Propiedades Residuales.

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE FLUIDOS 

Que tal amigos, en la sección anterior se explicó en forma aplicada los procesos termodinámicos, para ello use un modelo muy usual en la industria petrolera, tal como es una bomba neumática. 

En esta ocasión hablaremos acerca de las propiedades termodinámicas de fluidos, para los cuales haré mención de los fluidos usuales dentro de la industria petrolera, ya que son los componentes que se encuentran frecuentemente.

En ingeniería de Proceso es muy interesante conocer cómo se determinan las propiedades de sólidos, líquidos y gases para aplicar las Leyes de la Termodinámica.

Las propiedades termodinámicas son características que se pueden observar, medir o cuantificar en las sustancias. La cantidad y tipo de propiedades que se puedan establecer para un sistema dependen del tipo de observación que se halla establecido para el análisis del sistema. Por ejemplo si el enfoque usado es el macroscópico se pueden establecer propiedades como temperatura, presión, energia, energía interna y entalpía y otras, que de ningún modo serían establecidas utilizando el enfoque microscópico.

Dichas propiedades se clasifican como extensivas o intensivas dependiendo de su comportamiento al variar la extensión o la masa del fluido.Algunas propiedades se cuantifican para toda la cantidad de materia en el sistema, es decir para su extensión, como el volumen total que ocupa, la energía que contiene internamente, incluso la materia (mol) o su masa (m). Estas propiedades que cambian de valor al cambiar la extensión del sistema son denominadas extensivas.

Otras propiedades no dependen de la cantidad total de masa en el sistema ni cambian con el cambio en su extensión, pero si indican su repetibilidad en cada unidad de extensión del sistema; en la mayoría de las ocasiones, indican la intensidad con que se presenta una propiedad extensiva. Estas son llamadas propiedades intensivas y entre ellas se tienen la presión, la temperatura y todas las propiedades por unidad de masa (especificas) como la gravedad específica. Debido a que estas propiedades intensivas son invariantes con la extensión del sistema, permiten establecer relaciones directas con el estado de las sustancias.

Hay tres formas usuales para conocer estas propiedades

1) Tablas de propiedades2) Figuras y Diagramas Termodinámicos3) Correlaciones y Ecuaciones

Las principales propiedades que debemos analizar y determinar para aplicaciones en ingeniería son mostradas en la Tabla 1.

Tabla 1: Algunas propiedades físicas termodinámicas

Tabla 2 : Tabla de propiedades básicas de los elementos comunes encontrados en la exploración y explotación de pozos petroleros.

Click para descargar tabla 2 (http://rapidshare.com/files/208820120/Propiedades.pdf.html)

Nota: Los datos de la tabla anterior están referido a condiciones estándar (14.7 Psia @ 60°F)

PRESIÓN DE VAPOR

Esta es la presión a una temperatura dada a la que dos fases pueden coexistir en equilibrio (por un periodo “largo”). Los ingenieros de diseño (INGENIERIA DE PROCESO) debemos tener claro los conceptos de presión de vapor sobre líquidos, presión de saturación y presión de vapor sobre sólidos (presión de sublimación).

Fig. 1 Diagrama PT de una sustancia pura

La presión de vapor de un líquido puede calcularse utilizando la ecuación de Antoine modificada.

La ecuación es:

P: KpaT: °K

Tabla 3 : Coeficientes de Antoine.

Click para descargar tabla 3 (http://rapidshare.com/files/208823655/Antoine.pdf.html)

PUNTO CRÍTICO

Coordenadas de presión (Pc) y temperatura (Tc) características de un fluido A presiones mayores a Pc, no se puede pasar de vapor a líquido por simple enfriamiento, y a temperaturas mayores a Tc, no se puede pasar de vapor a líquido por simple compresión.

PUNTO TRIPLE

Coordenadas de presión y temperatura a las que co-existen en equilibrio las fases gaseosa, líquida y sólida. El punto triple es una propiedad característica de cada sustancia.

