TERMODINAMICA I -...

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA ESCUELA ACADEMICO PROFESIONALFACULTAD DE INGENIERIA DE INGENIERIA EN ENERGIA

TERMODINAMICA - I Ingº CESAR A. FALCONI COSSIO

TERMODINAMICA

I

2011 – II



UNIDAD

Nº 1

SESION Nº 4



PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

1.- DEFINICION.-

Una sustancia pura es aquella que tiene una composición química fija yuniforme en cualquier porción de la misma. Ej. H2O, CO2 , NH3 .

Una sustancia pura no siempre está conformada por un solo elemento ocomponente químico. Una mezcla de varios de éstos también puede serconsiderado como una sustancia pura, siempre y cuando la mezcla seahomogénea.

El aire es una mezcla de varios gases pero se considera una sustancia puraporque tiene una composición química uniforme.

2.- FASES DE UNA SUSTANCIA PURA.-

A temperatura y presión ambiental, las sustancias pueden existir en fasesdiferentes. El cobre es sólido, el Hg es líquido y el N2 es un gas, pero encondiciones diferentes, cada uno podría aparecer en fases diferentes.

Las fases sonde tres tipos: sólida, líquida y gaseosa; una sustancia puedetener varias fases dentro de la principal, cada una con una distinta estructuramolecular.

El Carbono existe como grafito o diamante en la fase sólida.

El He tiene dos fases líquidas.

El Fe tiene tres fases sólidas.

A altas presiones, el hielo existe en 7 fases diferentes

Una fase tiene una configuración molecular diferente, es homogénea en todas suspartes y está separada de las demás fases por superficies frontera de fácilidentificación.

Ej. Las fases del H2O en agua helada.



2A.- FASE SOLIDA.- Se caracteriza por quelas moléculas están dispuestas enun patrón tridimensional o una red que se repite por todo el sólido.

A causa de las pequeñas distancias intermoleculares existentes en unsólido, las fuerzas de atracción entre las moléculas es grande y las mantienen enposiciones fijas, oscilan de manera contínua respecto a sus posiciones deequilibrio.

2B.- FASE LIQUIDA.-Se caracteriza porque el espaciamiento molecular esparecido a la fase sólida excepto en que las moléculas ya no están en posicionesfijas entre sí y pueden girar y trasladarse libremente. Las fuerzasintermoleculares son débiles, sin embargo son de tal naturaleza que lasmantienen unidas para definir un volumen del líquido.

2C.- FASE GASEOSA.-Se caracteriza por que las moléculas están bastanteapartadas, no hay un orden molecular, se mueven al azar con colisiones concontínuas entre sí y contra las paredes del recipiente que las contiene.Sus fuerzasmoleculares son muy pequeñas, especialmente a bajas densidades. En la fasegaseosa, las moléculas tienen un nivel de energía muy alto comparado con loslíquidos o sólidos, por lo que para que un gas se condense o congele debeliberar, antes, una gran cantidad de energía.



3.- PROCESOS DE CAMBIO DE FASE.-

3.1.- LIQUIDO COMPRIMIDO ( O SUB-ENFRIADO ) –LIQUIDO SATURADO.-

Considerando un sistema tal como se muestra,que contiene agua líquida inicialmente,en el estado (a) a la temperaturaT. El recipiente está cerrado por su pistónsin fricción, de tal forma que su presión semantiene constante en todo momento. En P = 1 atmeste punto el líquido se denomina líquido T = 20 ºCcomprimido o sub-enfriado y que no estáa punto de evaporarse.

Ta

Se puede incrementar la temperatura en ± 10 ºC,transfiriendo calor al sistema, implica que seproducirá un pequeño incremento delvolumen (por dilatación), es decir aumenta P = 1 atmel volumen específico, el pistón se eleva T = 30 ºCsuavemente, pero la presión no cambia, elagua sigue siendo liquido comprimido. Unlíquido que está a punto de evaporarse sellama liquido saturado. Tb ( Tb › Ta )



Si se sigue añadiendo calor hasta quela temperatura alcance el valor detemperatura de evaporación, conocidatambién como temperatura de cambiode fase o TEMPERATURA DESATURACION, desde ese punto P = 1 atmhasta que finalice la evaporación T = 100 ºCla temperatura permaneceráconstante, cualquiera sea el flujo de fin de lacalor transferido, siempre y cuando evaporaciónla presión permanezca constante comoal principio del proceso.

