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Guía de Termodinámica
Sustancia Pura
Ing. Charles Delgado
SUSTANCIA PURA
- Es una sustancia formada por un solo constituyente.
- Las sustancias puras se caracterizan porque tienen una composición química
constante y es la misma en todas sus fases.
- No necesariamente tiene que estar compuesta por un solo componente,
puede estarlo por varios compuestos químicos.
• SOLUCION.
Son sustancias ópticamente homogéneas pero su punto de ebullición varia
dependiendo de la concentración de soluto en el solvente.
• MEZCLAS.
Son ópticamente heterogéneas y sus propiedades varían de acuerdo a las
características de sus componentes. Cualquier mezcla o solución no es una
sustancia pura. Ejemplo el Agua y el aceite, las aleaciones de acero, etc.
Importancia: tiene que estar definida la sustancia para obtener una tabla de
propiedades.
• FASES DE UNA SUSTANCIA PURA
Existen tres fases principales para una sustancia pura estas son: sólida, liquida
y gaseosa.
- Fase Sólida
Las moléculas están separadas pequeñas distancias, existen grandes fuerzas
de atracción, las moléculas mantienen posiciones fijas unas con respecto a las
otras pero oscilan esta oscilación depende de la temperatura. Cuando la
velocidad de oscilación aumenta lo suficiente estas moléculas se separan y
empieza el proceso de fusión.
- Fase Líquida.
El espaciamiento molecular es parecido al de la fase sólida, excepto que las
moléculas ya no mantienen posiciones fijas entre si. Las moléculas flotan en
grupos.
- Fase Gaseosa.
Las moléculas están bastante apartadas unas de otras y no existe un orden
molecular, estas se mueven de forma desordenada en continuo choque entre
ellas y con el recipiente que las contiene.
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Procesos de cambios de fase de sustancias puras.
En todo proceso de cambio de fase la Presión y la Temperatura son
propiedades dependientes.
Los cambios de fase ocurren a Temperatura constante y son función de la
Presión a la que ocurren.
Una sustancia a presiones mayores hervirá a temperaturas mayores.
• DETERMINACION DE LOS DIAGRAMAS P - V – T
Considere el siguiente proceso a P = Cte. En los cuales el sistema es el fluido
que se está calentando dentro del dispositivo cilindro pistón.
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Este proceso lo graficamos en un diagrama T–v
Luego se coloca una masa adicional en el pistón y se hace el mismo
procedimiento, esto lo hago para varios pesos y por lo tanto a distintas
presiones.
Se obtiene el siguiente grafico.
Al unir con una curva los puntos donde empieza y termina el cambio de fase se
obtiene el domo de saturación de una sustancia dada.
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Construcción del diagrama P – v a partir de un proceso a T = Cte.
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Diagrama T – v
Diagrama P – v
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Diagrama P – T, También conocido como diagrama de fases.
En general una fase se considera líquida si se puede evaporar por una
disminución de la presión a temperatura constante.
Una fase se considera vapor si se puede condensar mediante una reducción de
temperatura a presión constante.
En sustancias que tienen una presión de punto triple por encima de Patm la
sublimación es la única forma de pasar de fase sólida a la de vapor en
condiciones atmosféricas.
- Punto Triple:
Proyección de la línea triple en el diagrama P – T. Es un punto en el cual las
tres fases existen en equilibrio.
- Línea Triple:
Se observa en los diagramas P – v y T – v. Los estados de una sustancia
sobre la línea triple tienen la misma presión y temperatura.
- Domo:
Zona de mezcla dentro de la cual hay cambio de fase.
- Línea de Saturación:
Línea donde comienza a ocurrir el cambio de fase, delimita el domo, existen 3
Línea de Sólido saturado.
Línea de Líquido saturado.
Línea de Vapor saturado.
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- Punto Crítico:
Punto de máxima temperatura y presión por debajo del cual puede ocurrir el
cambio de fase Líquido – Vapor o viceversa, a presión y temperatura
constante. Punto en el cual los estados de líquido saturado y vapor saturado
son idénticos.
Por encima del punto critico no existe una línea que separe la región de líquido
y vapor, el cambio de fase ocurrirá de manera espontánea a medida que
aumenta la presión y la temperatura.
- Temperatura de Saturación:
Es la temperatura donde ocurre el cambio de fase.
- Presión de Saturación:
Es la presión donde ocurre el cambio de fase.