SISTEMA CERRADO Y SISTEMA ADIABÁTICO

Sistema cerrado es un sistema termodinámico en donde no existe intercambio de materia entre él y su entorno.

Sistema adiabático es un sistema termodinámico en el que no hay interacción de calor entre él y su entorno.

SISTEMA TERMODINÁMICO

Cantidad de materia de masa e identidad fijas que se toma como base para un determinado estudio… lo que queda fuera del sistema se conoce como entorno o ambiente.

CALOR DE VAPORIZACIÓN

El calor de vaporización disminuye con el aumento de T. En el punto crítico ΔHvap = 0. Es importante señalar que no existe calor de vaporización a temperaturas mayores a Tc.

En el siguiente capitulo veremos algunas de aplicaciones (en la industria petrolera) de las propiedades termodinámicas aquí tratadas, en donde se darán cuenta de por que los Ingenieros de Proceso debemos tener claro los conceptos de presión de vapor sobre líquidos, presión de saturación y presión de vapor sobre sólidos (presión de sublimación).

Propiedades Termodinámicas

En ingeniería, las variables medidas comúnmente son presión, flujo másico y temperatura, y a

partir de ellas se desarrollan cálculos para determinar el valor de otras variables útiles para

describir el sistema con el que se esté trabajando, tales como el calor transferido.

1. Medidas de cantidad o de tamaño

Masa (m)

Medición Número de moles (n)

Volumen (V)

2. Temperatura.

La temperatura de un cuerpo es una función directa de la energía cinética de sus moléculas, y se

utiliza como una medida indirecta de la cantidad de calor transferido en un proceso. La temperatura

es la fuerza impulsora para la transferencia de energía en forma de calor.

Sistema Masa Longitud Tiempo Temperatura Fuerza Energía

Internacional

(SI)

Kg m S °C N J

Inglés lbm ft S °F lbf BTU

cgs g cm S °C dina erg

Tabla 1. Múltiplos de unidadesM. en C. María Guadalupe Ordorica Morales 7

3. Presión

La presión ejercida por un fluido sobre una superficie se define como la fuerza normal ejercida por

el fluido por unidad de área de superficie, lo que se representa mediante la ecuación

P = F / A = mg / A = Ahg / A = hg

4. Trabajo

Se realiza trabajo siempre que una fuerza actúe a través de una distancia. La cantidad de trabajo

se define de la siguiente manera:

+ si está en la misma dirección de la fuerza

dW = F dL

- si está en dirección opuesta a la fuerza

En termodinámica, el trabajo se acompaña de un cambio en el volumen del sistema (compresión o

expansión).

5. Energía

Por lo general, se define a la energía como la capacidad un cuerpo o sistema de realizar un

trabajo. Para esto, se considera la energía contenida en el sistema, la cual puede ser de tres tipos

Energía cinética (Ek = mv2

/2)

Energía contenida en un sistema Energía potencial (Ep = mgh)

Energía interna (U)

Al cuerpo o conjunto sobre el que se concentra la atención se le llama sistema, y lo demás son los

alrededores. Cuando se realiza trabajo, este lo hacen los alrededores sobre el sistema o viceversa,

y la energía se transfiere de los alrededores al sistema o al revés. Durante la transferencia existe el

trabajo, mientras que Ek, Ep y U residen en el sistema.

6. Energía interna

Es la energía de las moléculas de la sustancia en cuestión. La adición de calor a una sustancia

aumenta su actividad molecular y así se provoca un aumento de energía interna (U). El trabajo

hecho sobre la sustancia puede tener el mismo efecto.

