Expositor: bao barriga eRIK leonardo UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN MARTÍN Facultad de Ingeniería Agroindustrial Departamento Académico de Ingeniería Agroindustrial SUSTANCIA PURA, TRABAJO Y CALOR Expositor: bao barriga eRIK leonardo

SUSTANCIA PURA, TRABAJO Y CALOR Una sustancia que tiene una composición química fija recibe el nombre de sustancia pura. Una sustancia pura, no solo se trata de un solo elemento químico ya que la mezcla de elementos o componentes químicos también es considerada un sustancia pura, siempre y cuando la mezcla sea homogénea.

SUSTANCIA PURA Las sustancias puras mas comunes son: El aire El agua El nitrógeno El helio El dióxido de carbono Nota: recordar que es incorrecto hablar de estado sólido, líquido y gaseoso. Esas son "fases" de una sustancia. Podemos tener infinitos "estados" en una sustancia con el solo hecho de variar las propiedades intensivas independientes que lo determinan.

SUSTANCIA PURA Las moléculas de las sustancias están sometidas a dos tendencias opuestas: La energía cinética de traslación.-que poseen las moléculas que tienden a separarlas, depende directamente de la temperatura. A mayor temperatura mayor energía cinética de traslación. La energía potencial de atracción.- que tienden a reunirlas, depende de la intensidad de las fuerzas de atracción entre las moléculas y de la proximidad entre ellas.

FASES DE UNA SUSTANCIA PURA Una fase es un arreglo molecular distinto de una sustancia. Existen tres fases principales de la materia: Fase solida.-Las moléculas están separadas en pequeñas distancias, se arreglan en un patrón tridimensional y existen grandes fuerzas de atracción, las moléculas mantienen posiciones fijas unas con respecto a las otras pero oscilan, esta oscilación depende de la temperatura. Cuando la velocidad de oscilación aumenta lo suficiente estas moléculas se separan y empieza el proceso de fusión.

FASES DE UNA SUSTANCIA PURA Fase liquida.-El espaciamiento molecular es parecido al de la fase sólida, excepto que las moléculas ya no mantienen posiciones fijas entre si. Las moléculas flotan en grupos. Fase gaseosa.- Las moléculas están bastante apartadas unas de otras y no existe un orden molecular, estas se mueven de forma desordenada en continuo choque entre ellas y con el recipiente que las contiene

