Tema 1 Sustancias Puras2

7/24/2019 Tema 1 Sustancias Puras2

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PROF: INGENIERO. JOSMERY SNCHEZUNEFM. 1

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

FRANCISCO DE MIRANDA

COMPLEJO ACADMICO "EL SABINO"

AREA DE TECNOLOGA

UNIDAD CURRICULAR: TERMODINMICA

TEMA I:

SUSTANCIAS PURAS.

REALIZADO POR:

INGENIERO. JOSMERY SNCHEZ


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TABLA DE CONTENIDO

I. INTRODUCCIN 4

II. 1.OBJETIVO DIDCTICO 5

II. 2.OBJETIVOS ESPECFICOS 5

III. INTRODUCCIN A LA TERMODINMICA 6

1. DEFINICIN DE TERMODINMICA 6

2. SUSTANCIA DE TRABAJO 6

3. SISTEMAS TERMODINMICOS 6

3.1. SISTEMAS ABIERTOS 6

3.2. SISTEMAS CERRADOS 7

4. PROPIEDADES DEL SISTEMA 7

4.1. PROPIEDADES EXTENSIVAS 7

4.1.1. VOLUMEN ESPECFICO ( 7

4.1.3. ENERGA INTERNA (U): 7

4.1.4. ENTALPA (H): 7

4.1.5. ENTROPA (S): 7

4.2. PROPIEDADES EXTENSIVAS 8

PRESIN MANOMTRICA (PMAN): 10

PRESIN ABSOLUTA ( 10

5.2. TEMPERATURA 10


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5.2.1. CONDUCCIN 10

5.2.2. CONVECCIN 11

5.2.3. RADIACIN 11

6. LEY CERO DE TERMODINMICA: 11

7. EQUILIBRIO TRMICO DE UN SISTEMA 11

7.1. EQUILIBRIO TRMICO DE DOS SISTEMAS: 11

8. CICLO: 12

9. POSTULADOS DE ESTADO 12

10. SUSTANCIA PURA: 13

11. COMPORTAMIENTO PVT DE UNA SUSTANCIA PURA 13

12. FASES DE UNA SUSTANCIA PURA 18

13. DIAGRAMA DE FASES DE UNA SUSTANCIA PURA: 19

14. MANEJO DE TABLAS DE PROPIEDADES TERMODINMICAS 20

15. REGLAS PARA IDENTIFICAR ESTADOS TERMODINMICOS 23


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I. INTRODUCCIN

La Termodinmica, en general, tiene por objeto el estudio de las leyes de

transferencia de calor en sistemas en equilibrio.

En todos los campos especializados, por ejemplo en leyes y economa, se emplean

trminos con cierto significado especfico, que pueden diferir del que tienen en la

conversacin cotidiana. Para estar seguros de tener una comunicacin precisa, tanto

en el saln de clases como con otros ingenieros y cientficos, es necesario que las

definiciones empleadas en la termodinmica sean siempre las mismas y que sean

completas y precisas en lo posible.

El objetivo de este unidad es definir los trminos bsicos de la termodinmica.

En captulos posteriores, se introducirn y definirn trminos y conceptos

adicionales; sin embargo, los trminos que se definirn aqu son suficientes para

iniciar el estudio de la termodinmica.

Las sustancias simples y compresibles se emplean en muchos sistemas deingeniera, incluyendo las plantas de potencia, muchos sistemas de refrigeracin y

sistemas de distribucin trmica que usan el agua o el vapor de agua para

transportar la energa.Adems, las mquinas de combustin interna y externa se

pueden estudiar en forma prctica considerando que operan con sustancias simples

y compresibles como fluidos de trabajo, aun cuando en la realidad no sea as.

Finalmente, algunas mezclas inertes de sustancias puras, por ejemplo, el aire seco,

pueden tratarse como sustancias puras con un pequeo error, lo que permite una

extensin prctica considerable a la aplicacin de las relaciones entre propiedades

que se desarrollarn para sustancias puras.

Te invito a conocer la importancia que tiene las sustancias puras y el grandsimo

inters universal que reviste desde el punto de vista econmico, humano y social.


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II. 1.OBJETIVO DIDCTICO

Estudiar el comportamiento termodinmico de sistemas, basado en sus conceptos

preliminares tales como estado, los postulados de estados, equilibrio en los procesos

y todas aquellas propiedades que componen una sustancia pura.

II. 2.OBJETIVOS ESPECFICOS

Identificar conceptos termodinmicos a travs de la definicin de conceptos bsicos

y de principios termodinmicos.

Reconocer las Unidades en el sistema metrico e ingls que se emplearn.

