PROPIEDADES DE UNA SUSTANCIA PURA TERMODINÁMICA SESIÓN 1

¿QUÉ ES UNA SUSTANCIA PURA? Una sustancia que tiene una composición química fija en todas sus fases se denomina sustancia pura. Es aquella que tiene una composición química homogénea e invariable que puede existir en más de una fase. Por ejemplo: el agua, una mezcla de hielo y agua; son sustancias puras porque para cada fase tienen la misma composición. En cambio el agua de mar no es sustancia pura porque al producirse la evaporación, el vapor tendría una composición química diferente a la de la fase líquida.

El estudio se limitará a sustancias puras, simples y compresibles. El término simple y compresible implica que solo se está considerando la forma de trabajo P d V;(recordar que volumen minúscula es el volumen específico es decir volumen total entre la masa total en kg.m 3 /Kg) en tanto que pura implica que las sustancias contienen únicamente un componente químico (por ejemplo H 2, O 2, amoniaco o nitrógeno), por lo tanto, se excluye cualquier mezcla de dos o más sustancias (como agua salada, whiskey o aire húmedo). La excepción corresponde al aire, que se trata como una sustancia pura en muchos casos prácticos, a pesar de ser una mezcla inerte de N 2, 0 2, y otras moléculas. Además, se supondrá que las sustancias tienen una composición molecular fija a lo largo de este estudio; es decir, no tiene lugar ninguna reacción química

EL POSTULADO DE ESTADO Dos propiedades termodinámicas independientes cualesquiera son suficientes para establecer el estado termodinámico estable de una masa de control constituida por una sustancia pura, simple y compresible.  Presión  Volumen  Energía interna  Temperatura  Entalpia  entropía (Ojo la masa de control se analiza solo en sistemas cerrados).

Estado estable : El postulado de estado puede enunciarse en una forma muy útil: Dos propiedades termodinámicas intensivas e independientes bastan para establecer el estado termodinámico estable de una sustancia pura, simple y compresible. Estos enunciados se aplican únicamente a sustancias simples compresibles (gases); en consecuencia, la única forma de trabajo posible es P d V.

Si se conocen T y v para una sustancia pura y compresible, entonces P y u tienen valores conocidos unívocamente. Matemáticamente, esto se expresa como P= P (T, v) es decir la P es función de la T y el v Y u = u (T, v) es decir la u es función de la T y el v La elección de las variables independientes en la expresión es arbitraria mientras sean independientes, por lo que otras opciones equivalentes son P=P (u, T) 0 P = P(u, v) Y u = u(P, T) 0 u= u(P, v)

SUSTANCIAS SIMPLES COMPRESIBLES Fases líquidas. P = P(T, v). Si se dibuja la trayectoria de este proceso en una gráfica de presión contra volumen, se obtiene una línea como la que se muestra en la figura siguiente: Donde A denota el estado inicial y B el estado final. Entre A y B se encuentra una serie de estados que están en equilibrio térmico y el proceso que los une sigue una isoterma o línea de temperatura constante. A un proceso semejante que pasa por una serie de estados de equilibrio se le ha definido como proceso casi en equilibrio. Obsérvese en la figura el cambio tan grande en la presión del agua para un pequeño cambio en el volumen específico. La explicación es que el agua líquida es casi incompresible, y con frecuencia se considera por conveniencia que el valor de v es constante para el agua líquida (y muchos otros líquidos) cuando la presión cambia a temperatura constante.

SATURACIÓN Y FASES Al aumentar más el volumen una cantidad más de líquido se convierte a vapor, hasta que se alcanza el punto D, donde justamente todo el líquido ha desaparecido y toda el agua se encuentra en forma de vapor. El estado físico de la masa de control en el punto C, recibe el nombre de líquido saturado; la temperatura del agua en este estado corresponde al punto de ebullición o temperatura de saturación a la presión de la masa de control. Sobre la línea CD, los estados del agua son una mezcla de dos formas físicamente diferentes, líquido y vapor. A estas formas físicamente diferentes de un componente se les llama fases y a los estados que se encuentran a lo largo de la línea CD se les denomina estados difásicos. Liquido – vapor(estados difásicos)

CALIDAD Se define como la masa de vapor presente en la mezcla Difásica dividida entre la masa total y se representa por el símbolo X. Así pues: La calidad varía desde 0, cuando la masa de control está compuesta únicamente de líquido saturado, hasta 1, cuando está constituida únicamente por vapor saturado. Con frecuencia, la calidad también se expresa como un porcentaje Calidad

La calidad solo sirve cuando trabajamos dentro de la campana Si un depósito está con la mitad de líquido y mitad vapor, entonces la calidad será 50 % ?

