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SUSTANCIA PURA

https://mega.co.nz/#!fEdQgZBR!lOZTzJ9CTJiPx8gsORvxTutItEW0L7jWAJH36pWjb1MSUSTANCIA PURA

Es toda sustancia que tiene su composicin qumica homognea e invarianteEjemplo: el agua, el nitrgeno, el oxgeno, el amonaco y muchos mas.La sustancia pura puede presentarse en distintas fases: slido, lquido y gaseosa. Dependiendo de los valores de presin y temperatura una sustancia puede estar como slido, lquido o vapor o presentarse en dos o tres fases a la vez.CAMBIOS DE FASE Existen en la naturaleza muchas situaciones en que dos fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. El agua existe como lquido y vapor dentro de una olla de presin. El agua slida o hielo a la temperatura y presin normales del ambiente comienza su proceso de condensacin. A pesar de que todas las fases de las sustancias son importantes, solo se estudiarn las fases lquido y vapor y su mezcla.En el estudio de la sustancia pura se toma como ejemplo el agua por ser una sustancia muy familiar.TEMPERATURA DE SATURACIN Y PRESIN DE SATURACIN La temperatura y presin de saturacin son aquellas en donde ocurre la ebullicin de una sustancia pura. Para una presin de saturacin existe un nico valor de temperatura de saturacin y viceversa. Para el agua, a una presin de 101.35 kPa la temperatura de saturacin es 100C. En sentido inverso, a una temperatura de 100C la presin de saturacin es 101.35 kPa. La grfica de Psatcontra Tsatda una curva caracterstica para cada sustancia pura y se conoce como curva de saturacin de lquido-vapor. Figura 1.27.

Fig. 1.27 Curva de saturacin lquido-vapor de una sustancia pura (los valores numricos corresponden al agua).

En la Figura 1.27 se puede observar que la temperatura de saturacin aumenta con un incremento de la presin. Cuando se cocina, las temperaturas de ebullicin ms altas implican tiempos de coccin ms cortos y ahorros de energa. Por ejemplo, cuando se cocina en una olla de presin la temperatura de ebullicin es superior a los 100C ya que la presin que se consigue en una olla de presin es superior a los 101.35 kPa. En aquellos sitios que se encuentran por encima del nivel del mar, la presin atmosfrica disminuye en la medida que se asciende as como la temperatura de saturacin por lo que el tiempo de coccin en estos sitios es mayor.DIAGRAMAS DE ESTADO Y DIAGRAMA DE FASE Los diagramas de estado permiten representar los distintos cambios de estado que experimentan las sustancias. Estos son los diagramas P-v y T-v. El diagrama de fase nicamente representa las tres fases para cualquier sustancia. Este es el diagrama P-T.Diagrama T-v

El diagrama T-v se obtiene de la proyeccin de la superficie PvT (Figura 1.28) en el plano T-v. La proyeccin resultante sobre un plano paralelo a los ejes T-v se muestra en la Figura 1.29. En este diagrama tanto las regiones de una y dos fases aparecen como reas.

Fig. 1.28 Superficie P-v-T de una sustancia que se expande al congelarse (como el agua).

Es comn que dos fases estn en equilibrio, pero en algunas condiciones las tres fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. En los diagramas P-v o P-T, estos estados de fase triple forman la lnea triple. Los estados de una sustancia sobre la lnea triple tienen la misma presin y temperatura, pero diferentes volmenes especficos. La lnea triple aparece como un punto sobre los diagramas P-T y, por tanto, suele denominarse punto triple.

Fig. 1.29 Figura T-v de una sustancia pura.

Los estados de lquido saturado en la Figura 1.29 pueden conectarse mediante una lnea, lnea de lquido saturado, y los estados de vapor saturado en la misma figura pueden conectarse mediante la lnea de vapor saturado. Estas dos lneas se alcanzan en el punto crtico, formado un domo como muestra la Figura 1.29. El punto crtico se define como el punto al cual los estados de lquido saturado y de vapor saturado son idnticos. La temperatura, la presin y el volumen especfico de una sustancia en el punto crtico se denominan, temperatura crtica Tcr , presin crtica Pcr y volumen especfico crtico vcr. Las propiedades del punto crtico del agua son Pcr=22.09 Mpa, Tcr=374.14 C y vcr=0.003155 m3/kg.