Conocer los conceptos bsicos tales como sustancias puras istema, estado,

postulado, equilibrio, proceso, y ciclos, temperatura, escalas de temperatura,

presin, absoluta y manomtrica.

Demostrar las fases de una sustancia

Ilustrar los diagramas de P-v, T-v, y P-T de sustancias puras.

Demostrar el procedimiento que permite determinar el estado de una sustancia con

el uso de las tablas.


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III. INTRODUCCIN A LA TERMODINMICA

1. Definicin de Termodinmica

Es la ciencia que trata de las interacciones energticas: calor y trabajo, y aquellas

propiedades que guardan relacion con las mismas.

2. Sustancia de TrabajoEs la sustancia que en un proceso fsico es capaz de almacenar o transferir la

energa, de acuerdo a las condiciones impuestas sobre ella.

3. Sistemas Termodinmicos

3.1. Sistemas Abiertos es aquel que permite transferencia de masa a travs de sus

lmites.

VARIACI N DETEMPERATURA

CIENCIAS DEINTERACCINENERGTICA

PROPIEDADESFSICAS

TRANSFORMAENERGA

MOVIMIENTO TEMPERATURA

VARIACI N DECALOR


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3.2. Sistemas Cerrados es aquel que no permite transferencia de masa, pero si

energa a travs de sus lmites.

4. Propiedades del Sistema Es cualquier caracterstica observable del sistema en

un estado determinado y que no depende de la trayectoria que se sigue para

alcanzar ese estado, solo depende es del estado en s.

4.1. Propiedades Extensivas Depende de la calidad de materia para determinarlas,

es decir, varan directamente cuando vara la masa. Ej, Volumen especfico, energa,

Entalpa.

4.1.1. Volumen especfico (v): Es el inverso de la densidad. v = V

m

Donde:

V = volumen de una sustancia

M= masa de la misma.

4.1.3. Energa interna (U):Es una propiedad que depende de la combinacin de las

energas cintica y potencial de las molculas que conforman un cuerpo, y que es a

su vez funcin de la presin y la temperatura.

4.1.4. Entalpa (h): Es la propiedad del sistema definida por una cantidad de lamisma, teniendo relacin con la energa interna, presin y volumen a ytravs de la

siguiente expresin.

4.1.5. Entropa (S):Es la propiedad que representa el desorden molecular o

incertidumbre de un cuerpo.

Sus unidades son:

m3/Kg Pies3/lbm cc/gr


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o Densidad es la unidad de masa por unidad de volumen de una sustancia.

= m / V

En donde V es el volumen de la sustancia cuya masa es m. las unidades son

Kilogramos por metro cbico en el sistema internacional.

De forma general:

4.2. Propiedades Extensivas No depende de la calidad de materia para

determinarlas, es decir, la masa no afecta el valor de la misma.

Estado: es aquella condicin del sistema que se caracteriza por determinar el valor

de sus propiedades.

Entonces sern iguales?

INTERNACIONAL INGLS

Metro (m) Pies (ft)

Kilogramo (Kg) Lbm

Newton (N) Lbf

C, K F, R

Segundos (seg) Segundos (seg)

PROCESO

ESTADO 1 ESTADO 2

H2O H2O

P1= 1 ATMT1= 25C

P2= 1 ATMT2= 30C

Sus unidades son:

Kg / m3 lbm/Pies3 gr/cc


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Tipos de Procesos:

Los procesos o estados de transformaciones que sufre un sistema de ir de un estado

a otro, se encuentran:

* Isotrmico:Es un proceso que se realiza a temperatura constante.

*Isomtrico o Isocrico: Es un proceso que se realiza a volumen constante.

* Isobrico:Es un proceso que se realiza a presin constante.

* Adiabtico: Es un proceso en donde el calor transferido es cero.

* Cuasiequilibrio:Se considera que el sistema est en equilibrio.

5.1 Presin:se define como la fuerza por unidad de superficie normalmente se mideen lb./ pulg2, y a bajas presiones en pulgadas de mercurio y tambin en pulgadas de

agua.

F

P = F Donde: F= fuerza aplicada

A A = Area donde se ejerce la fuerza,

P = *g . h Donde: = = densidad del fluidog = aceleracin de gravedad.

h = altura baromtrica

P = Patm * A + w Donde: P: Presin

Patm =Presin atmosfrica

A = rea del recipiente

W =Peso ejercido W = mg

A Presin atmosfrica (Patm):

Es la presin producida por una columna de mercurio de exactamente 760 mm de

altura, siendo la densidad del mercurio igual a 13,5951 3cm

gr y la aceleracin de la

gravedad 9.81 2seg

m


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Presin manomtrica (Pman): es la medible con un manmetro en un recinto

cerrado, tambin llamada presin relativa y en ingls gage pressure.