Vapor saturado es el vapor cuya temperatura es la de saturación, éste vapor estáa punto de condensarse si es que pierde cualquier cantidad de calor por pequeñoque sea.

3.2.- VAPOR SATURADO Y VAPOR SOBRECALENTADO.-

Una vez que se inicia la ebullición, el aumento de temperatura se detienehasta que se evapora todo el líquido, si se mantiene constante la presión durantetodo el proceso de cambio de fase, la temperatura también se mantiene constanteesto se resume en la siguiente conclusión:

“LA TEMPERATURA DE SATURACION DEPENDE DE LA PRESION. AMAYOR PRESION MAYOR ES LA TEMPERATURA DE SATURACION”

Cuando el proceso de cambio de fasetermina se alcanza una región de unasola fase (vapor). En este punto transferirmás calor implica el aumento de latemperatura y del volumen especifico. P = 1 atmSi el sistema estudiado es calentadohasta que su temperatura sea ± 300 ºC T = 300 ºCy si se retira algo de calor del sistemala temperatura del vapor disminuirámuy poco pero no habrá condensaciónmientras la temperatura sea mayor de100 ºC.Un vapor que no está a punto de condensarse ( es decir que no es vaporsaturado) se denomina vapor recalentado o sobrecalentado.



T ºCP = 1 atm

300 5

2 Mezcla 3100 4

liquido saturadacomprimido

20 1

υ

En el diagrama mostrado, ( T vs. υ ) se representa el proceso de calentamientodel agua a presión constante.

3.3.- TEMPERATURA DE SATURACION Y PRESION DE SATURACION

A una determinada presión, la temperatura a la que una sustancia pura

cambia de fase se llama temperatura de saturación, Tsat . Igualmente a

una determinada temperatura, la presión a la que una sustancia pura cambia de

fase se llama Presión de saturación, Psat

Para el agua, a una presión de 101.325 kPa, la temperatura de saturación

es, Tsat = 99.97 ºC; mientras que a la temperatura de 99.97 ºC, la presión de

saturación es, Psat = 101.325 kPa.

Existen tablas con los valores de presiones, temperaturas y demás

propiedades físicas para casi todas las sustancias

.- Para fundir un sólido o vaporizar un líquido se requiere una gran cantidad

de energía

.- La cantidad de energía que es absorbida o liberada durante un cambio de fase

Vap

orre

cale

ntad

o



se llama CALOR LATENTE

.- La cantidad de energía absorbida durante la fusión se llama Calor latente de

fusión y es equivalente a la energía liberada durante la congelación.

.- La cantidad de energía absorbida durante la evaporación se llama Calor

latente de vaporización y es equivalente a la energía liberada durante la

condensación.

Los valores de los calores latentes dependen de la temperatura y presión a

la que se lleva el cambio de fase.

Para el agua, a 1 atm. el calor latente de fusión es 333.7 kJ/kg

El calor latente de evaporación es 2256.5 kJ/kg

Durante un cambio de fase, la presión y la temperatura son propiedades

dependientes y hay una relación dependiente entre ellos, Tsat = f (Psat )

Psat kPa

600

400

200

0

0 50 100 150 200

TsatºC

Este gráfico representa la llamada curva de saturación líquido – vapor y

es característica para las sustancias puras, se observa que Tsat se incrementa con

Psat, es decir una sustancia a mayores presiones hervirá a mayores temperaturas.



En resumen queda establecido que una sustancia puede evaporarse a

diferentes temperaturas, dependiendo ésta de la presión a la que se encuentra.

Ej. Para el agua se tiene :

Temperatura Presión

10 ºC 1.2276 kPa

50 ºC 12.349 kPa

100 ºC 0.101325 MPa

300 ºC 8.581 MPa

374.14 ºC 22.09 MPa

Existen tablas para muchos fluidos.



4.- DIAGRAMAS DE PROPIEDADES PARA PROCESOS DE

CAMBIO DE FASE.-

4.1.- DIAGRAMA T –υ

Este diagrama representa el cambio de fase de una sustancia pura a

diferentes temperaturas y diferentes presiones.

