Sustancias Puras y uso de las Tablas Termodinámicas

¿Qué es una sustancia pura en Termodinámica? Es toda sustancia que tiene su composición química homogénea e invariante. Ejemplo: El agua, el nitrógeno, el oxígeno, el amoníaco y muchos mas. Se considera una sustancia pura aquella que mantiene la misma composición química en todos los estados. Ejemplos de sustancias puras Helio puro. Agua pura. Oro puro. Los diamantes. El azufre. El ozono. Benceno (C 6 H 6 ). Cloruro de sodio (NaCl). Acido Sulfúrico (H 2 SO 4 ).

Se considera una sustancia pura aquella que mantiene la misma composición química en todos los estados. Una sustancia pura puede estar conformada por más de un elemento químico ya que lo importante es la homogeneidad de la sustancia. El aire se considera como una sustancia pura mientras se mantenga en su estado gaseoso, ya que el aire está conformado por diversos elementos que tienen diferentes temperaturas de condensación a una presión específica por lo cual al estar en estado líquido cambia la composición respecto a la del aire gaseoso. Ejemplos de sustancias puras son: el agua, el nitrógeno, el helio y 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. Conclusión: si una sustancia está como hielo está en "fase" sólida. Si una sustancia está a presión atmosférica, digamos agua, a una temperatura de -15ºC, tendremos que está en un estado 1, y si aumentamos la temperatura hasta -10ºC, aún a presión atmosférica, tendremos un estado 2 diferente al estado 1, y tendremos dos estados distintos para la misma fase ya que en ambos casos la sustancia se mantuvo como hielo, es decir, en fase sólida.

Propiedades de las sustancias puras Líquido comprimido o líquido subenfriado En una sustancia pura significa que está en 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. Si hablamos de líquido subenfriado entendemos que la sustancia está como líquida a una temperatura menor que la temperatura de saturación (T < Tsat) para una presión determinada. Si hablamos de líquido comprimido entendemos que la sustancia está como líquida a una presión mayor que la presión de saturación (P > Psat) a una temperatura determinada.

Líquido saturado Es aquel que está a punto de evaporarse. Es importante notar que cuando una sustancia pura está como líquido saturado ésta 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. 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.

Diagrama P – v (Presión.vs. Volumen específico) de una sustancia pura.

Diagrama T – v (Temperatura.vs. Volumen específico) de una sustancia pura.

Temperatura de saturación o presión de saturación La forma más simple de entender estos conceptos es por medio de un ejemplo: Siempre hemos sabido que el agua ebulle, o se comienza a evaporar, a 100ºC, pero lo hace a esa temperatura porque la presión a la que se encuentra es la presión atmosférica que es 1 atmósfera. Conclusión: 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. Ahora, volviendo al ejemplo, si preguntan en una clase cual es la temperatura de saturación para el agua a una presión de 1 atm = kPa, la respuesta correcta sería 100ºC. Y si preguntan sobre la presión de saturación para una temperatura de 100ºC la respuesta correcta sería 1 atmósfera. En pocas palabras, presión 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.

Vapor saturado + Líquido 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.

Calidad (x) 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.

Calor latente Calor necesario para que se produzca 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 (Temperatura vs. Volumen específico).

¿Qué es una tabla termodinámica? Son tablas donde se agrupan de forma ordenada, diferentes propiedades termodinámicas. Para cada región del diagrama termodinámico contamos con una tabla. Además, contamos con tablas en el sistema internacional y con el sistema inglés. El uso de las tablas es el mismo lo único que cambia es el sistema de unidades.diagrama termodinámico

Tabla A-1 Masa molar, constante del gas y propiedades del punto crítico Esta tabla la tenemos dividida en dos secciones. En la primera sección encontramos el nombre de la sustancia, la fórmula de la sustancia, la masa molar (M) y la constante del gas (R). En la segunda sección tenemos las propiedades del punto crítico y encontramos la temperatura, la presión y el volumen. Todas estas propiedades son para diferentes sustancias.

¿Cómo usar la carta de compresibilidad generalizada? Ver el siguiente video:

Tabla A-2 a) Calores específicos de gas ideal de varios gases comunes a 300K o 80°F En esta tabla tenemos el nombre del gas, la fórmula del gas, la constante del gas (R), el calor específico a presión constante (Cp), el calor específico a volumen constante (Cv) y la relación de calores específicos (k). Todas las propiedades de los calores específicos Cp y Cv están dados a una temperatura promedio de 300K en el sistema internacional y 80°F en el sistema inglés.

