tema 2. propiedades de las sutancias puras

7/25/2019 Tema 2. Propiedades de Las Sutancias Puras

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Termodinmica Tcnica

Tema 2.

PROPIEDADES DE

LAS SUSTANCIAS PURAS:

Estudiar de forma organizada todoslos conceptos sobre sustancias purasdefinir y estudiar las fases de

equilibrio, analizar las ecuaciones delgas ideal

Objetivo


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Concepto de Sustancias

PurasEs una sustancia que tiene una composicin qumica fija; esdecir que tambin puede ser una mezcla de variassustancias o elementos qumicos, sin embargo la

composicin no vara ya que es una mezcla totalmentehomognea. O sea que puede ser aire, combustible bnker,etc., pero no puede ser una mezcla de aceite y agua ya queestos se separan y no forma una mezcla homognea


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Concepto de Sustancias

PurasUna mezcla de dos o ms fases de una sustancia pura siguesiendo una sustancia pura, siempre que la composicin delas fases sea la misma, como agua en su fase de vapor y

lquida o mezcla de hielo y agua lquida, pero aire en su fasede vapor y lquido no es una sustancia pura ya que tienendiferentes composiciones ya que se condensa solamente elvapor de agua, esto es debido a que los componentes delaire tienen diferentes puntos de condensacin.


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Fases de una sustancia

Las sustancias existen en diferentes fases, atemperatura y presin ambiente el cobre, hierro,plstico, oro es slido, el aire, el nitrgeno esgaseoso, el agua, el mercurio es lquido.

Una fase se identifica como un arreglo moleculardistinto, homogneo en su totalidad y separadode las dems fases por medio de superficiesidentificables. Por ejemplo el agua y el hielo,estas son fcilmente identificables.

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A nivel molecular, los enlaces moleculares del estado slido sonms fuertes que el estado lquido y este que el estado gaseoso.

En las molculas del slido existen pequeas distanciasintermoleculares, las fuerzas de atraccin entre las molculas songrandes y las mantienen fijas dentro del slido.

En un lquido las fuerzas intermoleculares son ms dbiles conrelacin a un slido, pero son fuertes en comparacin con losgases.

Las molculas en estado gaseoso tienen un nivel de energabastante mayor que en la fase lquida o slida, o sea que el gasdebe liberar una gran cantidad de energa antes de que puedacongelarse o condensarse

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Fases de una sustancia


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Procesos de cambio de Fase en

sustancias puras

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Lquido sub-enfriado y lquido saturadoEl agua adentro de un cilindro-pistn a 20C y 1 atm. Existe como lquido sub-enfriado o lquido comprimido, Al transferir calor a este el agua aumenta porejemplo a 20C por lo cual el agua lquida tendr cierta expansin aumentandosu volumen especfico y el embolo se mover ligeramente hacia arriba. En estecaso el agua sigue siendo lquido comprimido, pues no ha empezado a

evaporarse.

Conforme se transfiere ms calor, la temperatura aumentar hasta 100C. Eneste punto el agua sigue siendo un lquido, pero cualquier aumento de calorcausar algo de evaporacin en el lquido. Este lquido que est a punto deevaporarse se le llama lquido saturado.


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Vapor saturado y vaporsobrecalentado

Al iniciarse la ebullicin, la temperatura se detendr hasta que ellquido se evapora completamente a 100c y 1 at. Un vapor apunto de condensarse se le llama vapor saturado. El proceso deevaporacin se alcanza completamente existe una sola fase devapor y al llegar a este punto, una adicin de calor ocasionar un

aumento de temperatura y del volumen especfico. Si latemperatura la llevamos hasta 332 C y si transferimos calor a losalrededores o se pierde calor, la temperatura descender pero nonecesariamente ocurrir condensacin; Un vapor que no est apunto de condensarse se denomina vapor sobrecalentado.

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TEMPERATURA DE SATURACIN YPRESIN DE SATURACIN

La temperatura y presin de saturacin son aquellas en donde ocurre la

ebullicin de una sustancia pura. Para una presin de saturacin existe un

nico valor de temperatura de saturacin y viceversa. Para el agua, a una

presin de 101.35 kPa la temperatura de saturacin es 100C. En sentido

inverso, a una temperatura de 100C la presin de saturacin es 101.35

kPa. La grfica de Psat contra Tsat da una curva caracterstica para cada

sustancia pura y se conoce como curva de saturacin de lquido-vapor.


