apunte sustancias puras

APUNTE

SUSTANCIAS PURAS

rea: Tecnolgica Industrial Carrera: Ing. (E) Mecnica

Asignatura: Termodinmica Profesor: Marco A. Vsquez Q.

Fecha: 06 de Abril de 2015

Asignatura: Termodinmica

Profesor: Marco A. Vsquez Q.

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SUSTANCIAS PURAS

Una sustancia que tiene una composicin qumica fija recibe el nombre de sustancia pura. El

agua, el nitrgeno, el helio y el dixido de carbono, son sustancias puras.

Una sustancia pura, no tiene que ser de un solo elemento qumico o compuesto. La mezcla de

diferentes elementos o compuestos qumicos tambin es una sustancia pura, siempre que la mezcla sea

homognea. El aire por ejemplo que es una mezcla de varios gases, con frecuencia se considera como

una sustancia pura, porque tiene una composicin qumica uniforme. En contraste, la mezcla de aceite y

agua no es una sustancia pura. Como el aceite no es soluble en agua se acumular sobre la superficie de

esta y formar dos regiones qumicamente distintas.

FASES DE UNA SUSTANCIA PURA

Las sustancias existen en fases diferentes. A temperatura y presin ambiente el cobre es un

slido, el mercurio un lquido y el nitrgeno un gas. En condiciones diferentes, cada uno aparece en una

fase diferente. Aunque hay tres fases principales; slida, lquida y gaseosa- una sustancia tiene varias

fases dentro de un fase principal, cada una con una estructura molecular diferente. Por ejemplo: el

carbn existe como grafito o diamante en la fase slida.

Los enlaces moleculares ms fuertes se dan en los slidos y los ms dbiles en los gases. Una razn es

que en el primer caso, las molculas estn muy prximas una de otras, en tanto que en los gases las

separan grandes distancias moleculares.

PROCESOS DE CAMBIO DE FASE DE SUSTANCIA PURAS

Hay varias situaciones prcticas en que dos fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. El

agua por ejemplo existe como una mezcla de lquido y vapor en la caldera y en el condensador de una

central termoelctrica. Esta se emplear como principio bsico, para demostrar su comportamiento.

Liquido Comprimido y Liquido Saturado: Consideremos un dispositivo de cilindro-mbolo que

contiene agua lquida a 20 C y 1 atm de presin (estado 1). En estas condiciones el agua existe

en fase lquida y se denomina lquido comprimido o lquido subenfriado, lo que significa que

no esta a punto de evaporarse. El calor se trasfiere al agua hasta que su temperatura aumenta a,

por ejemplo 40 C. A medida que aumente la temperatura, el agua lquida tendr cierta

expansin y por ello, aumentar su volumen especfico. Como respuesta a esta expansin, el

mbolo se mover ligeramente hacia arriba. Durante este proceso la presin en el cilindro

permanece constante en 1 atm, ya que depende de la presin baromtrica exterior y del peso del

mbolo, que son constante. En este estado el agua sigue siendo un lquido comprimido, puesto

que no ha comenzado a evaporarse.



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Conforme se transfiera ms calor, la temperatura aumentar hasta que alcance 100 C (estado

2). En este punto el agua sigue siendo un lquido, pero cualquier adicin de calor, no importa

cun pequea, ocasionar que un poco de lquido se evapore. Esta por suceder un proceso de

cambio de fase, de lquido a vapor. Un lquido que esta a punto de evaporarse recibe el nombre

de lquido saturado. En consecuencia, el estado 2 corresponde al de un lquido saturado.

Vapor Saturado y vapor sobrecalentado: Una vez que empieza la ebullicin, el aumento de

temperatura se detendr hasta que el lquido se evapore por completo. La temperatura

permanecer constante durante todo el proceso de cambio de fase, si la presin se mantiene

constante. Durante un proceso de evaporacin (ebullicin), el nico cambio observable en el nivel

del lquido, como resultado de una mayor cantidad de lquido convertido en vapor.