El calor específico a presión constante (Cp) se usa cuando en el proceso se mantiene constante la presión por ejemplo, cuando estamos resolviendo un ejercicio y la presión del estado 1 es igual a la presión del estado 2. El calor específico a volumen constante (Cv) se usa cuando en el proceso se mantiene constante el volumen por ejemplo, en un tanque rígido o cuando tenemos un cilindro émbolo con topes que impiden que el volumen cambie. La relación de calores específicos es el cociente que existe entre los calores específicos a presión constante y a volumen constante: Por último, recuerda que esta tabla solo la puedes utilizar cuando la temperatura promedio entre los dos estados involucrados es igual a 300K o 80°F:

Tabla A-2 b) Calores específicos de gas ideal de varios gases comunes a diversas temperaturas Esta tabla la tenemos dividida en seis gases distintos. En cada división encontramos la temperatura, el calor específico a presión constante (Cp), el calor específico a volumen constante (Cv) y la relación de calores específicos (k). La diferencia con la tabla A-2 a), es que en la tabla A-2 b) tenemos distintas temperaturas a la que podemos buscar el Cp y el Cv.

Tabla A-2 c) Calores específicos de gas ideal de varios gases comunes como una función de la temperatura En esta tabla encontramos la fórmula para encontrar el calor específico molar a presión constante (Cp molar), el nombre del gas, la fórmula del gas, las constantes adimensionales a, b, c y d para reemplazar en la fórmula de Cp molar, el rango de temperatura (K) y el porcentaje de error.

Debes tener en cuenta que para utilizar la fórmula de Cp molar debes trabajar con la temperatura en escala absoluta es decir en Kelvin en el sistema internacional y en Rankie en el sistema inglés. Temperatura en Kelvin: Temperatura en Rankie:

Tabla A-4 agua saturada. Tabla de temperaturas Esta tabla la tenemos dividida en seis propiedades termodinámicas que son la temperatura, la presión de saturación, el volumen específico, la energía interna, la entalpía y la entropía. Dentro de cada propiedad encontramos otras divisiones que están dadas por los subíndices f, g y fg. El subíndice f se utiliza para denotar propiedades de líquido saturado por ejemplo si tenemos vf quiere decir que es el volumen específico de líquido saturado. El subíndice g se utiliza para denotar propiedades de vapor saturado por ejemplo si tenemos ug quiere decir que es la energía interna de vapor saturado. El subíndice fg se utiliza para denotar propiedades de vaporización. Además, este subíndice también hace referencia a la diferencia entre el vapor saturado y el líquido saturado por ejemplo si tenemos hfg quiere decir que es la entalpía de vaporización.

En esta tabla A-4 las propiedades se enumeran a partir de la temperatura es decir que cuando tenemos un ejercicio en el que nos dan la temperatura y necesitamos encontrar cualquier otra propiedad vamos a recurrir a esta tabla. Por último, para utilizar esta tabla la sustancia debe encontrarse entre el punto de líquido saturado y el punto de vapor saturado es decir en la zona de mezcla.

¿Cómo utilizar la tabla A-4? Ver video:

Tabla A-5 agua saturada. Tabla de presiones Esta tabla la tenemos dividida en seis propiedades termodinámicas que son la presión, la temperatura de saturación, el volumen específico, la energía interna, la entalpía y la entropía. Dentro de cada propiedad encontramos otras divisiones que están dadas por los subíndices f, g y fg.

En esta tabla A-5 las propiedades se enumeran a partir de la presión es decir que cuando tenemos un ejercicio en el que nos dan la presión y necesitamos encontrar cualquier otra propiedad vamos a recurrir a esta tabla. Por último, para utilizar esta tabla la sustancia debe encontrarse entre el punto de líquido saturado y el punto de vapor saturado es decir en la zona de mezcla.

¿Cómo utilizar la tabla A-5? Ver el video:

Tabla A-6 vapor de agua sobrecalentado Esta tabla la tenemos dividida en dos secciones de propiedades. En la primera sección encontramos cinco propiedades que son la temperatura, el volumen específico, la energía interna, la entalpía y la entropía. En la segunda sección encontramos sólo la presión. Para utilizar esta tabla nuestra sustancia se debe encontrar en la región de vapor sobrecalentado.

¿Cómo utilizar la tabla A-6? Ver el video:

Tabla A-7 agua líquida comprimida Esta tabla la tenemos dividida en dos secciones de propiedades. En la primera sección encontramos cinco propiedades que son la temperatura, el volumen específico, la energía interna, la entalpía y la entropía. En la segunda sección encontramos sólo la presión. Para utilizar esta tabla nuestra sustancia se debe encontrar en la región de líquido comprimido.

¿Cómo utilizar la tabla A-7? Ver video:

Gracias por tu amable atención. Cordialmente: José Eduardo Vera Ruiz Ingeniero Industrial – CIP Doctor en Educación – SUNEDU