LA RELACIÓN P-V-T Proceso isócoro: calentamiento (o enfriamiento) de un recipiente rígido; se mide cómo varía P con T. Además, el calor intercambiado es exactamente la variación de energía interna, ∆U.

Proceso isobaro: calentamiento (o enfriamiento) de un sistema cilindro-pistón sometido a presión constante; se mide cómo varía V con T. Además, el calor intercambiado es exactamente la variación de entalpía, ∆H.

Proceso isotermo: compresión (o expansión) de un sistema de paredes diatérmicas, sumergido en otro cuya temperatura es constante (foco); se mide cómo varía P con V.

VAPORIZACIÓN ISOBARA DE UNA SUSTANCIA PURA f = Fluido Liquido saturado g = gas Vapor saturado

DIAGRAMA DE FASES: P-T

ISOTERMAS: DIAGRAMA P-V

Punto Crítico: (P C ) Es el estado donde las fases líquida y gaseosa se confunden. Este punto varía dependiendo de la sustancia tratada y se define por: la presión crítica (Pc), la temperatura crítica (Tc), etc. En los procesos que se llevan a cabo a esta Pc y Tc, no se puede establecer un cambio de fase líquido a vapor y no pasan por un estado de equilibrio. Punto Triple: (P T ) Es una propiedad característica de las sustancias, en el cual coexisten las tres fases, es decir coexisten los estados sólido líquido y gaseoso.

Para fijar un estado de una sustancia pura es necesario conocer por lo menos dos propiedades intensivas o específicas independientes. El término Temperatura de Saturación designa la temperatura a la cual se efectúa la evaporación a una presión dada, y esta presión se denomina Presión de Saturación. Las condiciones de presión y temperatura en que dos fases coexisten en equilibrio se denominan las condiciones de saturación. La temperatura de saturación depende de la presión, a mayor presión mayor es la temperatura de saturación y viceversa.

( 1 ) Líquido comprimido o sub enfriado:(LC o LSE) Es aquel que tiene una temperatura menor que la de saturación a una presión dada. ( 2 ) Líquido Saturado: (LS) Es cuando un estado es tal que empieza a cambiar de fase líquida a fase gaseosa, es decir se inicia la evaporación. Es aquel que se encuentra a la temperatura de saturación correspondiente a su presión. Todos estos estados constituyen la línea de líquido saturado. ( 3 ) Vapor Húmedo o mezcla líquido-vapor: (VH) Es aquel que contiene líquido más vapor en equilibrio

( 4 ) Vapor Saturado:(VS) Es cuando un estado es tal que el vapor comienza a cambiar de fase gaseosa a fase líquida (condensación). Como por ejemplo la lluvia o la formación de escarcha. Estos estados forman la línea de vapor saturado. ( 5 ) Vapor Sobrecalentado: (VSC) Es aquel que tiene una temperatura mayor que la de saturación pero a una presión dada

USO DE TABLAS DE VAPOR Estudiaremos el caso del agua, por las siguientes razones: 1. El comportamiento es análogo en sustancias puras 2. Las tablas son similares en cuanto la forma de presentar los datos 3. La importancia del agua en los procesos térmicos

Principios de Termodinámica para Ingenieros Autor Howell & Buckius

1.Tablas de Vapor Saturado: ( Tabla A.1.1 o Tabla A.1.2) Dadas la presión o temperatura de saturación, se pueden encontrar las propiedades de líquido y vapor saturado. Ejemplo: Calcular T(°C) para P = MPa.

TABLAS DE VAPOR SOBRECALENTADO: Basta tener definida la P y T para definir el estado de la sustancia. En algunas tablas no se tiene u ó h como datos, en este caso se usa la fórmula:

Ejemplo: Hallar el volumen específico (v), entalpía (h) y entropía (s) que corresponde a: A dicha presión la temperatura de saturación T s = 89.95°C. Luego a T = 400°C nos encontramos en la zona de VSC. Debemos interpolar en las tablas de VSC.

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