Para el caso del agua, a medida de aumenta la presión, la línea de

saturación se acorta y se convierte en un punto cuando la presión alcanza el

valor de 22.06 MPa.

Este punto se llama PUNTO CRITICO y se define como el punto en el que



los estados líquido saturado y vapor saturado son idénticos, se confunden.

La temperatura, la presión y el volumen especifico de una sustancia en el punto

crítico se denominan Tcrit – Pcrit – υcrit.

Pcrit Tcrit υcrit

Ej. Para el agua : 22.06 MPa 373.95 ºC 0.003106 m3/kg

Para el He : 0.23 MPa – 267.85 ºC 0.01444 m3/kg

Existen tablas para los valores en el punto crítico para muchas sustancias.

En este diagrama se observa que a presiones superiores a la Pcrit no hay un

proceso definido de cambio de fase, pero el volumen específico de la sustancia

aumente de forma contínua y en todo momento sólo hay una fase presente.

Cuando se unen los puntos de líquido saturado mediante una línea

llamada línea de líquido saturado y los puntos de vapor saturado mediante una

línea de vapor saturado, ambas curvas coinciden en el punto crítico y forman

una curva contínua llamada domo



En la región de líquido comprimido o en la región de vapor recalentado, la

sustancia existe en una sola fase líquida o vapor; la región entre estas dos zonas

abarca todos los estados de ambas fases en equilibrio y se llama región de mezcla

saturada de líquido – vapor o región húmeda.

4.2.- DIAGRAMA P – υLa forma general del diagrama P – υ de una sustancia pura es similar a la

del diagrama T – υ , pero las líneas de temperatura son constantes. En caso del

agua se observa que a medida que disminuye la presión, el volumen específico

aumenta un poco y cuando la presión alcanza el valor de saturación (0.4762

MPa) a la temperatura especificada el agua comienza a hervir.

Vaporhúmedo enequilibrio



En los gráficos mostrados se han representado los estados de equilibrio

entre fases líquido y vapor, sin embargo también se puede incluir la fase sólida y

graficar los equilibrios sólido – líquido y sólido – vapor.

Existen sustancias que se contraen durante el proceso de solidificación o

congelación. El diagrama P – υ de estas sustancias difieren con la del agua en

que la región de saturación sólido – líquido es diferente.

Hay sustancias, especialmente el agua, que se expanden al solidificarse o

congelarse, por eso es que flotan cuando se encuentran en equilibrio con su fase

líquida. En caso del agua, permite que en el fondo de los lagos, ríos y los océanos

siempre exista la fase líquida, lo que es necesario para la vida de los organismos

acuáticos.

Dos fases en equilibrio es algo común, sin embargo, las tres fases también

pueden coexistir en equilibrio, fig. (a); en los diagramas P – υ o T – υestos

estados de tres fases forman una línea llamada LÍNEA TRIPLE.



Diagrama de unasustancia que secontrae al solidificarse

Diagrama de unasustancia que seexpande al congelarse



Los estados que se hallan sobre la línea triple de una sustancia tienen lamisma presión y temperatura pero diferentes volúmenes específicos. Dicha líneaaparece como un punto denominado PUNTO TRIPLE donde las tres fasesexisten en equilibrio. Para el agua, la temperatura y la presión del punto tripleson: 0.01 ºC y 0.6117 kPa.

(a) (b)

En la fig.(b) se muestra el proceso para el que algunas sustancias que seencuentran a presiones bajas, inferiores al valor del punto triple, en la fasesólida, directamente se evaporan sin pasar por el estado líquido. Este fenómenose denomina sublimación.

4.3.- DIAGRAMA P – T

Ninguna sustancia puede existir en la fase líquida en equilibrio estable apresiones menores que la del punto triple; pero el agua es una sustancia tanespecial, que no puede existir en forma líquida en equilibrio a presiónatmosférica y temperaturas menores a 0 ºC; pero existe como líquido a – 20 ºCy 200 MPa de presión; el hielo existe en 7 diferentes fases sólidas a presionessuperiores a 100 MPa.

El gráfico mostrado a continuación, se conoce como diagrama de fase,porque las tres fases están separadas entre sí por tres líneas:

.- de sublimación entre sólido y vapor

.- de evaporación que divide la fase líquida y de vapor

.- de fusión que separa las regiones sólida y líquida.



