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TERMODINÁMICA DEL AGUA III DIAGRAMAS 3D ELABORÓ MSc . EFRÉN GIRALDO TORO. REVISÓ PhD CARLOS A, ACEVEDO -
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TERMODINÁMICA DEL AGUA III
DIAGRAMAS 3D
ELABORÓ MSc. EFRÉN GIRALDO TORO.REVISÓ PhD CARLOS A, ACEVEDO-
Contenido
Diagramas 3D
Regiones monofásicas
Regiones bifásicas o de mezcla
Equilibrio líquido vapor
Líneas de saturación de líquido y vapor
Línea y punto triple
Sublimación
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USOS DEL AGUA
Las sustancias simples compresibles seemplean en muchos sistemas deingeniería, incluyendo las plantas depotencia, sistemas de refrigeración ysistemas de distribución térmica.
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La sustancia simple más comúnmenteusada es el agua líquida (y otro de susestados: el vapor de agua) para captar ytransportar la energía y convertirla enotras fuentes energéticas como laeléctrica.
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El agua como agente de E
Lo anterior debido a que el agua tiene lamayor capacidad de adsorber energía (aexcepción del amoníaco) y cambia de unestado físico a otro en rangos prácticosde T.
El agua tiene una calor específico de 4,18kJ/kg.
Lo que significa que para elevar o variarla T a 1 kg de agua líquida en 1 °C o en1 °K, se le debe suministrar 4,18 kJ deenergía
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Centrales de Energía
La mayor parte de la energía eléctricamundial se genera a partir del agua, ya seapor centrales térmicas por medio de turbinasde vapor Figura 4, o por centraleshidroeléctricas Figura 5.
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Figura 4. Esquema de una central termoeléctrica: zona de combustión, caldera
(paso de agua líquida a vapor), turbina, generador, líneas de transmisión de E
eléctrica, condensador, torre de enfriamiento del agua.Tomado de: http:/// www.ktmet.com/wiki/index.php?title=RECURSOS_CENTRAL_T%C3%89RMICA
Turbina
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En una central termoeléctrica Figura 4,la energía química de un combustible(gas, aceite, carbón) se convierte enenergía térmica.
La energía térmica convierte el agualíquida a vapor sobrecalentado a gran P yT, lo que a su vez mueve una turbina yesta, a un generador eléctrico.
Es por tanto de suma importancia elconocimiento termodinámico del agua.
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11Tomado de: http://www.renovables-energia.com/2009/06/esquema-de-una-central-hidroelectrica/
Figura 5. Esquema de una central hidroeléctrica con sus principales componentes:
represa en la parte alta, sistema de tubería de conducción del agua, turbina, generador,
transmisión de E.
En la central hidroeléctrica la energíapotencial del agua se convierte en energíacinética y esta en eléctrica.
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También se usa el vapor de agua comoreactivo químico en la industriametalúrgica y petroquímica y el agualíquida como medio en la industriaquímica en general.
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Muchos de los desarrollos más importante de la humanidad se han dado a partir de las propiedades del agua.
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Los diagramas de una sustancia también se
pueden expresar como 3D. De hecho los
diagramas 2D vistos anteriormente se pueden
extraer de los 3D.
Diagramas 3D
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LINC INTERESANTE
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Gas
Gas
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Regiones monofásicas en un diagrama 3D
En la Figura 1 se observan tres regionesmonofásicas: sólido, líquido y gas.
La región de líquido es costumbre llamarlalíquido comprimido.
La de gas vapor sobrecalentado.
El estado del agua en estas regionesmonofásicas viene determinado por doscualesquiera de las tres propiedades quedefinen los tres ejes.
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Regiones bifásicas en un diagrama 3D
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La temperatura y la presión no sonpropiedades independientes en una mezcla.La una depende de la otra. Si se conoce Tautomáticamente se conoce la P.
Por lo tanto, estas dos propiedadesintensivas no son suficientes paradeterminar el estado de una mezcla.
Como ejemplo, el agua a 100°C tienenecesariamente una P de saturación de101.1 kPa. Ya la P está determinada porla T de saturación.
Y puede ser un líquido saturado, vaporsaturado, o una mezcla de los dos; nodefine un solo estado.
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Así que, aunque la temperatura y lapresión de cada uno de estos estadossean idénticas, sus volúmenesespecíficos, energías internas, y entalpíaspara los diferentes estados son bastantediferentes y sólo pueden serdeterminados si la calidad de la mezcla esconocida como se verá.
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Puntos y líneas de saturación de líquido o líquido saturado
Un punto como el b en la Figura 2, situadoentre una región de una fase, en este casolíquido, y otra región de dos fases, en estecaso (líquido + vapor), representa un estadode líquido saturado.