Presin absoluta (Pabs): se define a travs de:

Pabs = Patm + Pman

Conversiones:

* P = 1 ATM =101,35 kpa =14, 7 Psi

* P = 1 Megapascal = 1 x 103KPa = 1 x 106Pa

* P = 1 Pa = 1 Nw/m2 * P = 1 Kilopascal = 1 x 103Pa

* P = 1 psi = 1 Lbf / plg2

Psia= Presin absoluta. Psig=Presin relativa

5.2. Temperatura Es la medida de la intensidad de calor, el calor puede sertransferido de las siguientes formas: Conduccin, conveccin y radiacin.

5.2.1. Conduccin Es la transferencia de calor de partcula a partcula de una

sustancia sin movimiento de esas partculas entre s. Este fenmeno tiene lugar en

slidos y en algunos casos en lquidos y gaseosos.

P.abs x

P.atm

P.rel

0 relativo

Vaco absoluto

P.vacoP.abs Y


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5.2.2. Conveccin Es la transferencia de calor a travs de un fluidos lquido y gases,

ya que los slidos no son fluidos.

5.2.3. Radiacin Es una onda de calor y su movimiento es igual al de la luna, a

excepcin de la onda puede ser visto no requiere de ningn medio para propagarla.

Escalas Relativas (C) centgrada,(F) Fahrenheit (+, -)

Escalas Absolutas (R)Rankine (K) Kelvin (+)

6. Ley Cero de Termodinmica:Se refiere al equilibrio trmico y a la meicin de

temepratura.

A, B, y C permanecen en equilibrio trmico

7. Equilibrio Trmico de un sistema

El equilibrio trmico en un sistema se caracteriza cuando existe igualda de

temperatura.Presin ambiente = 40C

Psis=40C

7.1. Equilibrio Trmico de dos sistemas:

TA =TB

A B

B

C

A


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8. Ciclo:proceso en el cual su estado inicial es igual al estado final.

9. Postulados de estado La menor cantidad de propiedades independientes

(propiedades de estado) que definen un estado de equilibrio, en un sistema es igual

a la cantidad de formas diferentes en que el sistema puede intercambiar energa conel medio ambiente ms uno.

De ordinario se entiende que las propiedades de estado mas usadas son la presin,

el volumen y la temperatura.

En forma abreviada, se ha hecho referencia a ellas como propiedades P-V-T. No

obstante, existen otras propiedades que tambin se pueden usar para definir el

estado de un sistema, como la energa interna, la entalpa, la entropa y otras mas

que trataremos en captulos mas avanzados, sin embargo ya se conocen los

conceptos bsicos. Estas propiedades caracterizan el estado de un sistema pero

dependen a su vez de las propiedades P-V-T.

Adems de las propiedades es muy importante la composicin. Es obvio que si

tenemos una mezcla digamos de agua y etanol, las propiedades de la mezcla al 50%

son totalmente distintas de las que tiene la mezcla al 25%. De hecho, siempre y

cuando no cambie la composicin como consecuencia de las evoluciones que sufre

el sistema, cada mezcla se puede considerar como una sustancia distinta. En la

prctica la composicin es otro parmetro de estado del sistema que slo se toma en

cuenta para las mezclas y soluciones pero no para sistemas integrados slo por

sustancias puras.

Como se ha comentado anteriormente, la evidencia emprica nos ensea que basta

fijar los valores de una cantidad limitada de parmetros para definir exactamente el


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estado de un sistema. En el caso de las sustancias puras, la evidencia emprica

demuestra que fijando las tres propiedades P-V-T se define el estado del sistema.

Existen ciertas condiciones especiales en las que slo se requiere fijar dos, o incluso

slo una, como sabemos de la regla de las fases. Sin embargo estas condiciones

son excepcionales.

10. Sustancia Pura: Es la sustancia cuyas composiciones qumicas estn bien

definidas. Es aquella sustancia de composicin qumica definida

Agua H2O

AireNitrgeno N2

Helio He

Dixido de carbono CO2

Amoniaco NH3

Dixido de Nitrgeno NO2

Monxido de carbono CO

Tambin es una mezcla homognea (de una fase o de 2 fases)Una sola fase aire

2 fases hieloagua

Gasolina (mezcla homogneasustancia pura)

11. Comportamiento PVT de una sustancia pura

Este comportamiento se puede definir graficamente en un diagrama que se

denomina Superficie Termodinmica. Comunmente esta superficie termodinmica

es triodimensional, y se descompone en diagramas bisimensionales. Presin

Temperatura (P-T), Presion Volumen especfico (P-v), temperatura volumen

especfico ( T- v)


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En la siguiente figura vemos el diagrama de superficie P-V-T de una sustancia quese contrae al solidificarse. En este tipo de sustancias, el slido es mas denso que el

lquido.