4.4.- SUPERFICIES P – υ – T

Superficie P-V-T deuna sustancia que secontrae al congelarse



En ambos diagramas, todos los puntos sobre una superficie P-V-T representanestados de equilibrio

5.- TABLAS DE PROPIEDADES

Las relaciones entre las propiedades termodinámicas de las sustanciasresultan complejas cuando hay que expresarlas mediante ecuaciones físicas, porlo que se prefiere emplear los datos de estas propiedades que se encuentrantabuladas y si no los hubiere, se calculan mediante relaciones sencillas.

Existen tablas para muchas sustancias de interés industrial, tanto en el SI comoen el sistema inglés.

5.1.- ENTALPIA.-

En ciertos procesos termodinámicos tal como la generación de potencia ola refrigeración, normalmente se emplea la combinación de las propiedades, (u +P υ) que representa una nueva propiedad termodinámica llamada ENTALPIA

que se representa mediante el símbolo h o H.

Superficie P-V-T de unasustancia que seexpande al congelarse



En el análisis del volumen de control es normal encontrar la combinación u+ P υ

h = u + P υ ………………… (1) kJ/kg

H = U + P υ ………… (2) kJ

h = entalpía específica; H = entalpía total; u = energía interna.

El producto P υ tiene unidades de energía; KPa . m3 = kJ

KPa . m3/kg = kJ/kg

bar . m3 = 100 kJ

de (1) se deduce que : u = h - P υEl término entalpía proviene de la palabra griega enthalpien = calentar

5.2.- ESTADOS DE LÍQUIDO SATURADO Y DE VAPORSATURADO.-

Las propiedades de líquido saturado para el agua y de vapor saturado seencuentran en tablas, las que proporcionan la misma información si se empleantomando como datos de partida las presiones o temperaturas, tal como semuestra en la tabla adjunta.



El subíndice f denota propiedades del líquido saturado, el subíndice g expresa

propiedades de vapor saturado, el subíndice fg denota la diferencia entre losvalores de vapor saturado y líquido saturado.

La cantidad hfg se conoce como entalpía de vaporización o calor latente devaporización, representa la cantidad de energía necesaria para evaporar unamasa unitaria de líquido saturado a una temperatura o presión determinadas.

Disminuye cuando aumenta la temperatura o la presión y se vuelve ceroen el punto crítico.



Empleando tablas:

Dada la temperatura. Entonces se emplea la tabla cuya entrada es latemperatura. En la misma fila se encuentra el valor de la presión y este valorcorresponde a la presión de saturación, Psat , en la misma fila se pueden leer lasdemás propiedades termodinámicas.

Dada la presión. Se emplea la tabla cuya entrada es la presión, ubicada lapresión en la misma fila se ubica la temperatura, ésta es la temperatura desaturación, Tsat. a la presión dada., en la misma fila se ubican las demáspropiedades termodinámicas del sistema.



Puede darse el caso de que conocida la presión, dada una determinadamasa de sustancia sea necesario conocer el valor final cuando cambia de fase,entonces se procede de manera similar que en los casos anteriores, solo que haynecesidad de efectuar un cálculo sencillo, esto se muestra a continuación:

5.3.- MEZCLA SATURADA DE LÍQUIDO – VAPOR

Durante un proceso de evaporación, una sustancia existe una parte comolíquida y otra como vapor, es decir es una mezcla de líquido saturado y vaporsaturado.

Para analizar una mezcla, es necesario conocer en que proporciones se hallandentro de la mezcla, la fase líquida y vapor.



Existe una nueva propiedad llamada CALIDAD ( X ) que viene a ser la razónentre la masa del vapor y la masa total de la mezcla.= = ……… (3)= í + = + …. (*)

La calidad sólo tiene significado para mezclas saturadas y su valor varía entre 0

y 1.

No existe X para líquidos comprimidos o para vapor sobrecalentado.

En mezclas saturadas, la calidad puede servir como una de las dos

propiedades intensivas independientes necesarias para describir el estado de un

sistema.

