SUSTANCIAS PURAS

INTEGRANTESTatiana Ardila Rincon

PRESENTADO AJulio Cesar Pérez Angulo

MATERIAPROP.DE.LOS.FLUIDOS.DEL.YACIMIENTO

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERFACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUIMICAS

INGENIERIA DE PETROLEOSBUCARAMANGA

2015

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCION...............................................................................................2

2. DEFINICION DE SUSTANCIA PURA................................................................3

2.1 Ejemplos sustancias puras con composiciones quimicas bien definidas....3

2.2 Ejemplos sustancias puras de una fase o de dos fases..............................3

3. COMPORTAMIENTO PVT DE UNA SUSTANCIA PURA.................................4

3.1 fases de una sustancia pura.......................................................................6

4.PROPIEDADES DE UNA SUSTANCIA PURA.....................................................8

5. ECUACIONES DE GAS IDEAL……………………………………………………..9

6. PROPIEDADES EXTENSIVAS E INTENSIVAS………………………………...11

7. EJERCICIOS RESUELTOS.............................................................................12

8. EJERCICIOS PROPUESTOS.........................................................................15

9. BIBLIOGRAFIA................................................................................................17

1. INTRODUCCION

En este trabajo acerca de sustancias puras se quiere analizar sus respectivos procesos, también se presentan diagramas de propiedad y los comportamientos PVT. Además de presentar lo anteriormente mencionado también se van a usar conceptos termodinámicos que nos ayudaran a profundizar en el tema.La termodinámica tiene por tema principal el estudio de las leyes de transferencia de calor en sistemas de equilibrio. Se quiere resaltar la importancia de este tema ya que podemos de manera práctica estudiar diferentes ámbitos de la industria, por ejemplo, una máquina de combustión interna y externa suponiendo que operan con sustancias simples y compresibles como fluidos de trabajo, aunque estas no funcionan así.

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2. DEFINICION DE SUSTANCIA PURA

Una sustancia pura es aquella que tiene solamente una composición química y esta es invariable; no necesariamente tiene que estar formada por un solo elemento, la mezcla de varios de estos se considera como sustancia pura solo si la mezcla es homogénea. Al estudiar dos fases en la termodinámica no es necesario tomar en cuenta la estructura molecular y el comportamiento de las fases, pero es muy útil entender los fenómenos moleculares de cada fase.

2.1 EJEMPLOS SUSTANCIAS PURAS CON COMPOSICIONES QUIMICAS BIEN DEFINIDAS

- Agua (H2O)- Aire- Amoniaco (NH3)- Nitrógeno (N2)- Helio (He)- Monóxido de carbono (CO)- Dióxido de carbono(CO2)- Dióxido de nitrógeno (NO2)

2.2 EJEMPLOS SUSTANCIAS PURAS DE UNA FASE O DE DOS FASES

- Una fase: aire- Dos fases: hielo-agua

3. COMPORTAMIENTO PVT DE UNA SUSTANCIA PURA

Este comportamiento lo podemos definir gráficamente en un diagrama que se denomina “Superficie Termodinámica” (FIG 1). Esta superficie termodinámica es tridimensional, pero se descompone en los siguientes diagramas bidimensionales:

- Temperatura – Volumen específico ( T- v) (FIG 2)- Presión – Volumen específico (P-v) (FIG 3) - Presión Temperatura (P-T) (FIG 4)

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

Los diagramas P-v y T-v que se mostraran a continuación pueden ser combinados en una sola superficie tridimensional como se muestra en la FIG 1 para una sustancia que se contrae cuando se congela.

FIG 1. Superficie termodinámica

La curva de saturación o domo se define como la curva que encierra la región de dos fases sobre el diagrama T-v.

Algunas veces es conveniente mostrar la información de un proceso sobre un diagrama P-v. También, como en el diagrama T-v, la curva de

FIG 2. Diagrama T vs V

FIG 3. Diagrama P vs V

saturación o domo se define como la curva que encierra la región de dos fases sobre el diagrama P-v.

La curva de fusión contiene los puntos de coexistencia de las fases sólido y líquido. La curva de vaporización contiene los puntos en los que coexisten las fases líquido y vapor. La curva de sublimación directa contiene los puntos en los que coexisten las fases sólido y vapor. El punto triple representa el único punto en el que coexisten las tres fases.