Cuando este a la mitad de la lnea de evaporacin (estado 3), el cilindro contendr cantidades

iguales de lquido de vapor. Conforme aada calor, el proceso de evaporacin continuar hasta

que la ltima gota de lquido se evapore (estado 4). En este punto, el cilindro se llena por

completo con vapor que super la frontera de la fase lquida. En este momento cualquier prdida

de calor sin importar que tan pequea sea, provocar que se condense un poco de vapor (cambio

de fase de vapor a lquido). Un vapor a punto de condensarse recibe el nombre de vapor

saturado. Por tanto, el estado 4 es un estado de vapor saturado. Una sustancia en estados entre

2 y el 4 se conoce como una mezcla saturada de lquido-vapor, debido a que las fases lquida

y vapor coexisten en equilibrio en estos estados.



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Una vez que el proceso de cambio de fase termina, se alcanza una regin de una sola fase (es

este caso de vapor), y una transferencia adicional de calor resultar en un aumento tanto de la

temperatura como del volumen especfico. En el estado 5 la temperatura del vapor es, por dar

algn valor 300 C, si transferimos algo de calor, la temperatura desdender un poco pero

ocurrir condensacin mientras la temperatura permanezca sobre 100 C (en P = 1 atm). Un

vapor que no esta a punto de condensarse, es decir, no es vapor saturado, se denomina vapor

sobrecalentado. Por tanto, el agua en el estado 5 es un vapor sobrecalentado. El proceso de

cambio de fase con presin constante descrito, se ilustra en un diagrama T-v.

Si todo el proceso anterior se invierte enfriando el agua mientras se mantiene la presin en el

mismo valor, el agua retornar al estado 1, por la misma trayectoria y la cantidad de calor

liberada ser exactamente igual a la cantidad de calor entregada durante el proceso de

calentamiento.

TEMPERATURA DE SATURACIN Y PRESION DE SATURACIN

El agua hierve a 100 C con una presin de 1 atm. Luego la temperatura a la cual el agua

empieza a hervir depende de la presin; en consecuencia si se fija la presin, lo mismo sucede con la

temperatura de ebullicin.

A una presin dada, la temperatura a la cual una sustancia pura empieza a hervir se llama

temperatura de saturacin Tsat. Del mismo modo, a una temperatura determinada, la presin a la cual

una sustancia pura empieza a hervir recibe el nombre de presin de saturacin Psat. A una presin de

101.35 Kpa, Tsat es de 100 C. En el sentido inverso, a una temperatura de 100 C, la Psat es de 101.35

Kpa.

Durante un proceso de cambio de fase, la presin y la temperatura son propiedades dependientes

y con una relacin muy clara entre ellas: Tsat = f(Psat). Una grfica de Tsat vs Psat, como la que se da para

el agua, recibe el nombre de curva de saturacin de lquido-vapor, curva caracterstica de todas las

sustancias puras.



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En la figura es obvio que Tsat aumenta con Psat. En consecuencia, una sustancia a presiones

mayores hervir a temperaturas ms altas. L presin atmosfrica y en consecuencia la temperatura de

ebullicin del agua disminuyen con la altura. Por tanto, la coccin tarda ms a mayores alturas que a nivel

del mar. Por cada 1000 m de aumento en la altura, la temperatura de ebullicin desciende un poco ms

de 3 C.

DIAGRAMAS DE PROPIEDADES PARA PROCESOS DE CAMBIO DE FASE

Las variaciones en las propiedades durante los procesos de cambio de fase se estudian y

comprenden mejor con la ayuda de diagramas de propiedades. A continuacin se exponen los diagramas

de T-v; P-v y P-t.

