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Termodinámica

Sustancia pura

Profesor: Freddy J. Rojas, M.Sc.

Sustancia Pura

H2O

Freddy J. Rojas, M.Sc. 2


Caldera de vapor


Caldera de vaporVapor

Sustancia pura

Sustancia que tiene una composición

química fija.

Agua (H2O)

Nitrógeno (N2)

Helio (He)

Dióxido de carbono (CO2)

Aire (N2, O2, CO2, Ar, …)



Sustancia pura

Vapor

Líquido

Vapor

Líquido

H2OAire


Fases de una sustancia pura

Sólido

Líquido

Gaseoso


H2O: (1-2): Calor sensible

P = 1 atm

T = 27 °C

Peso = 0 kg

P = 1 atm

Pistón

H2O

P = 1 atm

T = 100 °C

Peso = 0 kg

P = 1 atm

1 2Líquido

Saturado

Líquido

comprimido


H2O: (2-4): Calor latente

Líquido saturado

P = 1 atm

T = 100 °C

Peso = 0 kg

P = 1 atm

Mezcla saturada

Líquido – Vapor

(Vapor húmedo)

P = 1 atm

T = 100 °C

Peso = 0 kg

P = 1 atm

Vapor saturado

T = 100 °C

Vapor

Saturado3 4


H2O: (4-5): Calor sensible

P = 1 atm

T = 300 °C

Peso = 0 kg

P = 1 atm

5


Propiedades de saturación, H2O

27

100

300


Propiedades de saturación, H2O

27

100

300

Campana de Andrews

Vapor

sobrecalentado

Línea de vapor

saturado

Línea de

Líquido

saturado

Mezcla saturada

Líquido-vapor

(Vapor húmedo)


Temperatura de saturación y

presión de saturación

La temperatura a la cual comienza a hervir el

agua depende de la presión.

A una determinada presión, la temperatura a

la que una sustancia pura cambia de fase se

llama temperatura de saturación, Tsat

A una temperatura determinada, la presión a

la que una sustancia pura cambia de fase se

llama presión de saturación, Psat


Diagrama T-v, H2O (líquido-vapor)

T °C

170,41

100,00

237,33Vapor

sobrecalentado

Punto crítico

Línea de vapor

saturado

Línea de

Líquido

saturadoP = 22,09 MPa374,14

Mezcla saturada

Líquido-vapor

(Vapor húmedo)


Diagrama P-v, H2O (líquido-vapor)

Diagrama P-T o Diagrama de fases



Superficie P-v-T

sólido

Só

lid

o-l

íqu

ido

líq

uid

o

vapor

Sólido-vapor

Líquido-vapor


Superficie P-v-T (vistas)

Sustancia que se expande al congelarse: H2O


(a) (b)


(a) Diagrama P-T o Diagrama de fases: H2O

P

T

Sólido

Líquido

vaporPunto triple

Punto crítico


(b) Diagrama P-v, H2O (sólido-líquido-vapor)

VAPOR

LÍQUIDO+VAPOR

Línea triple

SÓLIDO+VAPOR

SÓ

LID

O

LÍQ

UID

O

Punto críticoP

v

Sustancia que se comprime al congelarse


(a) (b)


(a) Diagrama P-T o Diagrama de fases

P

T

SólidoLíquido

vaporPunto triple

Punto crítico


(b) Diagrama P-v (sólido-líquido-vapor)

VAPOR

LÍQUIDO+VAPOR

Línea triple

SÓLIDO+VAPOR

SÓ

LID

O

SÓ

LID

O+

LÍQ

UID

O

LÍQ

UID

O

Punto críticoP

v


Ejemplo

Decir en que fase se encuentra (H2O)?

P=?

T=150 °C

1 kg

28 kg

1 kg

28 kg

r = 10 cm


Equilibrio sólido-líquido-vapor

Es importante advertir que se necesita

dos propiedades intensivas

independientes para determinar el

estado de una sustancia pura.


Tablas de propiedades termodinámicas


Entalpía

En la generación de potencia y en

refrigeración:

u + Pv

h = u + Pv (kJ/kg)

H = U + PV (kJ)


Estados de líquido saturado y de

vapor saturado

Temp

°C

T

Pres.