FASES DE UNA SUSTANCIA PURA

PROCESOS DE CAMBIO DE FASE EN SUSTANCIAS PURAS En todo proceso de cambio de fase la Presión y la Temperatura son propiedades dependientes. Los cambios de fase ocurren a Temperatura constante y son función de la Presión a la que ocurren. Una sustancia a presiones mayores hervirá a temperaturas mayores.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS LIQUIDO COMPRIMIDO O LIQUIDO SUBENFRIADO En una sustancia pura (estado líquido) y que no está a punto de evaporarse sino que le falta una adición de calor o un cambio negativo en la presión para hacerlo. Entendemos que la sustancia está líquida a una temperatura menor que la temperatura de saturación ( T < Tsat) para una presión determinada. La sustancia está como líquida a una presión mayor que la presión de saturación (P > Psat) a una temperatura determinada.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS LIQUIDO SATURADO Es aquel que está a punto de evaporarse. NOTA: Una sustancia pura está como líquido saturado se halla totalmente en ese estado, como líquido, nada de vapor ya que está a punto de comenzar a crearse a partir del agua líquida saturada. VAPOR SATURADO O VAPOR SATURADO SECO Es un vapor que está a punto de condensarse. En esta fase la sustancia está toda como vapor y es necesario retirar calor o aumentar la presión para provocar que se generen gotas de líquido.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS VAPOR SOBRECALENTADO Es vapor que está a una temperatura más alta que la temperatura de vapor saturado, por lo cual la sustancia sigue estando toda como vapor pero ya no estará a punto de condensarse o de formar pequeñas gotas de líquido. Si hablamos de vapor sobrecalentado entendemos que la sustancia está como toda vapor a una temperatura mayor que la temperatura de saturación ( T > Tsat) para una presión determinada.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS TEMPERATURA DE SATURACIÓN Y PRESIÓN DE SATURACIÓN El agua ebulle, o se comienza a evaporar, a 100ºC - 1 atm. la temperatura a la cual una sustancia pura comienza a cambiar de fase, bien sea comenzando a transformarse de agua a vapor (líquido saturado) o de vapor a líquido (vapor saturado), se llama temperatura de saturación, y esta temperatura de saturación siempre va a tener ligada una presión que se llamará presión de saturación. La temperatura de saturación para el agua a una presión de 1 atm = 101.325 kPa, es100ºC, la presión de saturación de 100ºC la respuesta es 1 atm. En pocas palabras, temperatura de saturación es la temperatura de ebullición para una presión determinada y la presión de saturación es la presión de ebullición para una temperatura determinada.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS Se observa de la figura (llamada curva de saturación de líquido- vapor), que Tsat aumenta con Psat. En consecuencia, una sustancia a presiones mayores hervirá a presiones más altas. En la cocina las temperaturas de ebullición más altas significan tiempos de cocción más cortos y ahorros de energía.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS VAPOR SATURADO + LIQUIDO SATURADO Es un estado en donde dentro de un sistema tenemos líquido al mismo tiempo que tenemos vapor. Un ejemplo de esto es la preparación de una sopa en una olla a presión en donde al cabo de algunos minutos habrá agua y vapor dentro de ella a cierta presión única para ambas fases de la sustancia. Cuando hablamos de líquido mas vapor se sobreentiende que existe la “CALIDAD”. La calidad es la cantidad de masa de vapor con respecto a la cantidad de masa total de la sustancia. Es decir, si está como toda vapor, calidad = 1, si está como todo líquido, calidad = 0, porque no hay nada de masa en fase vapor debido a que toda la masa está como líquido.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS CALIDAD Como habíamos dicho, es la cantidad de masa de vapor presente con respecto a la cantidad de masa total dentro del volumen de control. Estas son ecuaciones para hallar la calidad de una sustancia pura. Donde: vprom: volumen específico promedio. vf: volumen específico del líquido. vg: volumen específico del vapor.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS CALOR LATENTE Calor necesario para que se de el cambio de fase. A esta temperatura, que se mantiene fija, el sistema pasa de tener solo agua a tener solo vapor pasando por infinitos estados de líquido + vapor. El calor latente es, digamos, la cantidad de calor que una llama de estufa tiene que transferir a una olla para que el agua dentro cambie totalmente de fase líquida a fase vapor. Existe el calor latente de fusión, que es la cantidad de energía en forma de calor que se absorbe durante la fusión, que equivale a la energía liberada durante la congelación, y el calor latente de evaporación, que es la cantidad de energía absorbida durante la evaporación y equivale a la energía liberada durante la condensación. PUNTO CRÍTICO Líquido + Vapor en equilibrio con sus valores de presión y temperatura máximos. Se da en la punta superior de la campana de líquido + vapor en un diagrama T-v (Temperara vs. Volumen específico).

DIAGRAMAS DE PROPIEDADES PARA PROCESOS DE CAMBIO DE FASES Para comprender de forma completa el comportamiento de las sustancias puras es necesario tener en cuenta los diagramas de propiedades. Estos diagramas son tres: el diagrama Temperatura vs. Volumen específico (T-v), el diagrama Presión vs. Volumen específico (P-v) y el diagrama Presión vs. Temperatura (P-T). Estos diagramas son extraídos de las proyecciones sobre los planos que determinan los ejes de las llamadas superficies P-v-T. Y se dice superficies por el simple hecho de que no es una sino dos, la superficie para una sustancia que se contrae al congelarse y la superficie para la sustancia que se expande al congelarse. Como es de esperarse, los diagramas varían de acuerdo a si la sustancia se contrae o se expande cuando se congela.

DIAGRAMA T-v En este diagrama se pueden apreciar inicialmente tres regiones: la región de líquido comprimido, que es la región a la izquierda de la campana, la región de vapor sobrecalentado que es región a la derecha de la campana y la región de Líquido + Vapor saturados que es aquella que se halla dentro de la campana. La que se encuentra marcada como línea de P constante es toda la línea que comienza en la región de líquido comprimido, pasa por dentro de la campana y termina en la región de vapor sobrecalentado. No es solo el último segmento sino la línea completa.

