denominaras al vapor que se encuentra sobre la temperatura crítica y retener el nombre de vapor para la fase que podría existir en equilibrio con su fase líquida a la temperatura del vapor, si la presión aumentara lo suficiente. Cada una de las fases se encuentra en el punto de ebullición a la presión que existe en la masa de control para cada estado localizado sobre la línea de mezcla saturada. En esta forma, si se mide el volumen específico de la fase líquida para cualquier estado a lo largo de esta línea, se encuentra el mismo valor. El volumen específico del agua saturada a la temperatura de la masa de control, vf. De igual forma, el volumen específico del vapor para cualquier estado a lo largo de la línea de mezcla saturada es el volumen específico del vapor saturado, vg.

Los subíndices f y g indican la fase líquida y vapor, respectivamente. Resulta relativamente simple tabular el volumen específico del líquido y del vapor saturado en función de la temperatura. Por lo tanto, es útil definir el volumen específico de la masa total v, correspondiente a lamasa de control en cualquier punto sobre la línea difásica, en función de los volúmenes específicos de las fases individuales vf y vg. Con este objeto se introduce una propiedad llamada calidad de la mezcla difásica. La calidad se define como la masa de vapor presente en la mezcla difásica dividida entre la masa total y se representa por el símbolo x.

Propiedades independientes de una sustancia pura.

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 masa de 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 vapYa 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 = RgT, en donde, Rg = Ru/M.

en que Rg del gas, M el peso molecular y Ru es la constante universal de los gases. 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

Hay varias situaciones prácticas en que dos fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. El agua existe como una mezcla de líquido y vapor en la caldera y en el condensador de una central termoeléctrica. En vista de que es una sustancia común, se empleará el agua para demostrar los principios básicos. Recuerde que en todas las sustancias puras se observa el mismo comportamiento general.

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.

Esto se deduce directamente del hecho de que una sustancia pura contiene únicamente dos propiedades intensivas independientes. Todos los puntos a lo largo de un proceso se encuentran sobre la superficie ya que este proceso siempre pasa a través de los estados de equilibrio.