En una mezcla slido-lquido tiende a irse al fondo del recipiente. Estas sustancias

son mucho mas abundantes en la naturaleza que las que se dilatan al solidificarse.

A la izquierda del diagrama de tres dimensiones vemos uno de dos. En el esquema

se puede ver claramente que el diagrama de dos dimensiones se construyeproyectando sobre un plano paralelo al plano P-T un corte de la superficie

tridimensional. Las curvas del diagrama P-T son las intersecciones de la superficie

tridimensional con el plano. Tambin se pueden considerar como las proyecciones

sobre el plano P-T de las curvas de separacin de las zonas de slido, lquido y

vapor.

Diagrama PresinTemperatura:

Los puntos que representan la coexistencia de dos fases son los que forman las

curvas que vemos en el diagrama. La curva de fusin contiene los puntos de

coexistencia de las fases slido y lquido. La curva de vaporizacin contiene los

puntos en los que coexisten las fases lquido y vapor. La curva de sublimacin

directa contiene los puntos en los que coexisten las fases slido y vapor. El punto

triplerepresenta el nico punto en el que coexisten las tres fases.


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Como se puede observar, en este caso la pendiente de la curva de fusin es

positiva, lo que permite deducir que el slido se contrae al solidificarse. En ambos

diagramas se tiene un punto mximo en la curva de vaporizacin. Este es el punto

crtico. En la curva de fusin, en cambio, la evidencia experimental disponible no

parece indicar que exista un mximo, por lo que se piensa que esa curva se extiende

en forma indefinida. Algo similar puede decirse de la posible existencia de un mnimo

en la curva de sublimacin.

Se pueden destacar los procesos en donde La curva de fusinse convierte en una

lnea de solidificaciny contiene los puntos de coexistencia de las fases lquido a

slido. La curva de vaporizacinpuede convertirse en una lnea de Condensacin

que contiene los puntos de las fases de vapor a lquido. La curva de sublimacin

directa se convierte en una lnea de sublimacin inversasi el estado va de vapor a

slido.

Diagrama presin-volumen:

Hemos seguido la convencin que establece que por encima de la isoterma crtica se

encuentra la fase gaseosa y por debajo la fase vapor (Vapor sobrecalentado o

supercrtico). La curva de saturacin del lquido (tambin llamada curva de lquido

saturado) separa la fase lquida de la zona de coexistencia de fase lquida y vapor.


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La curva de saturacin del vapor (tambin llamada curva de vapor sarurado) separa

la zona de coexistencia de fase lquida y vapor (mezcla) de la fase vapor. Cualquier

estado en el que comienza un cambio de fase se dice que est saturado.

Por eso estas curvas se llaman de saturacin. El vapor que se encuentra en

equilibrio con su lquido (es decir, dentro de la zona de coexistencia de fases) se

suele llamar vapor saturado, mientras que el vapor situado a la derecha de la curva

de puntos de roco se denomina vapor sobrecalentado o vapor total. El vapor que

est sobre la curva de puntos de roco se suele llamar vapor saturado seco.

Es importante saber que, por mas que se aplique mayor presin no se consigue

disminuir el volumen del lquido, debido a que el coeficiente de compresibilidad

isotrmica de los lquidos es muy pequeo, Si nos ubicamos en un punto sobre la

curva del lquido saturado lo que tenemos es lquido puro a su temperatura de

ebullicin. A este lquido se lo suele llamar lquido saturado. Supongamos que

disminuimos la presin a volumen constante; la evolucin que sigue el sistema viene

representada por una recta vertical dirigida hacia abajo, de modo que cualquiera que

sea el punto final de esa evolucin, el sistema contiene lquido y vapor porque ese

punto debe estar en la zona de coexistencia de fases. De manera anloga, si nos

ubicamos en un punto situado sobre la curva del vapor saturado y disminuimos la

presin a volumen constante el resultado final es una mezcla de lquido y vapor.

Vapor

Sobrecalentado

LquidoComprimido


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En cambio, en cualquiera de los dos casos, un aumento de la presin a volumen

constante produce como resultado final un sistema integrado por una sola fase. Si

nos encontramos en un punto sobre la curva del lquido saturado, el aumento de

presin a volumen constante produce lquido sobre enfriado o comprimido; si el

punto en cuestin se encuentra sobre la curva del vapor saturado, el aumento de

presin a volumen constante produce primero vapor recalentado y eventualmente si

se supera la isoterma crtica, gas.

