SESIÓN 3: PROPIEDADES DE SUSTANCIAS PURAS Benigno Miñano Calderón Ms. Ingenierio Químico Termodinámica

Es una sustancia que tiene una composición química fija. H 2 O, N 2, He, CO 2 Una sustancia pura no tiene que estar conformada por un solo elemento o compuesto químico. Una mezcla de varios de estos también califica como una sustancia pura siempre y cuando la mezcla sea homogénea. Ejemplo: el aire es una mezcla de varios gases, que se considera como sustancia pura porque tiene composición química uniforme. La mezcla de agua y aceite NO es sustancia pura, el aceite no es soluble en agua. Una mezcla de dos o mas fases de una sustancia pura se sigue considerando una sustancia pura mientras la composición química de las fases sea la misma. Ejemplo, mezcla de hielo y agua liquida, o mezcla de agua liquida y agua gaseosa. Tomada de Cengel 7 ed. SI es S.pura NO es S.P

Las sustancias existen en fases diferentes. Por ejemplo en Cond Amb (T=60°F y P= 14,7 psia), el Cu (sólida) ; el Hg (liquido) ; el N 2 (gaseoso) ; el H 2 O (líquida) En condiciones diferentes cada uno podría aparecer en condiciones diferentes. H °C y 1 atm Cambio de fase (ebullición) H 2 0 °C y 1 atm cambio de fase (congelamiento) Tomada de Cengel 7 ed. Fases principales: Sólido, Líquido y Gaseosa. Una sustancia puede tener varias fases dentro de la principal. Ejemplo: el carbón existe como grafito o diamante en la fase sólida En un sólido las fuerzas de atracción y repulsión entren las moléculas tienen a mantenerlas a distancias relativamente constantes unas de otras. Red sólido Fase Sólida: Las moléculas están separadas pequeñas distancias, existen grandes fuerzas de atracción, las moléculas mantienen posiciones fijas unas con respecto a las otras pero oscilan esta oscilación depende de la temperatura.

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. Fase Sólida Fase Líquida Fase Gaseosa Tomada de Cengel 7 ed. Disposición atómica en las diferentes fases principales. Fase Líquida: El espaciamiento molecular es parecido al de la fase sólida, excepto que las moléculas ya no mantienen posiciones fijas entre si y pueden girar y trasladarse moléclibremente. Las ulas flotan en grupos.

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. Tomada de [2] Desublimación o deposición

Imágenes tomadas de Cengel 7 ed. A 1 atm y 20 °C, el agua existe en la fase líquida (Estado 1: líquido comprimido). 1 atm de presión y 100 °C, el agua existe como un líquido que está listo para evaporarse (Estado 2: líquido saturado). A medida que se transfiere más calor, parte del líquido saturado se evapora (Estado 3: mezcla saturada de líquido-vapor). A 1 atm de presión, la temperatura permanece constante en 100 °C hasta que se evapora la última gota de líquido (Estado 4: vapor saturado). Conforme se transfiere más calor, la temperatura del vapor empieza a aumentar (Estado 5: vapor sobrecalentado).

Tomada de Cengel 7 ed A una determinada presión, la temperatura a la que una sustancia pura cambia de fase se llama temperatura de saturación, Tsat. Del mismo modo, a una temperatura determinada, la presión a la que una sustancia pura cambia de fase se llama presión de saturación, Psat.

Para fundir un sólido o vaporizar un líquido se requiere una gran cantidad de energía. La cantidad de ésta que es absorbida o liberada durante el proceso de cambio de fase se llama calor latente. Específicamente, la cantidad de energía absorbida durante la fusión se llama calor latente de fusión y equivale a la cantidad de energía liberada durante la congelación. De modo similar, la cantidad de energía absorbida durante la evaporación se llama calor latente de evaporación y es equivalente a la energía liberada durante la condensación.

Una gráfica de Tsat en función de Psat, como la ilustrada para el agua en la figura se llama curva de saturación de líquido- vapor. Una curva de esta clase es característica de todas las sustancias puras. Tanto la presión atmosférica como la temperatura de ebullición del agua disminuyen con la altura; por lo tanto, la cocción toma más tiempo a mayores alturas que al nivel del mar (a menos que se use una olla a presión).

Punto Triple : Proyección de la línea triple en el diagrama P –T. Es un punto en el cual las tres fases existen en equilibrio. Línea Triple : Se observa en los diagramas P – v y T – v. Los estados de una sustancia sobre la línea triple tienen la misma presión y temperatura. Domo : Zona de mezcla dentro de la cual hay cambio de fase. Línea de Saturación : Línea donde comienza a ocurrir el cambio de fase, delimita el domo, existen 3: Línea de Solido saturado. Línea de Liquido saturado. Línea de Vapor saturado. Punto Crítico: Punto de máxima temperatura y presión por debajo del cual puede ocurrir el cambio de fase Liquido –Vapor o viceversa, a presión y temperatura constante. Punto en el cual los estados de liquido saturado y vapor saturado son idénticos. Por encima del punto critico no existe una línea que separe la región de liquido y vapor, el cambio de fase ocurrirá de manera espontanea a medida que aumenta la presión y la temperatura. Temperatura de Saturación: Es la temperatura donde ocurre el cambio de fase. Presión de Saturación: Es la presión donde ocurre el cambio de fase.

La línea de líquido saturado representa los estados de la sustancia tales que: Al suministrar una cantidad pequeña de energía a la sustancia a presión constante una fracción pequeña de líquido cambiará a vapor. La extracción de energía de la sustancia en un estado cualquiera que se halle sobre la línea de vapor saturado da como resultado la condensación parcial del vapor, mientras que el suministro de energía origina el vapor sobrecalentado. Región central es región humedad.

El agua es una sustancia anómala que se expansiona al solidificar. Así, el volumen específico de la fase sólida es mayor que el de la fase líquida. En la Figura se muestra la superficie PvT modificada para tener en cuenta este comportamiento.

LIQUIDO COMPRIMIDO Las tablas para líquido comprimido no son muy comunes, por lo que la A-7 Es la única que se presenta en este libro para dicho caso. El formato de la Tabla A-7 es muy similar al de las de vapor sobrecalentado. Una de las razones Por las que no hay datos para líquido comprimido es la relativa independencia de sus propiedades respecto a la presión. La variación de las propiedades de Líquido comprimido con la presión es muy ligera: aumentar 100 veces esta ultima ocasiona que las propiedades cambien menos de 1 por ciento. A falta de datos para líquido comprimido, una aproximación general es Considerar al líquido comprimido como un líquido saturado a la temperatura dada. Esto se debe a que las propiedades del líquido comprimido Tienen mayor dependencia de la temperatura que de la presión. Así, Para líquidos comprimidos donde y es v, u o h. De estas tres, la propiedad Cuyo valor es más sensible a las variaciones de presión es la entalpía h. Aunque la aproximación anterior produce un error insignificante en v y u, el error en h puede alcanzar niveles indeseables. Sin embargo, con h a presiones y temperaturas entre bajas y moderadas es posible reducir considerablemente el Error al evaluar h a partir de:

BIBLIOGRAFIA [1] Cengel and Yunus. Termodinámica. Sexta edición Capitulo 3. [3] Diapositivas del Ingeniero Mario Arrieta, UNEFA. Venezuela. [2] Cengel and Yunus. Termodinámica. Septima edición Capitulo 3. [4] Diapositivas del Ingeniero Carlos G. Villamar L, ULA. Venezuela.