En una escala submolecular, la energía se asocia con los electrones y los núcleos de los átomos,

y con su energía de enlace resultante de las fuerzas que mantienen unidos a los átomos como

moléculas. Es la energía interna, que termodinámicamente no tiene una definición concisa.M. en C. María Guadalupe Ordorica Morales 8

7. Calor

Cuando dos sistemas, a temperaturas diferentes, se ponen en contacto, la temperatura final que

ambos alcanzan tiene un valor intermedio entre las dos temperaturas iniciales. Ha habido una

diferencia de temperatura en estos sistemas. Uno de ellos ha perdido "calor" (su variación de

temperatura es menor que cero ya que la temperatura final es menor que la inicial) y el otro ha

ganado "calor" (su variación de temperatura es positiva). La cantidad de calor (cedida uno al otro)

puede medirse, es una magnitud escalar que suele ser representada mediante la letra Q.

Durante mucho tiempo se pensó que el calor era una especie de "fluido" que pasaba de un cuerpo

a otro (se le conocía como calórico). Hoy se sabe que el calor es una onda electromagnética (posee

la misma naturaleza que la luz) y su emisión depende de la vibración de los electrones de los

átomos que forman el sistema.

8. Equivalente mecánico del calor

Si el calor es precisamente otra forma de energía, cualquier unidad de

energía puede ser una unidad de calor. El tamaño relativo de las

"unidades de calor" y las "unidades mecánicas" puede encontrarse a

partir de los experimentos en los cuales una cantidad conocida de

energía mecánica, medida en joules, se añade al sistema (recipiente

de agua, por ejemplo). Del aumento de temperatura medido puede

calcularse cuanto calor (en calorías) tendremos que añadir a la

muestra de agua para producir el mismo efecto. De esa manera puede

calcularse la relación entre Joule y calorías, es decir, el llamado

equivalente mecánico del calor.

En Manchester, Inglaterra, durante la década de 1840, James P. Joule (1818 – 1889) eralizó una

serie experimentos en recipientes aislados, colocando en ellos cantidades conocidas de agua,

aceite y mercurio. El aparato que utilizó originalmente tenía unas pesas como las que se muestran

en la figura 1, y que al caer, hacían girar un conjunto de paletas sumergidas en agua. La pérdida de

energía mecánica (debido al rozamiento) se calculaba conociendo las pesas y las alturas de las

cuales caían. La energía calorífica equivalente era determinada a través de la masa de agua y su

aumento de temperatura. Así, Joule demostró que existe una relación cuantitativa entre calor y

trabajo, y que el calor es una forma de energía. Los resultados numéricos obtenidos fueron: 1 kcal =

1000 cal = 4186 joules.

9. Calor y Trabajo

Ni el calor ni el trabajo son propiedades de un cuerpo en el sentido de poder asignarle un valor a

la cantidad "contenida" en el sistema. El trabajo es una medida de la energía trasferida por medios

mecánicos mientras que el calor, en cambio, es una medida de la energía transferida por medio de

una diferencia de temperatura.

Si se aplica una fuerza sobre una superficie, se ejercerá una presión sobre ese lugar. La fuerza

aplicada, al provocar un desplazamiento, genera trabajo mecánico. En el caso de la presión, que

actúa sobre las paredes de un cuerpo extensible, el ensanchamiento de este produce variación de

volumen, el que está asociado con el trabajo mecánico también (Figura 2).

Figura 1. Experimento

De JouleM. en C. María Guadalupe Ordorica Morales 9

Figura 2. Generación de Trabajo

Si se aplica una fuerza sobre una superficie, se ejercerá una presión sobre ese lugar. La fuerza

aplicada, al provocar un desplazamiento, genera trabajo mecánico. En el caso de la presión, que

actúa sobre las paredes de un cuerpo extensible, el ensanchamiento de este produce variación de

volumen, el que está asociado con el trabajo mecánico también.

Ley Cero de la Termodinámica

R.H. Fowler, en 1931, enunció la ley cero de la termodinámica: “Cuando dos sistemas o cuerpos

diferentes están en equilibrio termodinámico con un tercero, también están en equilibrio entre sí”.

Si uno de estos sistemas se pone en contacto con un entorno infinito situado a una determinada

temperatura, el sistema acabará alcanzando el equilibrio termodinámico con su entorno, es decir,

llegará a tener la misma temperatura que éste.