El conjunto de puntos de saturación forma lalínea de líquido saturado abcdf.
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b
Figura 2. Puntos y líneas de saturación en un diagrama de fases 3D para líquido
saturado abcf y para vapor saturado fdgh. Se aprecia también las regiones de
líquido comprimido, la región bifásica o de mezcla líquido saturado + vapor
saturado y vapor sobrecalentado.Tomado y modificado de: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/pvtsur.html#c1
a
c
g
h
d
sobrecalentadosaturados
comprimido
fLínea de Presión constante
Línea de T constante
Es un líquido saturado de calor o sea queya no soporta más energía calórica:
Está a punto de comenzar a volverse vapor.
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Significa que el líquido está justo entrelos dos estados. O sea, que con unpequeño aumento de E se vuelve vapor.O con una disminución de T se vuelve Liqcomprimido.
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Línea de líquido saturado
La unión de los puntos de saturacióngenera la línea de saturación abcf.
Lo que significa que cualquier punto de lalínea de saturación abcf es un líquidosaturado o a punto de volverse vapor o apunto de convertirse en líquidocomprimido.
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Región de mezcla o bifásica
La región central entre la línea de líquidosaturado abcf (exceptuando f) y la línea devapor saturado fdgh representa la zona demezcla de líquido saturado + vaporsaturado.
A medida que nos desplazamos hacia laizquierda en la línea ghdf, disminuye lacantidad de vapor saturado y aumenta lacantidad de líquido saturado.
En esta zona es importante unapropiedad denominada la “calidad”. Lacual expresa la fracción de vaporexistente en la mezcla.
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Puntos de saturación de vapor o de vapor saturado
Al llegar al punto g todo el líquido saturado seha convertido en vapor saturado. Este vaporsaturado está a punto de convertirse en vaporsobrecalentado
Por tanto en el punto dgh y similares sólo hayvapor saturado, nada de líquido saturado.
La línea dgh de la Figura 2 representael límite entre la región bifásica (líq sat +vapor sat) y la región monofásica devapor sobrecalentado.
Esta línea representa todos los puntos devapor saturado.
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Estado de equilibrio líquido-vapor
Se dice que una sustancia está en un estadodado en equilibrio con otro estado de lamisma, cuando las cantidades relativas deambos estados permanecen constantes(además de las condiciones mencionadasantes).
Si en un recipiente, el agua líquida está enequilibrio con vapor de agua, ambascantidades permanecen constantes.
Figura 3. (Cengel,2004)
Lo anterior no implica que no paselíquido a vapor o vapor a líquido.
Se debe cumplir que la cantidad demoléculas que pasan de líquido a vaporsea igual a la cantidad de moléculas quepasa de vapor a líquido.
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Línea triple. Punto triple
La línea horizontal ah “triple state” o estado triple,significa la línea donde a una T y P dadas,llamadas triples, existen simultáneamente los tresestados físicos de la materia en equilibrio.
Tomado de: Young, University Physics, 8ª Ed., Tabla 16-3ble
Figura 4. Estado sólido, líquido y gaseoso en equilibrio. (Cengel,2004)
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a
h
También se denomina punto triple porquecuando el diagrama 3D se proyecta en2D a uno PT, la línea triple se convierteen un punto triple.
Para el agua la T triple= 273,16 °K (0,01°C) y la P triple= 0,6167 kPa, siendo elvolumen variable.
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“Por debajo del punto triple ningunasustancia puede existir en fase líquida enequilibrio a bajas presiones, como seaprecia en la Figura 5.
Así, el agua no existe en forma líquidabajo 0 °C a presiones alrededor de 1atm”
(Cengel, 2004)
“Pero si pueden existir sustancias líquidasbajo la T triple (0.001 °C) a altaspresiones. El agua a -20 °C existe enforma líquida a presiones de 200 MPa”
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Figura 6. Sublimación. (Cengel,2004)
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(Cengel, 2004)
Bibliografía
Cengel, Y., y Boles, M. (2007). Termodinámica. Mc Graw Hill. 5ed. México.
Sala, A. (2014). Rompiendo la segunda ley de la termodinámica.Diaphoros Magazine. Año 1 no 1, Enero 2014. Tomado el día 24de Junio de 2014 de:http://diaphorosmag.files.wordpress.com/2013/12/diaphoros11.pdf
Piñero, R. (2014). Volúmenes de control. Tomado el 22 Junio de2014 de:
http://es.slideshare.net/YormanP/volumen-de-control
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Bibliografía
UPM: Página de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) –España:
http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/sistema.html
Laplace. Departamento de Física aplicada III. Universidad de Sevilla:
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Sistemas_termodin%C3%A1micos_(GIE)#Sistemas_termodin.C3.A1micos
http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1157/html/11_sistemas_termodinmicos.html
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