1.- El Diagrama T v: Al aadir pesos sobre la parte superior del mbolo, hasta que la presin

dentro del cilindro alcance 1 Mpa, el agua tendr un volumen especfico un poco ms pequeo

que el que tena a una presin de 1 atm. A medida que se transfiere calor al agua bajo esta

nueva presin, el proceso seguir una trayectoria muy similar a la del proceso a una presin de 1

atm, como se muestra en la figura, aunque hay algunas diferencias notables. Primero, a esta

presin el agua empezar a hervir a una temperatura mucho ms alta (179.9 C). Segundo, el

volumen especfico del lquido saturado es ms grande y el volumen especfico del vapor saturado

es ms pequeo que los valores correspondientes bajo una presin de 1 atm. Esto es, la lnea

horizontal que conecta los estados de lquido saturado y de vapor saturado es mucho ms corta.

Conforme aumente la presin, esta lnea de saturacin continuar acortndose y se convertir en

un punto cuando la presin alcance el valor de 22.09 Mpa en el caso del agua. Este punto se

llama punto crtico y se define como el punto al cual los estados de lquido saturado y de vapor

saturado son idnticos.

La temperatura, la presin y el volumen especfico de una sustancia en el punto crtico se

denominan Tcr, presin crtica Pcr y volumen especfico vcr. A presiones mayores que la crtica, no

habr un proceso distinto de cambio de fase. En lugar de eso, el volumen especfico de la

sustancia aumentar con continuidad y en todo momento slo habr una fase presente. Al final

asemejar al vapor, pero no se podr decir cuando ocurridio el cambio. Arriba del estado crtico

no hay una lnea que separe la regin de lquido comprimido y la de vapor sobrecalentado. Sin

embargo, es comn denominar a la sustancia como vapor sobrecalentado a temperaturas por

encima de la crtica y como lquido comprimido cuando est por debajo de esa misma

temperatura.

Los estados de lquido saturado pueden conectarse mediante una lnea, lnea de lquido

saturado, y los estados de vapor saturado en la misma figura pueden conectarse mediante la

lnea de vapor saturado. Estas dos lneas se alcanzan en el punto crtico, formando un domo.

Todos los estados lquidos comprimidos se localizan en la regin a la izquierda de la lnea de



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lquido saturado, que recibe el nombre de de lquido comprimido. Todos los estados de vapor

sobrecalentado se encuentran a la derecha de la lnea de vapor saturado, en la regin de vapor

sobrecalentado. En estas dos regiones la sustancia existe en una sola fase o lquido o vapor.

Todos los estados que abarcan ambas fases en equilibrio se localizan bajo el domo, denominado

regin de mezcla saturada de lquido-vapor o regin hmeda.

2.- El Diagrama P v: La forma general del diagrama P-v de una sustancia pura es similar al

diagrama T-v, pero las lneas constante de T = sobre este diagrama presentan una tendencia

hacia abajo, como se muestra en la figura.



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3.- El Diagrama P T: La figura muestra el diagrama P-T de una sustancia pura, llamado diagrama

de fase puesto que las tres fases se separan entre s mediante tres lneas. La lnea de sublimacin

separa las regiones slida y de vapor, la lnea de vaporizacin divide las regiones lquida y de

vapor y la lnea de fusin (o fundido) separa las regiones slida y lquida. Estas tres lneas

convergen en el punto triple, donde las tres fases coexisten en equilibrio. La lnea de vaporizacin

finaliza en el punto crtico porque no se pueden distinguir las fases lquida y de vapor arriba del

punto crtico. Las sustancias que se expanden y contraen al congelarse difieren slo en la lnea de

fusin en el diagrama P-T.



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TABLAS DE PROPIEDADES

Para la mayora de las sustancias las relaciones entre las propiedades termodinmicas son

demasiado complejas, como para expresarse por medio de ecuaciones simples. Por tanto, las propiedades

termodinmicas se presentan en forma de tablas. Algunas propiedades termodinmicas pueden medirse

con facilidad pero con otras no es posible hacerlo de manera directa y se calculan mediante las relaciones

que las vinculan con propiedades medibles.