Por razones que ya trataremos con mas detalle en las prximas unidades, la

Termodinmica se interesa particularmente por el punto crtico. La temperatura del

punto crtico es, Tc; la presin del punto crtico es la presin crtica Pc; el volumendel punto crtico es el volumen crtico Vc.

Las condiciones en el punto crtico son bastante anormales. Por ejemplo, la forma de

comportarse de la isoterma crtica. Resaltando que el punto crtico es aquel ultimo

estado de equilibrio, ubicado en la lnea de vaporizacin que diferencia el lquido del

vapor.

Diagrama TemperaturaVolumen:

Este diagrama, al igual que los anteriores, presenta la curva de campana que

contiene la zona de coexistencia de fases. Podemos apreciar las zonas de slido, de

coexistencia de slido y lquido, de lquido, de coexistencia de lquido y vapor, y de

vapor. Por encima de la isobara crtica (curva de presin constante) est la zona de

gas.


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12. Fases de una sustancia pura


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13. Diagrama de Fases de una sustancia pura:

Veamos el caso cuando existe un proceso de ebullicin, es decir cuando la presin

del lquido alcanza la presin atmosfrica.

1. Lquido Comprimido

2. Lquido Saturado

3. Mezcla

4. Vapor Saturado

5. Vapor Sobrecalentado

Observa y Analiza:


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14. Manejo de Tablas de propiedades termodinmicas

Los diagramas de propiedades termodinmicas se basan en tablas de valores que se

usan para construir grficas bidimensionales y tridimensionales. Los diagramas

tienen una exactitud limitada por la calidad grfica de la reproduccin y por el

tamao, de modo que cuando se quiere obtener una exactitud mayor se recurre

directamente a las tablas.

En la actualidad se cuenta con datos generalmente considerados como fidedignos

de una cantidad considerable de sustancias. Al menos podemos encontrar tablas de

propiedades de las sustancias mas comunes: agua, aire, vapor, amonaco, dixido

de carbono, algunas sustancias orgnicas, refrigerantes comunes y los hidrocarburos

mas simples. Cuando decimos vapor a secas, sin especificar de qu vapor se trata,

siempre nos referimos al vapor de agua. Esta es probablemente la sustancia mas

estudiada y mejor conocida en sus propiedades. Existen varias tablas de

propiedades del vapor, ya que ha sido objeto de ensayos e investigaciones en varios

pases.

La mayora de las tablas son de fluidos puros, pero tambin se pueden encontraralgunas que proporcionan informacin sobre mezclas. La mas conocida de ellas es

la del aire, que como ya hemos puntualizado se puede considerar una mezcla de

composicin constante. Algunas otras tablas de propiedades listan valores de

soluciones y mezclas comunes: NaOH-agua, etanol-agua, metanol-agua, y otras por

el estilo. La tabla de propiedades del aire hmedo es un ejemplo tpico.

La mayor parte de las tablas de propiedades termodinmicas contiene la siguienteinformacin: presin, temperatura y volumen, entalpa, entropa. En el rango en el

que la sustancia se encuentra en equilibrio de fases, como por ejemplo dentro de la

zona de coexistencia lquido-vapor, se acostumbra listar las propiedades del vapor y

del lquido puro en columnas separadas.

Las unidades usadas en las tablas dependen de su origen y de la poca en que han

sido compiladas. Las que han sido confeccionadas en pases de habla inglesa antes


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de 1980 por lo general se dan en unidades inglesas, y posteriormente a esa fecha a

veces en unidades SI, o ambas. Todas las tablas de origen europeo (excepto las

inglesas) se dan en unidades SI, pero a menudo se usan bares en lugar de Pascales

para la presin. Por supuesto, esto no supone ninguna dificultad si se cuenta con un

buen programa de computadora para la conversin de unidades.

A modo de ejemplo, vemos a continuacin un fragmento de una tabla de

propiedades termodinmicas del vapor de agua.

Cmo usar las tab las de prop iedad es termod inm icas ?

Las tablas de propiedades termodinmicas sirven para determinar los valores de las

variables de estado que corresponden a ciertas condiciones de un sistema que nos

interesa por alguna razn.

