termodinÁmica del agua ii sustancias puras curvas del agua ... · a 1 mpa el agua hierve a 180°c...

TERMODINÁMICA DEL AGUA II

SUSTANCIAS PURAS

CURVAS DEL AGUA

ELABORÓ MSc. EFRÉN GIRALDO

TORO

REVISÓ PhD CARLOS A. ACEVEDO

Presentación hecha exclusivamente con el fin

de facilitar el estudio.

25 °C

A 100 ° agua saturada

Mezcla de agua saturada

+ vapor saturado a100 °C

Región de 2 fases

Solo agua saturada

Solo vapor

saturado

T y P son constantes:

100 °C y 1 atm

v

Aún una fase

Figura 1. Agua comprimida y saturada, vapor saturado y vapor sobrecalentado.

SIMULACIÓN CALENTAMIENTO AGUA

http://www.gifss.com/agua/cataratas/index2.htm

http://www.educaplus.org/play-261-Curva-de-calentamiento-del-agua.html

Vapor saturado

Se puede decir que es saturado porquecon un mínimo de energía que se leagregue deja de ser saturado y seconvierte en sobrecalentado.

02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 3

El vapor está saturado de energía

También porque está a punto de volversea condensar.

Si eventualmente se pierde una mínimacantidad de calor en el vapor saturado,se condensará (cambio de fase de vapora líquido).


5

Vapor saturado100 °C, 1 atm

Vapor sobrecalentado

Agua saturada

100 °C, 1 atm

Si gana energía

Si pierde energía

Figura 2. Si el vapor saturado gana E, pasa a vapor sobrecalentado, si la pierde

pasa a agua saturada. De otra manera, si al agua saturada se le agrega E, pasa a

vapor saturado, y luego a vapor sobrecalentado.

+ 100 °C

Si un líquido saturado se calienta en unrecipiente cerrado, el espacio libre sobreel líquido se llena rápidamente de vapor.

Llega un momento donde las moléculas degas comienzan a condensarse de nuevo, avolverse líquidas.


Cuando el número de moléculas que seconvierten en gas, son iguales al númerode las se condensan, se dice que selogrado el equilibrio.

Para lograr que siga aumentandorápidamente la vaporización se requiereretirar el vapor producido.


Esta es la razón por la cual un líquido se enfría muy pronto cuando se induce una corriente de aire sobre él.

Las moléculas de aire retiran lasmoléculas de vapor de la superficie dellíquido. Las nuevas moléculas de vaporextraen energía térmica del líquido.


En otras situaciones, las moléculas delíquido sobre un líquido, o sobre el cuerpohumano que pasan a vapor lo hacenporque extraen energía térmica dellíquido o del cuerpo. Por tanto lo enfrían.

Esta es una de las bases de larefrigeración.


Vapor sobrecalentado

Inmediatamente que toda el aguasaturada se ha transformado en vapor, sise continua agregando calor, aumenta denuevo la temperatura en el vapor y estese denomina vapor sobrecalentado.

Por tanto se tiene de nuevo una regiónde una sola fase. Pero esta es vaporsobrecalentado.


http://web.educastur.princast.es/ies/pravia/carpetas/profes/departam/mates/musica/08_La%20fisica%20del%20sonido/02_Movimiento%20ondulatorio/ondas2.gif

En este punto, transferir más calor alvapor sobrecalentado da como resultadoun aumento de temperatura y devolumen específico.

Entre más calor agregado más energíatérmica tendrá el vapor sobrecalentado ymayor capacidad de realizar un trabajo.


Un vapor que no ésta a punto decondensarse, es decir no es vaporsaturado, se denomina vaporsobrecalentado.

Notar que la T del vapor sobrecalentadoes mayor que la del vapor saturado.