Diagrama P-v

El diagrama P-v se obtiene de la proyeccin de la superficie P-v-T (Figura 1.28) en el plano P-v (Figura 1.30). La forma general del diagrama P-v de una sustancia pura es similar al diagrama T-v, pero las lneas de T=constante sobre este diagrama presentan una tendencia hacia abajo, como muestra la Figura 1.30. Tanto en el diagrama T-v como en el diagrama P-v las regiones de una y dos fases aparecen como reas. La lnea de lquido saturado representa los estados de la sustancia tales que cualquier adicin infinitesimal de energa a la sustancia a presin constante cambiar una pequea fraccin de lquido en vapor. De modo semejante, al sustraer energa de la sustancia en cualquier estado que cae dentro de la lnea de vapor saturado origina una condensacin del vapor, mientras que la adicin de energa sobrecalienta al vapor. La regin de dos fases, que se denomina lquido y vapor saturados y que queda entre las lneas de lquido saturado y vapor saturado, generalmente se llama regin hmeda o bveda hmeda.

Fig. 1.30 Diagrama P-v de una sustancia pura.

Diagrama P-T

La Figura 1.31 muestra el diagrama P-T de una sustancia pura, llamado diagrama de fase puesto que las tres fases se separan entre s mediante tres lneas.

Fig. 1.31 Diagrama P-T de sustancias puras.

Resulta de la proyeccin de la superficie PvT de una sustancia sobre el plano P-T. La lnea de sublimacin separa las regiones slida y de vapor, la lnea de vaporizacin divide las regiones lquida y de vapor, y la lnea de fusin separa las regiones slida y lquida. Estas tres lneas convergen en el punto triple, donde las tres fases coexisten en equilibrio. La lnea de vaporizacin finaliza en el punto crtico porque no se pueden distinguir las fases lquida y de vapor arriba del punto crtico. Las sustancias que se expanden y contraen al congelarse difieren solo en la lnea de fusin en el diagrama P-T. LA SUPERFICIE P-v-TDesde el punto de vista matemtico, cualquier ecuacin con dos variables independientes en la forma z=z(x,y) representa en un espacio tridimensional una superficie rectangular, por tanto, es posible representar el comportamiento P-v-T de una sustancia como una superficie en el espacio, como muestra la Figura 1.28. Todos los puntos sobre la superficie representan estados de equilibrio. La totalidad de los estados a lo largo de la trayectoria de un proceso yacen sobre la superficie P-v-T, puesto que tal proceso debe pasar por estados de equilibrio. Las regiones de una fase aparecen como superficies curvas sobre la superficie P-v-T, y las regiones de dos fases como superficies perpendiculares al plano P-T. Era de esperarse puesto que las proyecciones de las regiones de dos fases sobre el plano P-T son lneas. Todos los diagramas bidimensionales vistos hasta ahora, slo son proyecciones de esta superficie tridimensional sobre los planos apropiados.

TABLAS DE PROPIEDADES DE SUSTANCIAS PURAS

Para la mayora de las sustancias las relaciones entre las propiedades termodinmicas son demasiado complejas, como para expresarse por medio de ecuaciones simples. Por tanto, las propiedades se presentan en la forma de tablas. Algunas propiedades termodinmicas pueden medirse con finalidad pero con otras no es posible hacerlo de manera directa y se calculan mediante las relaciones que las vinculan con propiedades medibles. Los resultados de estas mediciones y los clculos se presentan en tablas con un formato conveniente. En el siguiente anlisis, se utilizarn tablas de vapor, para mostrar el uso de tablas con propiedades termodinmicas. Las tablas de propiedades de otras sustancias se utilizan de la misma manera. Para cada sustancia, las propiedades termodinmicas se listan en ms de una tabla. Se prepara una tabla para cada regin, como las de vapor sobrecalentado, lquido comprimido y saturada (regin hmeda).