Una mezcla saturada se puede tratar como una combinación de dos

subsistemas: líquido saturado y vapor saturado, pero por lo general se

desconoce la masa en cada fase, suponiendo que las dos fases se encuentran bien

mezcladas y forman una mezcla homogénea, entonces las propiedades de esta

mezcla son las propiedades “promedio” de la mezcla saturada líquido – vapor.

Suponiendo un recipiente que contiene una mezcla saturada líquido –

vapor, el volumen ocupado por el líquido saturado es Vf, el volumen del vapor

saturado es Vg y el volumen total de la mezcla V, entonces:= +Pero: V = m .υ

m total υprom = mf υf + mg υg

de la ec. (*): = −mtotal υprom = ( mt – mg )υf + mgυg ….. (**)



Como de la ec. (3) se sabe que: X = mg / mt entonces al dividir la ec. (**) entre

mt se obtiene:

υprom = ( 1 – X )υf + X υg

lo que finalmente también puede emplearse en los cálculos:

υprom = υf + X υfg …….. (4) ….. m3/kg

como:

υfg = υg - υf

= ……… (5)

En un diagrama P – υ o T – υ , a una temperatura o presión dadas, elnumerador de la ec. (5) es la distancia entre el estado real y el estado del líquido



saturado, mientras que el denominador es la longitud de toda la recta horizontalque une los estados de líquido saturado y vapor saturado.

Un estado de calidad de 50 % queda ubicado en la mitad de la rectahorizontal que une la línea de líquido saturado y vapor saturado.

Un análisis similar se puede efectuar empleando las relaciones de laenergía interna y de la entalpía, se obtienen los siguientes resultados:= + …… (6) ….. kJ/kg= + …….. (7) ….. kJ/kg

Como todos los resultados presentan la misma forma, se puede generalizar unaecuación matriz como: = + …… (8)

Los valores de las propiedades promedio de las mezclas están siempre entre losvalores del líquido saturado y las propiedades del vapor saturado.

≤ ≤



5.4.- VAPOR SOBRECALENTADO

En la región situada a la derecha de la línea de vapor saturado y atemperaturas superiores a la temperatura en el punto crítico, una sustanciaexiste como vapor sobrecalentado, en una sola fase (únicamente la de vapor).

La temperatura y la presión ya no son propiedades dependientes y puedeusarse de manera conveniente como dos propiedades independientes en tablas;

En comparación con el vapor saturado, el vapor sobrecalentado se caracterizapor:

Presiones menores ( P < Psat a una temperatura T dada )

Temperaturas superiores ( T > Tsat a una presión P dada )

Volúmenes específicos mayores ( υ > υg a una P o T dada)

Energías internas superiores ( u > ug a determinadas P o T )



Entalpías superiores ( h > hg a P o T especificadas)

Gráficamente se tiene:

5.5.- LIQUIDO COMPRIMIDO

No existe mucha información para analizar sistemas de líquidoscomprimidos, sin embargo una aproximación generalizada es considerar allíquido comprimido como un líquido saturado a la temperatura dada; esto sedebe a que las propiedades del líquido comprimido tienen mayor dependencia dela temperatura que de la presión.

En general un líquido comprimido se caracteriza por:

Presiones superiores ( P > Psat a una temperatura T dada )

Temperaturas inferiores ( T < Tsat a una presión P dada )

Volúmenes específicos menores ( υ < υf a una P o T dada)

Energías internas inferiores ( u < uf a determinadas P o T )

Entalpías inferiores ( h < hf a P o T especificadas)

Al contrario del vapor recalentado, las propiedades del líquido comprimido noson muy diferentes de los valores correspondientes para el líquido saturado.



6.- ESTADO DE REFERENCIA Y VALORES DEREFERENCIA

Los valores de u , h , y s no se pueden medir directamente y se calculan

a partir de propiedades medibles mediante las relaciones entre propiedadestermodinámicas.

Con estas relaciones se obtienen los cambios en las propiedades y no susvalores en estados específicos.

Por lo tanto es necesario elegir un estado de referencia conveniente yasignar un valor CERO para una propiedad o propiedades convenientes en eseestado.

Por ejemplo para el agua, el estado de líquido saturado a 0.01 ºC se tomacomo el estado de referencia, mientras que a la energía interna (u) y a laentropía (s) se le asignan valores de referencia de CERO.

TERMODINAMICA I -...

Documents

Transcript of TERMODINAMICA I -...