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Tabla de presin de saturacin

a distintas temperaturas

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ALGUNAS CONSECUENCIAS DE LADEPENDENCIA DE LA TEMPERATURA DE

SATURACION Y LA PRESION DE SATURACION

Una sustancia a una presin especfica hervir a latemperatura de saturacin correspondiente a esa presin.Este fenmeno nos permite controlar la temperatura deebullicin de una sustancia, simplemente controlando lapresin, y esto tiene numerosas aplicaciones en la prctica.

Una forma prctica de enfriar vegetales de hoja ancha esel enfriamiento al vaco, el cual se basa en reducir la

presin de una cmara de enfriamiento sellada a la presinde saturacin de la temperatura baja deseada y evaporandoalgo de agua de los productos a ser enfriados.

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Diagramas de Propiedades para

Procesos de Cambio de Fase Para comprender de forma completa el comportamiento de

las sustancias puras es necesario tener en cuanta losdiagramas de propiedades. Estos diagramas son tres: eldiagrama Temperatura vs. Volumen especfico (T-v), eldiagrama Presin vs. Volumen especfico (P-v) y eldiagrama Presin vs. Temperatura (P-T).

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Diagrama T-v Es importante mencionar que la campana est formada por los

puntos de lquido saturado y de vapor saturado de infinitas lneasde presin constante, de modo que el que se presenta en elgrfico es solo un caso particular a cierta T y P determinadas.

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Diagrama P-v

En comparacin con el diagrama T-v, este diagrama tiene dos grandesdiferencias. La primera es que la lnea que era de presin constante pasa aser una lnea de temperatura constante, y la segunda, que dicha lneadesciende de izquierda a derecha en lugar de ascender.

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Diagrama P-T Este diagrama tambin se conoce como diagrama de fase porque es

posible identificarlas al estar separadas por tres lneas. La lnea desublimacin es la que separa la fase slida de la fase vapor, la devaporizacin separa la fase lquida de la fase vapor y la lnea de fusinsepara la fase slida de la fase lquida. Ntese que hay una desviacinen la lnea de fusin dependiendo de si la sustancias se expande o secontrae al congelarse.

Las tres lneas antes mencionadas convergen en el punto triple, elcual es el estado en el cual las tres fases de una sustancia puedencoexistir en equilibrio, es un estado donde se puede tener hielo,lquido y vapor al mismo tiempo.

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TABLAS DE PROPIEDADES DESUSTANCIAS PURAS

Para la mayora de las sustancias las relacionesentre las propiedades termodinmicas sondemasiado complejas, como para expresarse por

medio de ecuaciones simples. Por tanto, laspropiedades se presentan en la forma de tablas.Algunas propiedades termodinmicas puedenmedirse con finalidad pero con otras no esposible hacerlo de manera directa y se calculanmediante las relaciones que las vinculan conpropiedades medibles.

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Energa interna

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Es la debida a la interaccinmolecular, es decir es la energapropia de una sustancia


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Entalpia

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Simbolizada con la letra H mayscula, cuyavariacin expresa una medida de la cantidadde energa absorbida o cedida por un sistematermodinmico, es decir, la cantidad de energa

que un sistema intercambia con su entorno.


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Lquido Saturado y Vapor Saturado:Tablas de Saturacin

El subndice f se emplea paradenotar propiedades de un lquidosaturado y el subndice g, para laspropiedades de vapor saturado.Otro subndice utilizado es fg, elcual denota la diferencia entre losvalores de vapor saturado ylquido saturado de la mismapropiedad.

vf: volumen especfico del lquidosaturado

vg : volumen especfico del vaporsaturado

vfg : diferencia entre vg y vf


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Mezcla Saturada de Lquido-Vapor En el proceso de evaporacin, una sustancia pasa de su

condicin de lquido saturado a vapor saturado por lo que lasustancia existe como parte lquida y como parte vapor.Esto es, es una mezcla de lquido y vapor saturados. Paraanalizar esta mezcla de manera apropiada, es necesarioconocer las proporciones de las fases lquida y de vapor en

la mezcla. Esto se obtiene al definir una propiedad llamadala calidad x como la razn entre la masa de vapor y la masatotal de la mezcla