a) Lquido Saturado y Vapor Saturado: Tablas de Saturacin

El subndice f se emplea para denotar propiedades de un lquido saturado y el subndice g, para las propiedades de vapor saturado. Otro subndice utilizado es fg, el cual denota la diferencia entre los valores de vapor saturado y lquido saturado de la misma propiedad. Figura 1.29 y 1.30. Ejm,vf: volumen especfico del lquido saturadovg: volumen especfico del vapor saturadovfg: diferencia entre vgy vf

b) Mezcla Saturada de Lquido-VaporEn el proceso de evaporacin, una sustancia pasa de su condicin de lquido saturado a vapor saturado por lo que la sustancia existe como parte lquida y como parte vapor. Esto es, es una mezcla de lquido y vapor saturados. Figura 1.29 y 1.30. Para analizar esta mezcla de manera apropiada, es necesario conocer las proporciones de las fases lquida y de vapor en la mezcla. Esto se obtiene al definir una propiedad llamada la calidad x como la razn entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla

donde

La calidad tiene importancia slo dentro de la campana. No tiene significado en las regiones de lquido comprimido o vapor sobrecalentado. Su valor se encuentra entre 0 y 1 . Para calcular las propiedades de la sustancia dentro de la regin lquido-vapor, se debe conocer el porcentaje de vapor saturado presente en la mezcla lquido-vapor es decir, el valor de la calidad. En una mezcla saturada de lquido-vapor, el volumen ocupado por la mezcla se puede expresar como:

como

sustituyendo en 1.49 se puede escribir la siguiente expresin:

dividiendo por la masa:

Observe que la relacin mg/mrepresenta el porcentaje en masa de vapor saturado en la mezcla y es lo que se conoce como calidad, mientras que la relacinmf/mrepresenta el porcentaje en masa de lquido saturado en la mezcla y se denomina humedad, pudindose expresar como (1-x).

As, la expresin 1.51 para el volumen especfico de la mezcla saturada lquido-vapor, queda de la siguiente forma:

La ecuacin 1.53 se puede generalizar para calcular cualquier propiedad especfica dentro de la regin lquido-vapor:

c) Vapor sobrecalentadoEl vapor sobrecalentado se encuentra en la regin derecha de la lnea de vapor saturado. Figura 1.29 y 1.30. Como la regin de sobrecalentamiento es de una sola fase, se necesitan dos propiedades intensivas par fijar o definir el estado de equilibrio. Las tablas de vapor sobrecalentado presentan el volumen especfico y otras propiedades especficas como funcin de la presin y la temperatura.

d) Lquido subenfriado o comprimidoEl lquido comprimido se encuentra en la regin izquierda de la lnea de lquido saturado. Figura 1.29 y 1.30. 0La literatura no ofrece gran cantidad de datos en forma de tablas para los lquidos comprimidos o subenfriados. La variacin de las propiedades del lquido comprimido debido a la presin es muy ligera, mientras que con la temperatura muestran mayor dependencia. En la mayora de los casos, cuando no se dispone de tablas de lquido comprimido para una sustancia pura, los datos sobre el lquido comprimido se pueden aproximar bastante al usar valores de las propiedades del estado lquido saturado a la temperatura dada. Esto implica que los datos del lquido comprimido dependen ms de la temperatura que de la presin.

Liquido Comprimido Liquido Mezcla Liquido Vapor Vapor Vapor o Subenfriado Saturado Saturado SobrecalentadoCambio de fase lquida a fase vapor, a presin constante, de una sustancia puraREPRESENTACIONES DE Pv Y DE PTLos diagramas del proceso son una ayuda importante en la resolucin de problemas. En la Figura 1.32 se muestran las grficas para cuatro procesos diferentes en los diagramas Pv y PTa. Vapor sobrecalentado se enfra a presin constante hasta que empiece a formarse lquido.b. Una mezcla de vapor y lquido con calidad del 60% se calienta a volumen constante hasta que su calidad sea de 100%.c. Una mezcla de lquido y vapor con calidad del 50% se calienta a temperatura constante de 200 C hasta que su volumen es 5 veces el volumen inicial.d. El refrigerante 12 se calienta a presin constante desde lquido saturado hasta que su calidad es 50%.

Figura 1.32 Diagrama Pv y PT para los procesos de los ejemplos.