Sat.

kPa

Psat

Volumen específico

m3/kg

Líquido

Sat.

vf

Vapor

Sat.

vg

85 57,83 0,001033 2,828

90 70,14 0,001036 2,361

95 84,55 0,001040 1,982

vf = volumen específico del líquido saturado

vg = volumen específico del vapor saturado

vfg = vg - vf


Vapor Saturado

Donde:

h = [kJ/kg]

v = [m3/kg]

u = [kJ/kg]

s = [kJ/kg.K]

fgfg

fgfg

fgfg

fgfg

sss

uuu

vvv

hhh


Mezcla saturada de líquido-vapor

gf

g

total

vapor

mm

mx

m

mx

Calidad, x

Su valor solo está entre 0 y 1


Calidad

Vg

Vapor saturado

Vf

Líquido saturado

Vprom

Mezcla saturada

líquido-vapor

Supongamos que tenemos un recipiente de H2O en

mezcla:


Calidad

AC

ABx

P o T

v

vfg

vprom-vf

A B C

fg

fprom

v

vvx

vf vprom vg


Mezcla saturada de líquido-vapor

xy 1

Humedad, y

Su valor solo está entre 0 y 1


Aproximación de líquido comprimido

como líquido saturado

Determine la energía

interna del agua líquida

comprimida a 80 °C y 5

MPa (abs).

%34,010072,333

72,33386,334

:

86,334

:

82,333

:

80@

Error

kg

kJuu

oAproximand

kg

kJu

Tablas

Cf

80

Real (tablas) Aproximado (líquido saturado)

T, [°C]

u, [kJ/kg]

Procesos en sustancia pura

Ejemplo:


1

2

3T, °C

v

4

1-2: isocórico

2-3: isobárico

3-4: PVn , (PV)

4-5: isotérmico

5


Problema 1 (Estado)

Un recipiente rígido

contiene 50 kg de

agua líquida

saturada a 90 °C.

Determinar:

La presión en el

recipiente, en kPa

Volumen del mismo,

en m3

3

90@

0518,0

183,70

mV

kPaPPsat


Problema 2 (Estado)

Calcular la entalpía y el volumen

específico de vapor que se encuentra a

200 kPa absolutos y 300 °C.

kg

mv

kg

kJh

VSC

3

3162,1

8,3071


Problema 3 (Estado)

Considerando el vapor a una presión de

200 kPa absolutos y con una energía

interna de 2966,7 kJ/kg. Determinar la

entalpía, la temperatura y el volumen

específico.

CT

kg

mv

kg

kJh

VSC

400

5493,1

6,3276

3


Problema 4 (Estado)

Considerando el agua a 10 MPa

absolutos y 60 °C, se desea calcular su

entalpía y su volumen específico en

estas condiciones.

kg

mv

kg

kJh

LC

3

001013,0

49,259


Problema 5 (Estado)

Un recipiente rígido contiene 10 kg de agua a

90 °C. Si 8 kg del agua están en forma

líquida y el resto como vapor, determine:

La presión en el recipiente, en kPa

El volumen del recipiente, en m3

3

90@

73,4

183,70

mV

kPaPPCsat


Problema 6 (Estado)

En un recipiente se tiene amoniaco a

una presión de 250 kPa absolutos y

una temperatura de 30 °C. ¿qué

cantidad de sustancia (kg) se encuentra

en el recipiente de 0,5 m3?

kgv

Vm

kg

mv

865,05780,0

5,0

5780,0

3


Problema 7 (Estado)

Se utiliza R12 en un sistema de refrigeración.

En una etapa del proceso sale gas caliente

del compresor a 1,0 MPa absolutos y 70 °C.

Determinar la velocidad en un tubo de 2,5 cm

de diámetro, si el flujo es de 3 kg/min.

s

mmc

A

mvc

v

Acm

kg

mv

o

o

07,2min

6,124

4

)025,0(

)020397,0)(0,3(

020397,0

2

3


Problema 8 (Estado)

Un recipiente de 80 L

contiene 4 kg de

refrigerante 134a a una

presión de 160 kPa.

Determine:

La temperatura, en °C

La calidad

La entalpía del

refrigerante, en kJ/kg

El volumen que ocupa la

fase vapor, en m3

30775,0

2,64

157,0

60,15160@

mV

kg

kJhh

x

CTT

g

prom

kPasat


Problema 9 (Estado)

Calcular la entalpía y el volumen

específico de vapor a 250 kPa

absolutos y con 50% de calidad en una

mezcla líquido-vapor.


Problema 10 (Proceso)

En un sistema cilindro-

pistón, una masa de

200 gr de agua líquida

saturada se evapora

por completo a una

presión constante de

100 kPa. Determine:

Cambio de volumen, en

m3

Cantidad de energía

transferida al agua, en kJ

kJH

mV

5,451

3386,03


Problema 11 (Procesos)

Si el vapor de agua está inicialmente a 3 MPa absolutos y 300°C en un dispositivo cilindro-pistón. Sigue los siguientes procesos:

El agua se enfría a volumen constante hasta que la temperatura alcanza 200°C,

Siendo comprimida a continuación isotérmicamente hasta un estado en el que la presión es 2,5 MPa absolutos.

a) Localizar los puntos en los diagramas T-v y P-v

b) Determinar los volúmenes específicos en los tres puntos y la calidad del estado 2.

kg

mv

kg

mvv

kg

mv

3

3

3

12

3

1

001157,0

0811,0

0811,0

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