Termodinámica I Universidad Del Azuay Propiedades de las Sustancias Puras

Sustancias puras A toda sustancia que cuente con una composición química fija en cualquiera de sus partes se le denomina Sustancia Pura. No se necesita que este conformada únicamente por un solo elemento o compuesto químico, puede ser una mezcla de varios siempre y cuando dicha mezcla sea homogénea

Sustancias puras 1 elemento mezcla

Sustancias puras Ejemplos Sustancias Puras - Aire - Agua - Nitrógeno - Helio - Dióxido de carbono

Sustancias puras Una mezcla de dos o mas faces de una sustancia pura se sigue considerando una sustancia pura mientras la composición química de las fases sea la misma. AIRE AGUA

Fases en Sustancias Puras Fases Principales: Sólida Líquida Gaseosa

Fases en Sustancias Puras Una sustancia puede tener varias fases dentro de la principal, cada una con distintas estructuras moleculares. El carbono existe como grafito o diamante en la fase sólida

Fases en Sustancias Puras EL helio tiene dos fases liquidas El hierro 3 fases sólidas A altas presiones el hielo existe en siete fases diferentes

Fases en Sustancias Puras Al estudiar las fases o cambios de fase en termodinámica, no es importante concentrarse en las estructuras moleculares, si no mas bien es útil comprender los fenómenos moleculares de cada fase

Sustancias puras Fenómenos moleculares en cada fase: Sólidos Pequeña distancia entre cada molécula Gran fuerza de atracción y repulsión entre moléculas Posición relativamente fija de las moléculas (leve oscilación) Incremento de temperatura genera mayor oscilación molecular y por ende disminución en las fuerzas intermoleculares Leve energía interna en las moléculas

Sustancias puras Fenómenos moleculares en cada fase: Líquidos Espaciamiento molecular similar al de la fase sólida Las moléculas ya no están en posición fija entre si, pueden girar y desplazarse libremente Sólidos >Fuerzas intermoleculares>Gases Sólidos < Energía interna < Gases

Sustancias puras Fenómenos moleculares en cada fase: Gaseosa Moléculas muy apartadas entre sí No hay orden molecular, se mueven al azar chocando unas con otras y con el recipiente que las contiene Fuerza inter molecular tiende a cero Gran energía interna en las moléculas

Sustancias puras Fenómenos moleculares en cada fase:

Procesos de cambio de fases Es importante tener en cuenta que dos fases de una sustancia pura pueden coexistir en equilibrio. Se utilizara el agua para demostrar los principios básicos, sin embargo es importante recordar que todas las sustancias puras exhiben el mismo comportamiento general.

Procesos de cambio de fases Líquido comprimido y líquido saturado

Procesos de cambio de fases Vapor Húmedo

Procesos de cambio de fases Vapor Saturado y Valor Sobrecalentado

Procesos de cambio de fases

Temperaturas de saturación y presión T.sat=F(Psat) El decir el agua hierve a 100º C es incorrecto, lo correcto seria decir el agua hierve a 100oC a 1atm=(101.325KPa) de presión. Si la presión es 500KPa el agua empezaría a hervir a 151.8oC

Temperaturas de saturación y presión La temperatura a la cual comienza a hervir el agua depende de la presión, en consecuencia si la presión es constante, sucede lo mismo con la temperatura de ebullición. 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)

Temperaturas de saturación y presión T.sat=F(Psat)

Temperaturas de saturación y presión Calor latente Cantidad de energía absorbida o liberada que se requiere para que se produzca un cambio de fase Calor latente de fusión Calor latente de evaporación

Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase T-V

Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase Punto critico: punto en el que los estados de líquido saturado y de vapor saturados son idénticos La T,P,V se denominan: Temperatura critica (Tcr) Presión critica (Pcr) Volumen critico (Vcr) A presiones superiores a la presión critica no hay un proceso distinto de cambio de fase

Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase Punto critico H2O

Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase

Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase P-V

Diagramas de propiedades para procesos de cambio de fase P-T (Diagrama de fases)

Tablas de Propiedades Las relaciones entre propiedades son demasiado complejas como para expresarlas atreves de ecuaciones, es por ello que dichas propiedades se representan en formas de tablas. Para cada sustancia las propiedades termodinámicas se representan en mas de una tabla, una por cada región de interés; zona de vapor sobrecalentado, líquido comprimido y zona de saturación

Tablas de Propiedades Entalpía (Propiedad de combinación.) Es una propiedad térmica que determina la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con sus entorno, esta en función de su materia. Se la utiliza en análisis de procesos de generación de potencia y refrigeración

Tablas de Propiedades Especifica h= u+Pv (kJ/Kg) Entalpia Total H= U+PV (KJ) Al grupo u+ Pv se lo conoce como entalpia y se lo utiliza en análisis de volumen de control

Tablas de Propiedades Producto Presión x Volumen tiene unidades de energía

Tablas de Propiedades Entalpía de vaporización ( 𝒉𝒇𝓰 ) La entalpía de vaporización ( o calor latente de vaporización), representa la cantidad de energía necesaria para evaporar una masa unitaria de líquido saturado a una temperatura o presión determinada. Se vuelve cero (0) en el punto critico.

Manejo de Tablas El siguiente manejo de tablas esta en función del libro de Yanus A. Cengel “TERMODINÁMICA”

Manejo de Tablas Interpolación lineal

Manejo de Tablas Estados de líquido saturado y de vapor saturado. Para la sustancia pura agua Tabla A4 y Tabla A5 Tabla A4: las propiedades se dan a partir de la temperatura. Tabla A5: Las propiedades se dan a partir de la presión

Manejo de Tablas Estados de líquido saturado y de vapor saturado. El subíndice ( 𝒇 ) denota propiedades del líquido saturado. El subíndice ( 𝓰 ) denota propiedades del vapor saturado. El subíndice ( 𝒇𝓰 ) denota propiedades de la diferencia del vapor saturado menos el líquido saturado de la misma propiedad.