Entalpia: En el anlisis de cierto tipo de procesos, an particular la generacin de potencia y la

refrigeracin a menudo se encuentra la combinacin de propiedades U + PV. Por simplicidad y

conveniencia, esta combinacin se define como una nueva propiedad, la entalpa y se representa

mediante el smbolo H.

H = U + PV (KJ).

O, por unidad de masa:

h = u +pv (KJ/Kg)

Tanto la entalpa total H, como la entalpa especfica h, se indican simplemente como entalpa.

El uso difundido de la propiedad entalpa se debe al profesor Richard Mollier, quien descubri la

importancia del grupo u + pv en el anlisis de turbinas de vapor y en la representacin de las propiedades

del vapor en forma tubular y grfica. Mollier se refiri al grupo u + pv como los contenidos de calor y el

calor total.

1a Estados de Lquido Saturado y de Vapor Saturado:

El subndice f se emplea para denotar propiedades de un lquido saturado y el subndice g, para

las propiededes de vapor saturado. Estos smbolos se emplean en termodinmica y provienen de vapor

saturado. Otro subndice utilizado es fg, el cual denota la diferencia entre los valores de vapor saturado y

lquido saturado de la misma propiedad.

vf = volumen especifico del lquido saturado.

vg = volumen especfico del vapor saturado.

vfg = diferencia entre vg y vf (esto es vfg = vg vf).

La cantidad hfg se llama entalpa de vaporizacin (o calor latente de vaporizacin) y representa la

cantidad de energa necesaria para evaporar una masa unitaria de lquido saturado a una temperatura o

presin determinada. Disminuye cuando aumenta la temperatura o la presin y se vuelve cero en el punto

crtico.



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1b Mezcla saturada de lquido-vapor:

Durante un proceso de evaporacin, una sustancia existe como parte lquida y como parte vapor.

Esto es, una mezcla de lquido y vapor saturados. Para analizar esta mezcla de manera apropiada, es

necesario conocer las proporciones de las fases lquida y de vapor en la mezcla. Esto se obtiene al definir

una nueva propiedad llamada calidad x como la razn entre la masa de vapor y la masa total de la

mezcla.

mgmfmmm

m

mX

vaporlquidototal

total

vapor

La calidad tiene importancia slo para mezclas saturadas. NO tiene significado en las regiones de

lquido comprimido o vapor sobrecalentado. Su valor se encuentra entre 0 y 1. La calidad de un sistema

compuesto por lquido saturado es 0 (o 0%) y la calidad de un sistema compuesto por vapor saturado es

1 (o 100%). En mezclas saturadas, la calidad puede servir como una delas dos propiedades intensivas

independientes necesarias para describir un estado.

Una mezcla saturada puede tratarse como una combinacin de dos subsistemas: el lquido

saturado y el vapor saturado. Sin embargo, la cantidad de masa en cada fase suele desconocerse. En

consecuencia, es conveniente imaginar que las dos fases estan muy bien mezcladas y forman una

apariencia homognea.

Considere un tanque que contiene una mezcla saturada de lquido-vapor. El volumen ocupado por

el lquido saturado es Vf y el volumen que tiene el vapor saturado es Vg. El volumen total V, es la suma

de ambos:

gfav

ggfgtavtgtf

ggffavt

xvvxv

vmvmmvmmmm

vmvmvmmvV

VgVfV

)1(

)(

Puesto que x = mg/mf. Esta relacin tambin puede expresarse como:

fgfav xvvv Donde vfg = vg vf. Al despejar la calidad, se obtiene:



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fg

fav

v

vvx

Con base en esta ecuacin, la calidad se relaciona con las distancias horizontales en un diagrama

P-v o T-v. El anlisis que acaba de exponerse tambin es vlido para la energa interna y la entalpa con

los siguientes resultados:

)/(

)/(

kgKJxhhh

kgKJxuuu

fgfav

fgfav



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2.- Vapor Saturado:

En la regin derecha de la lnea de vapor saturado existe una sustancia como vapor

sobrecalentado. Puesto que la regin sobrecalentada es de una sola fase (salo la fase de vapor), la

temperatura y la presin ya no son propiedades dependientes y pueden usarse convenientemente como

dos propiedades independientes.