Resulta obvio que para determinar el estado del sistema sin ninguna posibilidad de

duda se necesitan dos valores de propiedades de estado. Por lo comn se conoce

alguno de los valores de las propiedades P-V-T, generalmente la presin o la

temperatura, que son las propiedades mas fciles de medir. Con menor frecuencia

puede que se conozca alguna de ellas y otra propiedad de estado como la entalpa,

la entropa o el volumen especfico, o se sabe que el estado corresponde a la

condicin de lquido o de vapor saturado. Es decir, en este ltimo caso el punto que

representa al estado del sistema se encuentra sobre la curva de liquido saturado o

sobre la curva de vapor saturado. En las tablas de propiedades normalmente se


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suele dar una tabla para los valores de la sustancia saturada y otra por separado

para los valores de la sustancia sobrecalentada.

Cmo in terpo lar en las tab las de prop iedades termodinm icas?

Es muy improbable que tengamos como dato una propiedad de estado que coincida

exactamente con un valor de la tabla. Por ejemplo, si tenemos una tabla de vapor

con entrada por presiones y se necesita encontrar alguna propiedad y el estado que

le corresponde a la presin de 35 Kpa del agua, es probable que no encontremos

esa presin en la tabla. Habr dos entradas, que corresponden a un valor por

encima y a otro por debajo de la presin que tenemos. En ese caso no queda otrasolucin que interpolar entre esos dos valores.

Nos ubicamos en la tabla de saturacin del agua:

Encontremos la temperatura: P (Kpa) T (C)

X0 =30 Y0=69.10

X = 35 Y = ?

X1 = 40 Y1=75.87

Ahora utiliza esta forma:

Y= (Y1Y0) * (XX0) + Y0

(X1- X0)

Sustituyendo:

T = Y = (75.8769.10 ) * (35- 30) + 69.10 = 72.48 esta es la temperatura a 35 Kpa.(4030)


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15. Reglas para identificar estados termodinmicos

Entre ellas estan:

Psis < Psat Vapor Sobrecalentado

Tsis > Tsat Vapor Sobrecalentado

Tsis < Tsat Lquido comprimido

Psis > Psat Lquido Comprimido

Donde:

Psis = Presin del sistema.Psat = Presin saturacin, siendo la presin a la que ocurre el proceso de ebullicin

a una temperatura dada.

Tsis = Temperatura sistema.

Tsat = Temperatura de saturacin: Temperatura a la que ocurre la ebullicin a una

presin dada.

Los estados termodinmicos se determinan analticamente usando las reglastermodinmicas antes mencionadas y graficamente en diagramas

termodinmicos (P-T, P-V, T-V, etc)observa, analiza ypractica los ejercicios.

Otras reglas:

Pf


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En el estado de mezcla encontramos cierta fraccin de vapor que se expresa a

travs de la calidad del sistema (x); y una fraccin de humedad (1- X) que es la

porcin del lquido presente en el mismo.

Psis = PfX Pfg Siendo esta una de las frmulas a travs de la cual

Psis = PfX (PgPf) se puede determinar la calidad del sistema

Fraccin de vapor Calidad (X):

X = mv HUMEDAD + CALIDAD = 1

mt % HUMEDAD + % CALIDAD = 100 %

Fraccin de Humedad (1- X):

(1-X) = ml Donde; mv: masa del vapor presente en el sistema

mt ml: masa del lquido presente en el sistema

mt= masa total del sistema

Cuando se estudian los procesos termodinmicos que poseen

1. Recipientos rgidos:

V1 = V2 (Volumenes permanecen iguales en su fase inicial y final).

2. Recipientes cerrados:

m1= m2 (masa de la sustancia permanece igual en su fase inicial hasta la final).


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Determinacin de estados de una Sustancia Pura a travs de:

a) Ley de Gases Ideales:

Un gas ideal o perfecto segn su modelo terico posee las siguientes caractersticas:

* Las molculas que lo componen tienen masa mas no volumen, estas no presentan

fuerza de atraccin ni repulsin entre s, ni con otros cuerpos, ahora veamos:

P . v = n * Ru * T (1) Donde: Ru: Constante de gases ideales.

n: nmero de moles n= m Ec.(2)Pm

P: Presin

v: volumen total

T; Temperatura

Sustituyendo la ecuacin (2)en ec (1)

P.v = m * Ru * T Ec. (3) mientras que; Rp es la constante particular del gas.

Pm Rp = Ru Ec (4)

Pm

Y recordando que volumen especfico es V = V = Volumen total

m masa

Sustituyendo Ec (4) en la Ec (3)

P .V = Rp * T

Y para sistemas cerrados: P1. V1 = P2 .V2

T1 T2


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b) Factor de Compresibilidad (Z)

Z = 1 Es indicativo de comportamiento de gas ideal.