3.1 FASES DE UNA SUSTANCIA PURA

La sustancia pura puede darse en las siguientes fases:- Solido : Au, donde hay grandes fuerzas de atracción

El estado sólido tiende a mantener la forma cuando se aplican pequeñas fuerzas durante tiempos razonables. Todas las sustancias a temperaturas muy bajas son siempre sólidas.

- Liquido: Hg, menores fuerzas de atracciónEl estado líquido tiende a mantener su volumen al aplicarle pequeñas fuerzas, aunque fluya. El estado líquido es algo excepcional en la naturaleza, donde casi todo el universo es un gas enrarecido (espacio interestelar), con algunos cuerpos sólidos, o gaseosos muy comprimidos por la gravedad (estrellas y demás astros)

- Gas: N2, estructura desordenadaEl estado gaseoso tiende a ocupar todo el volumen disponible, sin interfaces, pero con densidad dependiente del campo de fuerzas existente (por eso los astros pueden retener atmósferas gaseosas). El estado

FIG 4 DIAGRAMA P vs T

gaseoso es el más común en el universo, mayoritariamente compuesto de átomos y pequeñas moléculas en expansión libre.

4. PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

Liquido comprimido o liquido sub-enfriado:El líquido sub-enfriado es aquel donde la sustancia esta liquida a una temperatura menor que la temperatura de saturación para una presión determinada.

El líquido comprimido es aquel donde la sustancia esta liquida a una presión mayor que la presión de saturación a una temperatura determinada.

Liquido saturado: Es aquel que está a punto de evaporarse. Cuando una sustancia pura esta como líquido saturado esta se encuentra de manera total en este estado, como líquido, nada de vapor ya que está a punto de comenzar a crearse a partir del agua líquida saturada.

Vapor saturado: Es aquel vapor que está a punto de condensarse. En esta fase la sustancia esta toda como vapor y se debe retirar calor si se quieren generar gotas de líquido

Vapor sobrecalentado: El vapor está a una temperatura más alta que de vapor saturado, por lo cual ya no está a punto de condensarse.

Temperatura de saturación y presión de saturación:La temperatura a la cual una sustancia pura comienza a cambiar de fase se llama temperatura de saturación y esta tiene ligada una presión que se llama presión de saturación

Calidad: Es la cantidad de masa de vapor presente con respecto a la cantidad de masa total dentro del volumen de control

Calor latente: Calor necesario para que se dé el cambio de fase, existe el calor latente de fusión que es la cantidad de energía en forma de calor que absorbe durante la fusión, y el calor latente de evaporación que es la cantidad de energía absorbida durante la evaporación

Punto crítico:Liquido + vapor en equilibrio con sus valores de presión y temperatura máximos

5. ECUACIONES DE ESTADO DE GAS IDEAL

Cualquier ecuación que relacione la presión, temperatura y el volumen específico de una sustancia se denomina ecuación de estado.

La ecuación de estado más sencilla es aquella que describe el comportamiento de un gas cuando éste se encuentra a una presión baja y a una temperatura alta. En estas condiciones la densidad del gas es muy baja, por lo que podemos decir que no hay interacciones entre las moléculas del gas y el volumen de las moléculas es nulo. La ecuación de estado que describe un gas en estas condiciones se llama ecuación de estado de un gas ideal.

La ecuación de estado de un gas ideal es el resultado de combinar dos leyes empíricas válidas para gases muy diluidos: la ley de Boyle y la ley de Charles.

Ley de Boyle

La ley de Boyle da una relación entre la presión de un gas y el volumen que ocupa a temperatura constante. Dicha ley establece que el producto de la presión por el volumen de un gas a temperatura constante es constante.

Ley de Charles

La ley de Charles establece que, a presión constante, el cociente entre el volumen que ocupa un gas y su temperatura, expresada en kelvin (K), es una constante.

Combinando en una sola ecuación la ley de Boyle y la ley de Charles se obtiene:

Para un mol de gas, tenemos que la cte. es la constante universal de los gases ideales R, por lo que la ecuación de estado de un gas ideal es:

Donde n es el número de moles.

El valor de R en el Sistema Internacional es:

Otras ecuaciones de estado:

Donde: - P: Presión- V: Volumen- n : número de moles - T : temperatura- R: constante universal de los gases ideales- M: peso molecular

6. PROPIEDADES EXTENSIVAS E INTENSIVAS

Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de un cuerpo, por lo que el valor permanece inalterable

Por el contrario, las propiedades extensivas son aquellas que sí dependen de la cantidad de sustancia o del tamaño de un cuerpo, son magnitudes cuyo valor es proporcional al tamaño del sistema que describe

Muchas magnitudes extensivas, como el volumen, la cantidad de calor o el peso, pueden convertirse en intensivas dividiéndolas por la cantidad de sustancia, la masa o el volumen de la muestra.