En las tablas, las propiedades se listan contra la temperatura para presiones elegidas que

empiezan con los datos de vapor saturado.

3.- Lquido Comprimido:

El formato de estas tablas es similar al de las tablas de vapor sobrecalentado. Un razn de la falta

de datos de lquido es que sus propiedades son independientes de la presin. La variacin de las

propiedades de lquido comprimido debido a la presin es muy ligera. Aumentar 100 veces la presin

ocasiona que las propiedades cambien menos de 1 por ciento. La propiedades ms afectada por la

presin es la entalpa.

LA ECUACIN DE ESTADO DE GAS IDEAL

Una manera de presentar los datos de propiedades de sustancias puras es listar valores de las

propiedades en diversos estados. Las tablas de propiedades proporcionan informacin muy exacta, pero

son voluminosas y vulnerables a los errores tipogrficos. Un enfoque ms prctico y deseable es tener

algunas relaciones simples entre las propiedades, que sean suficientemente generales y precisas.

Cualquier ecuacin que relacione la presin, la temperatura y el volumen especficos de una

sustancia de denomina ecuacin de estado. Las relaciones de propiedades que comprenden otras

propiedades de una sustancia en estados de equilibrio, tambin se conocen como ecuaciones de estado.

Hay varias ecuaciones de estado, algunas simples y otras muy complejas. La ecuacin de estado ms

simple y conocida para sustancias en la fase gaseosa es la de gas ideal. Esta ecuacin predice el

comportamiento P-v-T de un gas con bastante exactitud, dentro de cierta regin elegida adecuadamente.

La ecuacin de estado de gas ideal o ms simple la relacin de gas ideal; un gas que obedece

esta relacin recibe el nombre de gas ideal. En esta ecuacin, P es la presin absoluta, T es la

temperatura absoluta y v es el volumen especfico.

La constante de gas R, es diferente para cada gas y se determina de:

)*/*();*/( 3 KkgmKPaKkgKJM

RR uP



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Donde Ru es la constante de gas universal y M es la masa molar (llamada tambin peso

molecular). La constante Ru es la misma para todas las sustancias y su valor es:

La masa molar M, se define como la masa de un mol (llamada tambin un gramo-mol) de una

sustancia en gramos, o, la masa de un Kmol en kilgramos.

La masa de un sistema es igual al producto de su masa molar M y el nmero de moles N.

m = MN (kg).

La ecuacin de estado de gas ideal tiene varias maneras diferentes:

TRvP

TmRPV

TnRPV

P

P

u

PM

RR

n

mMPM

uP

Resumen: Una sustancia pura existe en diferentes fases, dependiendo de su nivel de energa. En la

fase lquida, una sustancia que no est a punto de vaporizarse, se conoce como lquido

comprimido o subenfriado. En la fase gaseosa una sustancia que no esta a punto de

condensarse, recibe el nombre de vapor sobrecalentado. Durante un proceso de cambio

de fase, la temperatura y la presin de una sustancia pura son propiedades dependientes.

A una presin determinada una sustancia hierve a una temperatura fija, la temperatura

de saturacin. Del mismo modo, a una temperatura determinada la presin a la cual una

sustancia empieza a hervir se denomina presin de saturacin. Durante un proceso de

cambio de fase, tanto la fase lquida como la de vapor coexisten en equilibrio; bajo esta

condicin el lquido se conoce como lquido saturado y el vapor recibe el nombre de vapor

saturado.

8314 (KJ/Kmol*K)

8314 (KPa*m3/Kmol*K).

0.08314 (bar*m3/Kmol*K)

1986 (Btu/lbmol*R).

10.73 (psia*pie3/lbmol*R).

1545 (pie*lbf/lbmol*R).

Ru

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