5 SUSTANCIA PURAaa

FENMENOS DE TRANSPORTE

UNIDAD I CONTENIDO

SUSTANCIA PURA

SUSTANCIA PURA

Es toda sustancia que tiene su composicin qumica homognea einvarianteEjemplo: el agua, el nitrgeno, el oxgeno, el amonaco y muchos mas.La sustancia pura puede presentarse en distintas fases: slido, lquido ygaseosa. Dependiendo de los valores de presin y temperatura unasustancia puede estar como slido, lquido o vapor o presentarse en dos otres fases a la vez.

CAMBIOS DE FASE Existen en la naturaleza muchas situaciones en que dos fases de unasustancia pura coexisten en equilibrio. El agua existe como lquido y vapordentro de una olla de presin. El agua slida o hielo a la temperatura y

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presin normales del ambiente comienza su proceso de condensacin. Apesar de que todas las fases de las sustancias son importantes, solo seestudiarn las fases lquido y vapor y su mezcla.En el estudio de la sustancia pura se toma como ejemplo el agua por seruna sustancia muy familiar.

TEMPERATURA DE SATURACIN Y PRESIN DE SATURACIN La temperatura y presin de saturacin son aquellas en donde ocurrela ebullicin de una sustancia pura. Para una presin de saturacin existeun nico valor de temperatura de saturacin y viceversa. Para el agua, auna presin de 101.35 kPa la temperatura de saturacin es 100C. Ensentido inverso, a una temperatura de 100C la presin de saturacin es101.35 kPa. La grfica de Psat contra Tsat da una curva caractersticapara cada sustancia pura y se conoce como curva de saturacin delquido-vapor. Figura 1.27.

Fig. 1.27 Curva de saturacin lquido-vapor de una sustancia pura (losPDF creado por htmlapdf.com a travs de la Interfaz de programacin

valores numricos corresponden al agua).

En la Figura 1.27 se puede observar que la temperatura de saturacinaumenta con un incremento de la presin. Cuando se cocina, lastemperaturas de ebullicin ms altas implican tiempos de coccin mscortos y ahorros de energa. Por ejemplo, cuando se cocina en una olla depresin la temperatura de ebullicin es superior a los 100C ya que lapresin que se consigue en una olla de presin es superior a los 101.35kPa. En aquellos sitios que se encuentran por encima del nivel del mar, lapresin atmosfrica disminuye en la medida que se asciende as como latemperatura de saturacin por lo que el tiempo de coccin en estos sitioses mayor.

DIAGRAMAS DE ESTADO Y DIAGRAMA DE FASE Los diagramas de estado permiten representar los distintos cambiosde estado que experimentan las sustancias. Estos son los diagramas P-vy T-v. El diagrama de fase nicamente representa las tres fases paracualquier sustancia. Este es el diagrama P-T.

Diagrama T-vEl diagrama T-v se obtiene de la proyeccin de la superficie PvT (Figura1.28) en el plano T-v. La proyeccin resultante sobre un plano paralelo alos ejes T-v se muestra en la Figura 1.29. En este diagrama tanto lasregiones de una y dos fases aparecen como reas.


Fig. 1.28 Superficie P-v-T de una sustancia que se expande al congelarse(como el agua).

Es comn que dos fases estn en equilibrio, pero en algunas condicioneslas tres fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. En losdiagramas P-v o P-T, estos estados de fase triple forman la lnea triple.Los estados de una sustancia sobre la lnea triple tienen la misma presiny temperatura, pero diferentes volmenes especficos. La lnea tripleaparece como un punto sobre los diagramas P-T y, por tanto, sueledenominarse punto triple.


Fig. 1.29 Figura T-v de una sustancia pura.

Los estados de lquido saturado en la Figura 1.29 pueden conectarsemediante una lnea, lnea de lquido saturado, y los estados de vaporsaturado en la misma figura pueden conectarse mediante la lnea de vaporsaturado. Estas dos lneas se alcanzan en el punto crtico, formado undomo como muestra la Figura 1.29. El punto crtico se define como elpunto al cual los estados de lquido saturado y de vapor saturado sonidnticos. La temperatura, la presin y el volumen especfico de unasustancia en el punto crtico se denominan, temperatura crtica Tcr ,presin crtica Pcr y volumen especfico crtico vcr. Las propiedades delpunto crtico del agua son Pcr=22.09 Mpa, Tcr=374.14 C y vcr=0.003155m3/kg.