Manejo de Tablas Estados de líquido saturado y de vapor saturado.

Manejo de Tablas Estados de líquido saturado y de vapor saturado.

Manejo de Tablas Mezcla saturada de liquido-Vapor (Vapor húmedo)

Manejo de Tablas Mezcla saturada de liquido-Vapor (Vapor húmedo) La Calidad o Titulo X, es igual a la razón entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla, su valor esta entre (0 y 1)

Manejo de Tablas x= 𝑉 𝑝𝑟𝑜𝑚 − 𝑉 𝑓 𝑉 𝑓𝑔 Mezcla saturada de liquido-Vapor (Vapor húmedo) Por ser complicado conocer las masas dentro del vapor húmedo, se utilizan los volúmenes promedios. Por lo tanto en este caso la calidad vendrá expresada en términos de volumen x= 𝑉 𝑝𝑟𝑜𝑚 − 𝑉 𝑓 𝑉 𝑓𝑔

Manejo de Tablas Yprom= Yf + xYfg Mezcla saturada de liquido-Vapor (Vapor húmedo) Ordenada (X): P o T Abscisa (Y): Propiedades(v,u,h o s) Yprom= Yf + xYfg Yf ≤ Yprom ≤ Yg

Manejo de Tablas Mezcla saturada de liquido-Vapor (Vapor húmedo) Todos los estados de vapor húmedo, se localizan bajo la curva de saturación; por lo tanto, todo lo que se necesita para analizar vapores húmedos, son los datos de líquido y vapor saturado. En el caso del agua en las tablas (A4 y A5)

Manejo de Tablas Vapor Sobrecalentado tabla (A-6) En esta zona solo existe vapor La temperatura y la presión ya nos son propiedades dependientes Se puede utilizar la P y T como propiedades independientes

Manejo de Tablas Vapor Sobrecalentado

Manejo de Tablas Vapor Sobrecalentado En comparación con el vapor saturado, el sobrecalentado se caracteriza por:

Manejo de Tablas Líquido Comprimido (A7 para el agua) Poco comunes El formato de las tablas es similar a las de vapor sobrecalentado Poca relación entre la temperatura y presión

𝑌≅ 𝑦 𝑓 @ 𝑇 Manejo de Tablas Líquido Comprimido Una buena aproximación es considerar el líquido comprimido como un liquido saturado a la temperatura dada 𝑌≅ 𝑦 𝑓 @ 𝑇

Manejo de Tablas Líquido Comprimido

Manejo de Tablas h≅ ℎ 𝑓 @ 𝑇 + 𝑉 𝑓 @ 𝑇 (P− 𝑃 𝑠𝑎𝑡 @ 𝑇 ) Líquido Comprimido La entalpía al ser mas sensible a la presión podría generar errores significativos aproximándola a la de saturación es por ello que se emplea la siguiente ecuación, cuando tenemos únicamente presiones y temperaturas entre bajas y moderadas h≅ ℎ 𝑓 @ 𝑇 + 𝑉 𝑓 @ 𝑇 (P− 𝑃 𝑠𝑎𝑡 @ 𝑇 )

Manejo de Tablas Líquido Comprimido

Manejo de Tablas Completar la siguiente tabla ToC P, kPa u, kJ/kg x Fase 200 0,6 125 1600 1000 2950 75 500 850

Ecuación de Estado del Gas Ideal Es cualquier ecuación que relacione la presión, el volumen especifico y la temperatura. Así se puede determinar el comportamiento de cualquiera de esos tres parámetros en determinadas sustancias y faces, siempre y cuando se conozcan las otras 2

Ecuación de Estado del Gas Ideal

Ecuación de Estado del Gas Ideal Donde la constante de proporcionalidad (R) se denomina la constante de los gases ideales. Pv=RT (Relación del gas ideal) Cualquier sustancia que obedece a esta relación se la puede considerar como un Gas Ideal

Ecuación de Estado del Gas Ideal La constante R es diferente para cada gas y se determina a partir de la siguiente ecuación: 𝑅= 𝑅 𝑢 𝑀 Ru = Constante universal de los gases M = Masa molar o peso molecular del gas

Ecuación de Estado del Gas Ideal

Ecuación de Estado del Gas Ideal La constante Ru es la misma para todas las sustancias y su valor es:

Ecuación de Estado del Gas Ideal Ejercicio: Determine la masa del aire de una habitación cuyas dimensiones son 5x4x6 metros a 100kPa y 25º C

Ecuación de Estado del Gas Ideal

Ecuación de Estado del Gas Ideal

Ecuación de Estado del Gas Ideal

Ecuación de Estado del Gas Ideal Si se cuenta con una sustancia que mantiene la misma masa y existen cambios en sus presiones, volúmenes o temperaturas, se puede utilizar la siguiente relación:

Ecuación de Estado del Gas Ideal Los gases ideales son utilizados para cálculos de tipo teórico (sustancia imaginaria) que obedece a la relación PV=mRT Esta relación se aproxima mucho al comportamiento de algunos gases reales a bajas densidades mostrando resultados con errores inferiores al 1% Para generación eléctrica el vapor alcanza altas presiones es por ello que no se lo puede trabajar como un gas ideal.

Otras Ecuación de Estado

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