Normalmente se obtiene de un diagrama de compresibilidad generalizada que se

encuentra en la ultima pag de esta gua, en la cual se encuentra con dos de los

siguientes tres parametros.

1 ) Temperatura reducida (Tr)

Tr = TsistTcrt

2) Presin reducida (Pr)

Pr = Psist

Pcrt

3) Volumen seudo reducido (Vsr)

Vsr = Vsist = Vsist * Pcrt =

VcrtIDEAL Rp * Tcrt

Los valores de Temperatura crtica (Tcrt), Presin crtica (Pcrt), Constante particular

del gas (Rp), puedes ubicarlos en las tablas termodinmicas segn propiedades enestudio del gas respectivo.


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Ejercicios:

1. Presin:

1.1.) Determine la presin atmosfrica donde la altura baromtrica es 740 mmHg y la

aceleracin de la gravedad es de 9,81 m/s2, y la densidad es de 13,570 kg/m3

1.2.)Un cilindro pistn vertical contiene un gas a una presin de 100 Kpa, el pistn tiene una

masa de 5Kg y un dimetro de 12 cms, La presin del gas aumenta por el peso aplicado al

pistn. Determine la presin atmosfrica que incide en el cilindro.

Datos:

P= 100 Kpa

m =5 Kg

D= 12 cms.

Patm =?

P = Patm * A + w despejando Patm =Pw

A

Patm = 100 kpa - (5Kg * 9,81m /s2) *

3.14 * (0.12 m)2

2

Patm = 97 ,54 Kpa.


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2.) Identificacin de estados termodinmicos:

2.1) Determine el estado del agua, a una temperatura de 200 C y una Presin de 1 Mpa.

Datos:

Tsis = 200 C Sistema

Psis = 1 Mpa H2O

Analticamente:

1.) Entro a la tabla de Saturacin con Tsis = 200C y se ubica:

Presin saturacin = Psat = 1.5538 Mpa

Volumen del lquido = Vf= 0.001157 m3/Kg

Volumen del vapor = Vg = 0.12736 m3/Kg

2) Comparo la Presin del sistema con la Presin de Saturacin, y analizando las Propiedades

termodinmicas(Ver 15. pg 23)

Psis < Psat El estado es vapor sobrecalentado por ser la presin del

1 Mpa < 1,5538 Mpa sistema menor que la presin de saturacin.

3) Una vez determinado el estado, se ubican las otras propiedades (Volumen especfico,

Entalpa, entropa) de este sistema, Con la presin y temperatura del sistema

En la tabla de vapor sobrecalentado a una Psis= 1 Mpa y Tsis = 200C

V =0.2060 m3/Kg

h = 2827.9 kj/kg

S = 6,6940 kj/kg


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Grficamente:

2.2) Determine el estado del agua a una temperatura del agua de 180 F y un volumen

especfico de 45 ft3/lbm.

Datos:

Tsis = 180 F SistemaVsis= 45 ft3/lbm H2O

Analticamente:

Si puedes notar esta en unidades inglesas, debes ubicarte en estas tablas. Y te recuerdo que el

ejercicio 2.1 es sistema internacional.

1) Se ubica en la tabla de saturacin del agua los volmenes, tanto del lquido como del vapor,para luego compararlo de acuerdo a las reglas termodinmicas, con el volumen del sistema

Volumen del lquido = Vf = 0.16509 ft3/lbm

Volumen del vapor = Vg = 50.20 ft3/lbm

Comparando con las reglas termodinmicas, Vf < Vsis


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Interpretando puedes notar que el sistema permanece en estado de mezcla:

Entonces, determina la fraccin de vapor y humedad presentes:

Psis = PfX Pfg Siendo esta una de las frmulas generales a travs de

Psis = PfX (PgPf) la cual puedes determinar calidad, lo determinas en

funcin del volumen especfico que es una de las

propiedades que se tienen en estudio.

Despejamos: X=Vsis - Vf = (45 - 0,16509) ft3/lbm =0. 896 = 89.6 % de calidad

(VgVf) (50,20 - 0,16509) ft3/lbm

Y la fraccin de humedad es (1 X) = 1 0.896 = 0.114 = 11.4 % de humedad.