INTENSIVAS EXTENSIVAS

Presión Masa

Temperatura Volumen

Densidad Energía interna

Energía interna especifica Entalpia

7. EJERCICIOS RESUELTOS

a. Indique si el agua en el estado P = 600 kPa y u = 550 KJ/Kg se encuentra sub-enfriada, saturada o sobrecalentada.

Podemos notar que a la presión dada la u f=669.90 y como la que nos dan es menor a la energía interna del líquido saturado, esto quiere decir que se encuentra como liquido comprimido o sub-enfriado.

b. Indique si el agua en el estado P = 800 kPa y T = 250 °C se encuentra sub-enfriada, saturada o sobrecalentada.

Podemos notar según la tabla que a la presión dada la temperatura es de 170.4 lo cual es menor a la suministrada en el ejercicio, esto nos indica que si está por encima es un vapor sobrecalentado.

c. . Una mezcla liquido-vapor de agua se mantiene en un recipiente rígido a 60°C. El sistema se calienta hasta que su estado final es el punto crítico.Determínense:

- La calidad inicial de la mezcla liquido-vapor.

Lo primero que se realiza es el esquema o grafico donde se analizara la información dada, teniendo así :

Luego en una tabla se introducen los datos del ejercicio

DATOS ESTADO INICIAL ESTADO FINAL

T (°C) 60 373.95

P (kPa) 19.947 22.064

V(m3/Kg ¿

v f=0.001017vg=7.6670

v1y 2=0.003106

Ahora se halla la calidad que es lo que se necesita. La fórmula general es:

Reemplazamos valores

Resultado final:

d. Un recipiente rígido contiene vapor de agua a 15 bar y a una temperatura desconocida. Cuando el vapor se enfría hasta 180°C, este comienza a condensar.

Estímese la temperatura inicial, en grado Celsius.

? = 180°C Ya que el mismo ejercicio suministra este dato.

Como sabemos que es vapor sobrecalentado mirando las tablas y teniendo en cuenta que T>T Sat a una P dada.

Entonces: T>198.3°C

8. EJERCICIOS PROPUESTOS

a. Un tanque que tiene paredes rígidas, tiene en su interior es de 2560 L, contiene inicialmente vapor de agua saturada a 5 bar. Un enfriamiento hace que la presión caiga hasta 1 bar.Determínese para el estado final de equilibrio:

- La temperatura en grados Celsius.

SOLUCION

Este es un sistema cerrado ya que el tanque tiene paredes rígidas lo cual provoca también que el volumen permanezca constante durante todo el proceso.

Estado inicial: P= 5,00 bar

Vapor saturado: T=T s=¿ =151.9 °C

V=V g =0.3749 m3/kg

Estado final:P= 1 bar

V2=V1

V f 2= 1.0432*10-3 m3/kg V g2= 1.694 m3/kg

Como v2 está entre vf2 y vg2 se trata de una mezcla saturada

Este es un proceso isométrico porque las paredes del recipiente son rígidas.

Por esto con ayuda de las tablas tendremos:

T 2=T s (P2)=99.63 ° C

b. ¿Es correcto decir que el agua hierve a 100°C?

No, es correcto decir que hierve a 100°C con 1 atm de presión. Ya que estas dependen una de la otra, si la presión es constante, lo mismo sucede con la temperatura de ebullición de lo contrario no.

c. Complete la siguiente tabla de propiedades,SUSTANCIA P(kPa) T(K) V(m3/Kg Calidad estado

Agua 3250 491.5 0.001186 - LC

Amoniaco 1300 338.86 0.115840 - VSC

Agua 0.05 250.15 41.597 - VSC

9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

- CENGEL Y.A. BOLES M.A. Termodinámica, 2da edición. McGraw Hill, 1996

- LEVENSPIEL OCTAV. Fundamentos de termodinámica. Edit. Prentice Hall Hispanoamérica. México 1987.

- [Citado en 02 de Abril de 2015] Disponible en <http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-65.htm>

- [Citado en 02 de Abril de 2015] Disponible en <http://www.datuopinion.com/propiedades-intensivas-y-extensivas>

- Ing. Mario Arrieta en: PROPIEDADES DE SUSTANCIAS PURAS UNIDAD 2