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Mezcla Saturada de Lquido-Vapor

La calidad tiene importancia slo dentro de la campana. No tienesignificado en las regiones de lquido comprimido o vapor sobrecalentado.Su valor se encuentra entre 0 y 1 . Para calcular las propiedades de lasustancia dentro de la regin lquido-vapor, se debe conocer el porcentajede vapor saturado presente en la mezcla lquido-vapor es decir, el valor dela calidad.

En una mezcla saturada de lquido-vapor, el volumen ocupado por lamezcla se puede expresar como:

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Vapor sobrecalentado

El sobrecalentamiento es de una solafase, se necesitan dos propiedadesintensivas par fijar o definir el estado

de equilibrio. Las tablas de vaporsobrecalentado presentan el volumenespecfico y otras propiedades

especficas como funcin de lapresin y la temperatura.

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Lquido subenfriado ocomprimido

La variacin de las propiedades del lquido comprimidodebido a la presin es muy ligera, mientras que con latemperatura muestran mayor dependencia. En la mayorade los casos, cuando no se dispone de tablas de lquidocomprimido para una sustancia pura, los datos sobre el

lquido comprimido se pueden aproximar bastante al usarvalores de las propiedades del estado lquido saturado a latemperatura dada. Esto implica que los datos del lquidocomprimido dependen ms de la temperatura que de lapresin.

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Cualquier ecuacin que relacione la presin, latemperatura y el volumen especfico de unasustancia se denomina ecuacin de estado.

Para sustancias en la fase gaseosa es la ecuacinde estado de gas ideal la cual predice elcomportamiento P-v-T de un gas con bastanteexactitud, dentro de cierta regin elegidaadecuadamente

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Ecuacin de estado del gasideal


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Ley de Charles y Gay Lussac

R: Constante del Gas que vara paracada gas

M: masa molar Kg/mol

m=MN


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R Tp v Ecuacin de estado del gas ideal

m R Tp V

m

V

v

pv RTM

vv

M

RR

TRnpV n

Vv

M

mn


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Modelo de gas ideal

/986,1

/3142,8

RlbmolBtu

kmolKkJR

o

Constante universal de los gases

/

/

RlbBtu

kgKkJ

M

RR

o

Constante particular del gas

/

/

lbmollb

kmolkgM

Masa molecular del gas

/33

lbft

kgmv

Volumen especfico

/

3

3

lbmolft

kmolmv

Volumen especfico molar


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Valores de Rpara diferentes gases

Gas Masa molecular M

kg/kmol

Constante del gas R

kJ/kg-K

Acetileno (C2H2) 26,04 0,3192

Aire 28,966 0,2870

Argn (Ar) 39,944 0,2081

Dixido de carbono (CO2) 44,011 0,1889

Monxido de carbono (CO) 28,010 0,2968

Etano (C2H6) 30,07 0,2764

Helio (He) 4,003 2,077

Hidrgeno (H2) 2,016 4,124Metano (CH4) 16,04 0,518

Nitrgeno (N2) 28,016 0,2967

Oxgeno (O2) 32,000 0,2598


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El vapor de agua es un gas ideal?

Es claro que a presionesinferiores a 10 kPa el vaporde agua se puedeconsiderar como un gasideal, sin importar su

temperatura, con un errorinsignificante (menor de0.1 por ciento)

Sin embargo, a presionessuperiores suponer que el

vapor de agua es un gasideal produce erroresinaceptables.