1313

Agua saturada + Vapor saturado

solo agua saturada

solo vapor

saturado

T y P son constantes:

100 °C y 1 atm

T

Figura 3. Agua líquida comprimida, mezcla de agua saturada y vapor

saturado, vapor sobrecalentado a 1atm. http://web.educastur.princast.es/ies/pravia/carpetas/profes/departam/mates/musica/08_La%20fisica%20del%20sonido/02_Movimiento%20ondulatorio/ondas2.gif


http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/56-cambios-de-estado-diagramas-de-calentamiento-diagramas-de-fase.html

Figura 4 . Curva completa de calentamiento general para una

sustancia pura desde el estado sólido hasta el gaseoso.

Observe que el agua hierve o comienzaa pasar a vapor a 100 °C cuando lapresión es 1 atm.

A 1 atm el agua hierve a 100 °C.

Si se aumenta la presión qué pasará conla temperatura a la cual hierve el agua?

¿Se requerirá de mayor temperatura?

ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 15

¿El agua podrá hervir a otras temperaturas y presiones?

La respuesta es rotundamente si. El aguapuede pasar a vapor a otrastemperaturas y presiones.

Si se aumenta la presión, también latemperatura aumentará.


Si se disminuye la presión, la temperatura a la cual el agua hierve también disminuirá.

Para una P1 hay una T1

Para una P2 existe una T2

Estos pares (T, P) de valores se denominan

temperaturas y presiones de saturación.



.


LINC INTERESANTE

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/kinetic/vappre.html#c3

Tablas de saturación


.

.

.

Los alimentos se cuecen más rápido auna temperatura mayor.

A una presión más alta se logra másrápido una mayor temperatura.

Por tanto a una mayor presión se lograuna cocción más rápida.


El calentamiento más rápido o una cocciónmás rápida, no implica necesariamente quesea a la temperatura de ebullición normal.

Se puede cocer más rápido a 115 °C sinebullición, que a 100 °C con ebullición.

Esto lo logran las ollas a presión o lasmicroondas.



Ahttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/kinetic/vappre.html#c3

LINC INTERESANTE

ahttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/kinetic/vappre.html#c3

Las sustancias puras se emplean enmuchos sistemas de ingeniería,incluyendo las plantas de potencia,muchos sistemas de refrigeración ysistemas de distribución térmica que usanel agua o el vapor de agua paratransportar la energía.


Domo del agua


02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 3002/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 30(Cengel, 2009)

Figura 5. Diferentes curvas de calentamiento del agua a varias presiones.

Comienza a hevir a T mayor que 100 °C

Comienza a hervir a 100 °C100 °C

Líneas de líquido saturado y vapor saturado a diversas presión.

Puntos Puntos

Figura 6. Si se unen los puntos de sólo líquido saturado abcdef (donde comienza a

hervir el agua) con todos los de sólo vapor saturado fhijkL, se obtiene una curva

abcdefhijkl de propiedades para el agua a diferentes presiones. Tiene forma de

campana o domo.Cengel, 2009)

100 °C

180 °

a

b

c

d

ef

h

i

j

k

L

De la Figuras 5 y 6 se deduce que:

A 1 atm (0,1 GPa) el agua hierve a 100 °C

A 1 Mpa el agua hierve a 180°C

Entre más presión el agua hierve a T mayor.

El volumen específico del agua saturada (cuando comienza a hervir) es mayor mientras mayor sea

la presión. (los puntos abcde agua saturada se van corriendo

a la derecha).


El volumen específico del vapor saturadoes menor a mayor presión.

Lo anterior porque los puntos Lkjih desolo vapor saturado se van corriendo a laizquierda a medida que la presiónaumenta.


Línea de líquido saturado.

La línea izquierda abcdef que une lospuntos donde el agua comienza a hervir opuntos de saturación del agua, sedenomina línea de líquido saturado.(puntos de solo agua saturada) Figura 7.


3535

Figura 7. La línea abcdef es la unión de todos puntos donde

el agua comienza a hervir a diferentes presiones o puntos

de líquido saturado total. Es por tanto la línea de líquido

saturado.

a

c

d

e

f

http://termoweb.unlugar.com/propiedades.html

b

Línea de líquido saturado

Línea de líquido saturadoT

Línea de vapor saturado

La línea derecha fhijkL que une los puntosdonde solo existe vapor saturado sedenomina línea de vapor saturado.