Grficamente:

Vf= 0.16509 Vg= 50.20

V (ft3/ lbm)

Vsis = 45 (ft3/ lbm)

Tsis= 180 F

T F

Psat

Zona de Mezcla


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3.3)Un tanque rgido contiene 10kg de agua a 90C. Si 8kg de agua estn en la forma lquiday el resto en vapor determine: a) La presin del tanque b) El volumen del tanque

a) La presin del tanque

b) El volumen del tanque


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3.4)Un recipiente de 80lt, contiene 4kg de refrigerante 134a a una presin de 160kPa.Determine:a) La temperatura del refrigerante

b) La calidad del vapor

c) La entalpa del refrigeranted) El volumen ocupado por la fase del vapor


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3.5) Un recipiente rgido cerrado con un volumen de 0.5m3 , se calienta con una placaelctrica. Inicialmente el recipiente contiene agua como una mezcla bifsica de lquidosaturado y vapor saturado a 1bar y un titulo de 0.5; tras calentarlo, la presin de eleva a1.5bar. Representar los estados inicial y final en diagrama T-V y determinar: a) La

temperatura en C para cada estadob) La masa de vapor presente en cada estado en kg. c) La presin del recipiente si este siguecalentando hasta que solo contenga vapor saturado.


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3.6 Calcule la presin que ejerce 100 Kg de vapor sobrecalentado de agua contenido en un

recipiente de 1, 6555 m3, a 550C, utilice:

a) Ley de Gases Ideales.

b) Factor de compresibilidad.


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1. Un cilindro pistn vertical contien un gas cuya masa es de 60 Kg, cuya area

seccional es de 0.04 m2, la presin atmosfrica local es de 0.97 bar, y la aceleracin

de la gravedad es 9.81 m/s2. Determine: a) La presin que inside en el cilindro, b) si

la transferencia de calor y el volumen del gas aumenta , que efectos produce en la

presin que inside en el cilindro.

2. Complete el siguiente cuadro de propiedades. Indique en los diagramas T-V y P-V

en que estado se encuentra dicha sustancia.

SUSTANCIA TEMP C P (Mpa) V (m3/Kg) X Estado

Agua 75.87 0.040 2.5 Mezcla

Amonaco 1 0.8

Fren12 12.78 Lquido Saturado

Agua 20 0.0075

Agua 120 2

Fren - 12 5 1

3. Determine la masa de 50 m3 de una mezcla de agua con una humedad de 4%, siest en un recipiente a una presin de 1.5 Kgf/cm2.

4. Un tanque contiene Fren -12 a 35 C. El volumen del tanque es de 0.1 m 3, y el

volumen inicial del lquido en el tanque es igual al volumen de vapor. Se aade ms

fren-12 forzndolo dentro del tanque hasta obtener una masa de 80 Kg de fren.

Determine: a) Volumen final del lquido en el tanque asumiendo que la temperatura

en el tanque se mantiene constante, b) Cantidad de masa que fue introducida altanque.

5. Un tanque rgido de 15 ft3contiene una mezcla saturado de refrigerante 12 a 30

psia. Si el lquido saturado ocupa el 10% del volumen total: Determine a) Calidad.

b) masa total del refrigerante.


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6. Se tiene 50gr de agua a 90C en un sistema cilindro pistn inicialmente el embolo

descansa sobre los topes tomando igual cantidad de liquido y de vapor en este

momento. Se suministra calor al sistema y el embolo se eleva de los topes,

posteriormente continua la transferencia de calor hasta que el sistema alcanza una

temperatura de 500 C. el embolo tiene una masa de 65 Kg y una area transversal

de 0.1968 m2,. La presin atmosfrica es de 100 Kpa y la aceleracin de la gravedad

es de 10 m/s2. DETERMINE: a) Presin inicial del sistema, b) Estado en que el

embolo comienza a levantarse de los topes, c) Presin final del sistema. D) Dibuje el

diagrama P- V.

7. Si un recipiente rgido cerrado contiene vapor de agua a 1.5 Mpa y 240 C. Latemperatura disminuye a 20C. Determine en el estado final: a) Presin. b)

Humedad. c) Porcentaje de volumen que ocupa el vapor.

8. Se poseen dos tanques idnticos de 200 litros cada uno conectados entre s por

un arreglo con vlvula, uno de los tanques est completamente vaco, mientras que

el otro contiene una mezcla saturada de 50% liquido y 50 % vapor de Fren-12 a

25 C. La vlvula que conecta los tanques se abre permitiendo que el vapor fluya altanque vaco, hasta que las presiones se igualan. Si el proceso completo es

isotrmico. Cul es la nueva calidad en el tanque inicialmente lleno?

9. Un tanque de 1 m3contiene 2,841Kg de vapor de agua a 0,6 Mpa. Determine la

Temperatura del vapor. Utilizando:

a) Ecuacin de estado de gases ideales. b) Grfica de compresibilidad. c) Tablas

termodinmicas.


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VALORES DE CONSTANTE UNIVERSAL DE LOS GASES (Ru)


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Tema 1 Sustancias Puras2

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