Diagrama P-v


El diagrama P-v se obtiene de la proyeccin de la superficie P-v-T (Figura1.28) en el plano P-v (Figura 1.30). La forma general del diagrama P-v deuna sustancia pura es similar al diagrama T-v, pero las lneas deT=constante sobre este diagrama presentan una tendencia hacia abajo,como muestra la Figura 1.30. Tanto en el diagrama T-v como en el diagrama P-v las regiones de una ydos fases aparecen como reas. La lnea de lquido saturado representalos estados de la sustancia tales que cualquier adicin infinitesimal deenerga a la sustancia a presin constante cambiar una pequea fraccinde lquido en vapor. De modo semejante, al sustraer energa de lasustancia en cualquier estado que cae dentro de la lnea de vaporsaturado origina una condensacin del vapor, mientras que la adicin deenerga sobrecalienta al vapor. La regin de dos fases, que se denominalquido y vapor saturados y que queda entre las lneas de lquido saturadoy vapor saturado, generalmente se llama regin hmeda o bveda hmeda.


Fig. 1.30 Diagrama P-v de una sustancia pura.

Diagrama P-TLa Figura 1.31 muestra el diagrama P-T de una sustancia pura, llamadodiagrama de fase puesto que las tres fases se separan entre s mediantetres lneas.

Fig. 1.31 Diagrama P-T de sustancias puras.

Resulta de la proyeccin de la superficie PvT de una sustancia sobre elplano P-T. 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 defusin separa las regiones slida y lquida. Estas tres lneas convergen enel punto triple, donde las tres fases coexisten en equilibrio. La lnea de


vaporizacin finaliza en el punto crtico porque no se pueden distinguir lasfases lquida y de vapor arriba del punto crtico. Las sustancias que seexpanden y contraen al congelarse difieren solo en la lnea de fusin en eldiagrama P-T.

LA SUPERFICIE P-v-T Desde el punto de vista matemtico, cualquier ecuacin con dosvariables independientes en la forma z=z(x,y) representa en un espaciotridimensional una superficie rectangular, por tanto, es posible representarel comportamiento P-v-T de una sustancia como una superficie en elespacio, como muestra la Figura 1.28. Todos los puntos sobre lasuperficie representan estados de equilibrio. La totalidad de los estados alo largo de la trayectoria de un proceso yacen sobre la superficie P-v-T,puesto que tal proceso debe pasar por estados de equilibrio. Las regionesde una fase aparecen como superficies curvas sobre la superficie P-v-T, ylas regiones de dos fases como superficies perpendiculares al plano P-T.Era de esperarse puesto que las proyecciones de las regiones de dosfases sobre el plano P-T son lneas. Todos los diagramas bidimensionalesvistos hasta ahora, slo son proyecciones de esta superficietridimensional sobre los planos apropiados.

TABLAS DE PROPIEDADES DE SUSTANCIAS PURAS Para la mayora de las sustancias las relaciones entre laspropiedades termodinmicas son demasiado complejas, como paraexpresarse por medio de ecuaciones simples. Por tanto, las propiedadesse presentan en la forma de tablas. Algunas propiedades termodinmicaspueden medirse con finalidad pero con otras no es posible hacerlo de


manera directa y se calculan mediante las relaciones que las vinculan conpropiedades medibles. Los resultados de estas mediciones y los clculosse presentan en tablas con un formato conveniente. En el siguienteanlisis, se utilizarn tablas de vapor, para mostrar el uso de tablas conpropiedades termodinmicas. Las tablas de propiedades de otrassustancias se utilizan de la misma manera. Para cada sustancia, laspropiedades termodinmicas se listan en ms de una tabla. Se preparauna tabla para cada regin, como las de vapor sobrecalentado, lquidocomprimido y saturada (regin hmeda).