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FACTOR DE COMPRESIBILIDAD,UNA MEDIDA DE LA DESVIACIN

DEL COMPORTAMIENTO DE GAS IDEAL

los gases se desvan de manera importante delcomportamiento de gas ideal en estados cercanosa la regin de saturacin y el punto crtico. Estadesviacin a temperatura y presin especificadas

se toma en cuenta con exactitud mediante laintroduccin de un factor de correccin llamadofactor de compresibilidad Z, es igual a 1 gas idealy menor o mayor gas real, definido como:

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Los gases se comportan de manera diferente adeterminadas temperatura y presin, pero secomportan de manera muy parecida atemperaturas y presiones normalizadas respecto

a sus temperaturas y presiones crticas. Lanormalizacin se efecta como

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Al ajustar los datos se R obtiene la carta decompresibilidad generalizada, que puedeemplearse para todos los gases

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OTRAS ECUACIONES DEESTADO

La ecuacin de estado de gas ideal es muy simple, pero su mbitode aplicabilidad es limitado. Es deseable tener ecuaciones deestado que representen con precisin y sin limitaciones elcomportamiento P-v-T de las sustancias en una regin msgrande. Naturalmente, esta clase de ecuaciones son ms

complicadas.

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Van der Waals

Ecuaciones

Redl ich-Kwong

Dieterici

E i d d W l


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Ecuacin de van der Waals

De las primeras desarrolladas para gases reales (1873)

TRbvvap

)(

2

Volumen ocu pado por las mo lcu las (b)

Consideraciones

Fuerzas de atracc in m olecu lar (a)

0)( 23

2

abvavTRpbvp

v

a

bv

TRp

Constantes a y bse obtienen experimentalmente

Ec.explcita en p y en T, no es explcita en v (cbica)

Anlisis de la ecuacin de van der Waals


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Anlisis de la ecuacin de van der Waals

Regin de aplicabilidad. Fuera de la regin hmeda

Determinacin de las constantes ay bcon datos delpunto crtico

Isoterma crtica pasa por C(punto de inflexin)

0

0

2

2

T

T

v

p

v

p

06

)(

2

0

2

)(

432

2

32

v

a

bv

TR

v

p

v

a

bv

TR

v

p

T

T

cr

cr

cr

TT

pp

vv

1

2

bvc r 3Resolviendo 1 y 2

bRaTc r 278Sustituyendo en 12

27 bap c r Sustituyendo en ec. van der Waals

Propiedades crticas y constantes de van der Waals


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Sustancias Tc pcvc

Zc

a b

AcetilenoAireAmoniaco

Bencenon-butanoCO2CORefrigerante 12EtanoEtilenoHelioHidrgenoMetanoNitrgenoOxigenoPropano

SO2Agua

309133406

562425.2304.2133385305.42835.233.2190.7126.2154.4370

431647.3

62.837.7112.8

49.338.073.935.041.248.851.22.313.046.433.950.542.7

78.7220.9

0.1120.08290.0723

0.2560.2570.09410.09280.2160.2210.1430.05790.06480.09910.08970.07410.195

0.1240.0558

0.2740.2840.242

0.2740.2740.2760.2940.2780.2730.2840.3000.3040.2900.2910.2900.276

0.2680.230

4.4101.3584.233

18.6313.803.6431.46310.785.5754.563

0.03410.2472.2851.3611.3699.315

6.8375.507

0.05100.03640.0373

0.11810.11960.04270.03940.09980.06500.05740.02340.02650.04270.03850.03150.0900

0.05680.0304

Propiedades crticas y constantes de van der Waals

23 kmo l mbar kmo l m3K b a r kmo l m3

E i d R dli h

K


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Ecuacin de Redlich-Kwong

Mejor ec. de estado de 2 constantes (1949)

21)( Tbvv

a

bv

TRp


Totalm en te emprica

Ec. explcita en p y en T, no es explcita en v (cbica)

c

c

p

TRbb 'A partir de la isoterma crtica

c

c

p

TRaa

252

'

0 8 6 6 4,0';4 2 7 4 8,0' ba

En coordenadas reducidas23

)'(

'

''

'

RRR

R

Tbv

a

bv

vZ

3 3 3,0cZ )3 3,02 3,0( g a s r e a l Z

E i d Di t i i


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Te modinmi T ni

Ecuacin de Dieterici

RTv

a

bv

RTp exp


Totalm en te emprica

Ec. explcita en p , no es explcita en v, ni T

2ep

RTb

c

cA partir de la isoterma crtica

2

224

ep

TRa

c

c

En coordenadas reducidas

22 '(

4exp

1'

'

eTvev

vZ

RRR

R

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