DIAGRAMA P-v En comparación con el diagrama T-v, este diagrama tiene dos grandes diferencias. La primera es que la línea que era de presión constante pasa a ser una línea de temperatura constante, y . la segunda, que dicha línea desciende de izquierda a derecha en lugar de ascender.

DIAGRAMA P-T Este diagrama también se conoce como diagrama de fase porque es posible identificarlas al estar separadas por tres líneas. La línea de sublimación es la que separa la fase sólida de la fase vapor, la línea de vaporización separa la fase líquida de la fase vapor y la línea de fusión separa la fase sólida de la fase líquida. Hay una desviación en la línea de fusión dependiendo de si la sustancias se expande o se contrae al congelarse. Las tres líneas antes mencionadas convergen en el punto triple, el cual es el estado en el cual las tres fases de una sustancia pueden coexistir en equilibrio, es un estado donde se puede tener hielo, líquido y vapor al mismo tiempo.

TABLAS DE PROPIEDADES Tabla 1. Agua Saturada. Tabla de Temperaturas

TABLAS DE PROPIEDADES Tabla 2. Agua Saturada. Tabla de Presiones

TABLAS DE PROPIEDADES Para calcular el valor de una propiedad de una mezcla saturada (estados dentro de la campana), podemos utilizar las siguientes ecuaciones: Observe que una forma alternativa para encontrar el valor de la calidad podría ser:

TABLAS DE PROPIEDADES Tabla de Vapor de agua sobrecalentado Debido a que la línea que une los puntos que determinan el estado de un vapor sobrecalentado se halla fuera de la línea a temperatura constante, en esta tabla no existen propiedades para líquido saturado ni vapor saturado, es decir, sólo existe un valor por cada propiedad.

TABLAS DE PROPIEDADES LÍQUIDO COMPRIMIDO El líquido comprimido se caracteriza por: Presiones mayores (P > Psat a una T dada) Temperaturas menores (T < Tsat a una P dada) Volúmenes específicos menores (ν < νf a una P o T dadas) Energías internas menores (u < uf a una P o T dadas) Entalpías menores (h < hf a una P o T dadas) En la literatura no existen muchos datos para líquido comprimido. Esto debido a la relativa independencia de las propiedades de líquidos comprimidos de la presión. Ante la falta de datos de líquido comprimido, una aproximación general es considerar al líquido comprimido como un líquido saturado a la temperatura dada. Es decir: ν ≈ νf @ T u ≈ uf @ T h ≈ hf @ T

TABLAS DE PROPIEDADES

TABLAS DE PROPIEDADES Tabla de Agua líquida comprimida La tabla de agua líquida comprimida comparte las mismas características que la de vapor sobrecalentado. Es importante notar que a pesar de que el valor de la presión se incrementa el volumen específico casi no cambia y en una variación de presión de 45 MPa y una de temperatura de 380ºC, el volumen específico del agua solo cambia de un v = 0.0009767 a 0.0018729 m3/kg, el cual es un cambio demasiado pequeño. Es por esta razón por la cual los líquidos se consideran incompresibles, porque su volumen cambia demasiado son pocos con cambios significativos en temperatura y presión. Gracias a esta característica, el volumen específico del líquido comprimido se puede aproximar al del líquido saturado sin que ello lleve a errores importantes.

TABLAS DE PROPIEDADES Tabla de hielo saturado + vapor de agua Esta tabla posee la misma estructura que la tabla de líquido mas vapor saturado. Debido a que son dos fases las presentes existen diferentes cantidades de ambas a medida que cambian las condiciones de temperatura y presión, es decir, se puede ir de un estado de todo hielo a otro de todo vapor gracias a la sublimación. Como es de esperarse, hay una primera columna con temperaturas, que van de un valor de referencia cercano a cero (como 0.01ºC) hasta un valor negativo (-40ºC por ej.).

FIN DE LA EXPOSICION GRACIAS