a) Lquido Saturado y Vapor Saturado: Tablas de SaturacinEl subndice f se emplea para denotar propiedades de un lquido saturadoy el subndice g, para las propiedades de vapor saturado. Otro subndiceutilizado es fg, el cual denota la diferencia entre los valores de vaporsaturado y lquido saturado de la misma propiedad. Figura 1.29 y 1.30.Ejm,vf : volumen especfico del lquido saturadovg : volumen especfico del vapor saturadovfg : diferencia entre vg y vf

b) Mezcla Saturada de Lquido-Vapor En el proceso de evaporacin, una sustancia pasa de su condicin delquido saturado a vapor saturado por lo que la sustancia existe comoparte lquida y como parte vapor. Esto es, es una mezcla de lquido yvapor saturados. Figura 1.29 y 1.30. Para analizar esta mezcla de maneraapropiada, es necesario conocer las proporciones de las fases lquida yde vapor en la mezcla. Esto se obtiene al definir una propiedad llamada la


calidad x como la razn entre la masa de vapor y la masa total de lamezcla

donde

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:

como


sustituyendo en 1.49 se puede escribir la siguiente expresin:

dividiendo por la masa:

Observe que la relacin m g /m representa el porcentaje en masa devapor saturado en la mezcla y es lo que se conoce como calidad, mientrasque la relacin m f /m representa el porcentaje en masa de lquidosaturado en la mezcla y se denomina humedad, pudindose expresar como(1-x).

As, la expresin 1.51 para el volumen especfico de la mezcla saturadalquido-vapor, queda de la siguiente forma:


La ecuacin 1.53 se puede generalizar para calcular cualquier propiedadespecfica dentro de la regin lquido-vapor:

c) Vapor sobrecalentado El vapor sobrecalentado se encuentra en la regin derecha de la lneade vapor saturado. Figura 1.29 y 1.30. Como la regin desobrecalentamiento es de una sola fase, se necesitan dos propiedadesintensivas par fijar o definir el estado de equilibrio. Las tablas de vaporsobrecalentado presentan el volumen especfico y otras propiedadesespecficas como funcin de la presin y la temperatura.

d) Lquido subenfriado o comprimido El lquido comprimido se encuentra en la regin izquierda de la lnea delquido saturado. Figura 1.29 y 1.30. 0La literatura no ofrece gran cantidadde datos en forma de tablas para los lquidos comprimidos o subenfriados.La variacin de las propiedades del lquido comprimido debido a la presines muy ligera, mientras que con la temperatura muestran mayordependencia. En la mayora de los casos, cuando no se dispone de tablasde lquido comprimido para una sustancia pura, los datos sobre el lquidocomprimido se pueden aproximar bastante al usar valores de laspropiedades del estado lquido saturado a la temperatura dada. Esto


implica que los datos del lquido comprimido dependen ms de latemperatura que de la presin.

Liquido Comprimido Liquido Mezcla Liquido Vapor Vapor Vapor o Subenfriado Saturado Saturado Sobrecalentado


Cambio de fase lquida a fase vapor, a presin constante, de unasustancia pura

REPRESENTACIONES DE Pv Y DE PT Los diagramas del proceso son una ayuda importante en la resolucinde problemas. En la Figura 1.32 se muestran las grficas para cuatroprocesos diferentes en los diagramas Pv y PT

a. Vapor sobrecalentado se enfra a presin constante hasta queempiece a formarse lquido.

b. Una mezcla de vapor y lquido con calidad del 60% se calienta avolumen constante hasta que su calidad sea de 100%.

c. Una mezcla de lquido y vapor con calidad del 50% se calienta atemperatura constante de 200 C hasta que su volumen es 5 veces elvolumen inicial.

d. El refrigerante 12 se calienta a presin constante desde lquidosaturado hasta que su calidad es 50%.


Figura 1.32 Diagrama Pv y PT para los procesos de los ejemplos.


Ver tambin: PROBLEMAS RESUELTOS SOBRE SUSTANCIA PURA

Ver tambin: PROBLEMAS RESUELTOS DE LA UNIDAD I

Ver tambin: PROBLEMAS PROPUESTOS DE LA UNIDAD I


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