02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 3702/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 37

Figura 8. La línea fhijkL es la unión de todos los puntos de

vapor saturado total. Es por tanto la línea de vapor saturado.

f

h

i

j

kL


Línea de vapor saturado

Línea de vapor saturadoT

02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO38

Figura 9. Toda la región azul a la izquierda de la línea abcdef es

la unión de todas las diferentes líneas de líquido comprimido. Es

por tanto la “Región de Líquido comprimido”.

a

c

d

e

f

Líquido

comprimido

h

i

j

kL


Líquido

comprimido

Líquido

comprimidob

Región de líquido comprimidoT

Figura 10. La región interior naranja entre las líneas abcdef

y hijkL es la unión de todas las líneas saturadas de líquido y

vapor o de mezcla líquido saturado y vapor saturado . Es

por tanto la “Región de saturación líquido vapor”.

a

c

d

e

f

Líquido

comprimido

h

i

j

kL


Región de saturación líquido y vapor


Región de saturación líquido y vapor”


Líquido

comprimido

Líquido

comprimidob

TRegión de saturación líquido vapor


Figura 11. La región a la derecha de la línea fhijkL es la

“Región de vapor sobrecalentado”

a

b

c

d

e

f

h

i

j

kL


Región de vapor sobrecalentado





Región de vapor sobrecalentadoT


a

c

d

e

f

Líquido

comprimido

h

i

j

kL




Región de saturación líquido y vapor”


Líquido

comprimido

Líquido

comprimidob






T

Punto crítico

En f la línea se vuelve un punto.

Este punto se llama punto crítico porquees él ya no hay diferencia entre losestados líquido y gaseoso.


Es el punto en que los estados de líquidosaturado y vapor saturado coinciden: sonlos mismos

Arriba del punto crítico el agua líquidapasa directamente a vapor sin formarsemezcla de agua líquida saturada y vaporsaturado.


En el punto f La presión, la temperatura yel volumen específico se denominan:

Presión crítica

Temperatura crítica

Volumen específico crítico.


Punto crítico del agua


En el libro de Gengel, aparacen las propiedades críticas

para varias sustancias en el apéndice A-1

A presiones superiores a la crítica haycambio directo de fase líquida a vaporcon el consiguiente aumento de volumenespecífico.


También son comunes. Son similarespero ya no con isóbaras, sino conisotermas.

Además la isotermas van hacia abajo.


Hasta ahora en los diagramas vistos solo se ha trabajado con regiones líquidas y vapor.

Es posible que estén involucrados

los tres estados.


En él se aprecian tres regiones, S, L, G,en las cuales el sistema se encuentra enlas fases, sólida, (hielo), líquida, (agua),y gaseosa, (vapor).

En cada una de estas regionesmonofásicas el estado del sistema vienedeterminado por dos cualesquiera de lastres propiedades que definen los ejes.



http://iqtermodinamica.blogspot.com/2011/07/diagramas-pvt.html

Las propiedades sobre las líneas delíquido saturado y vapor saturado selistan en las tablas de saturación parauna sustancia dada.

El subíndice f hace referencia allíquido saturado y el subíndice g hacereferencia al vapor saturado. Elsubíndice fg es la resta entre los dosvalores.


TABLAS DE SATURACIÓN Y CALIDAD : TABLAS DE

SATURACIÓN, MEZCLAS Y CALIDAD, LÍQUIDO

COMPRIMIDO, VAPOR SOBRECALENTADO.

MEZCLAS Y CALIDAD

Una mezcla es parte líquido saturado y parte vapor saturado.

Se pueden calcular las propiedades de la mezcla si se conoce cuánto de cada fase está presente.

Esto se expresa por la calidad (x) de la mezcla, que es la fracción de masa de vapor.


Con objeto de poder evaporarse, una masa de agua, debe recoger una gran cantidad de calor de vaporización, lo cual produce enfriameinto, de modo que la evaporación es un potente mecanismo de enfriamiento


http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/phase2.html#c3

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