• SUPERFICIE P – v – T
Cualquier ecuación que tenga dos variables independientes de la forma Z =
f(X,Y) se puede representar como una superficie. Por tanto es posible
representar el comportamiento P – v – T de una sustancia como una superficie
en el espacio.
Todos los puntos sobre la superficie representan la totalidad de los estados a lo
largo de la trayectoria de un proceso de cuasiequilibrio.
Estos superficies presentan gran cantidad de información pero es mas
conveniente trabajar con diagramas P – v, T – v, P – T
Superficie P v T de una sustancia que se expande al congelarse (ejm. Agua)
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• CALIDAD. (x)
Es una propiedad intensiva que se utiliza en los procesos en que están
implicadas mezclas de líquido – vapor. Esta propiedad solo tiene significado
para mezclas de líquido – vapor, no tiene significado en la zona de líquido
comprimido o vapor sobrecalentado. Representa la cantidad de masa de vapor
presente en la mezcla total.
𝒙=
𝒎𝒈
𝒎𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓
𝒎𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓
=
=
𝒎𝒎𝒆𝒛𝒄𝒍𝒂 𝒎𝒍𝒊𝒒𝒖𝒊𝒅𝒐 + 𝒎𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓 𝒎𝒇 + 𝒎𝒈
Se define la humedad (h) como la masa de liquido contenida en la mezcla total
𝒉=𝒎
Donde:
𝒎𝒇
𝒇 +𝒎𝒈
0≤x≤1
→
𝒉=𝟏−𝒙
0≤h≤1
Nota: x y h no se definen en el punto critico
𝑽
𝒗=𝒎
𝑽
𝒗𝒇 = 𝒎𝒇
𝒇
𝒗𝒎𝒆𝒛𝒄𝒍𝒂 =
𝑽𝒈
𝒗𝒈 = 𝒎
𝒈
𝑽𝒇 + 𝑽𝒈
𝒎𝒇 + 𝒎𝒈
𝒗𝒎𝒆𝒛𝒄𝒍𝒂=𝒇(𝒗𝒇 ,𝒗𝒈,𝒙)
𝒗𝒎𝒆𝒛𝒄𝒍𝒂 =
𝒎𝒇 . 𝒗𝒇 + 𝒎𝒈 . 𝒗𝒈
𝒎𝒇
𝒎𝒈
=
𝒗𝒇 +
𝒗
𝒎𝒇 + 𝒎𝒈
𝒎𝒇 + 𝒎𝒈
𝒎𝒇 + 𝒎𝒈 𝒈
𝒗𝒎𝒆𝒛𝒄𝒍𝒂 = 𝒉. 𝒗𝒇 + 𝒙. 𝒗𝒈
𝒗𝒎𝒆𝒛𝒄𝒍𝒂 = (𝟏 − 𝒙). 𝒗𝒇 + 𝒙. 𝒗𝒈
𝒗𝒎𝒆𝒛𝒄𝒍𝒂 = 𝒗𝒇 + 𝒙. (𝒗𝒈 − 𝒗𝒇 )
𝒗𝒎𝒆𝒛𝒄𝒍𝒂 = 𝒗𝒇 + 𝒙. (𝒗𝒇𝒈 )
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DETERMINACIÓN DE LA FASE DE UNA SUSTANCIA
Testado > Tsat
Testado < Tsat
Pestado > Psat
Pestado < Psat
Testado = Tsat
Pestado = Psat
vestado > vg
@ Pestado
@ Pestado
@ Testado
@ Testado
@ Pestado
@ Testado
@ Testado
Vapor Sobrecalentado (VSC)
Líquido Comprimido (LC)
Líquido Comprimido (LC)
Vapor Sobrecalentado (VSC)
Mezcla (L+V)
Mezcla (L+V)
VSC
vestado > vg
@ Pestado
VSC
vestado < vf
vestado < vf
@ Testado
@ Pestado
LC
LC
vf @ Pestado < vestado < vg @ Pestado
vf @ Testado < vestado < vg @ Testado
Mezcla (L+V)
Mezcla (L+V)
Condiciones Para Definir Un Estado Considerando P, T, v, x
(2 Propiedades Intensivas e Independientes)
Fase Líquido o Vapor
P, T
P, v
T, v
Mezcla Líquido + Vapor
P, v
T, v
x, P
x, T
x, v
NO se puede solo conociendo P y T ya que so propiedades dependientes
dentro del domo
Determinación de las Propiedades cuando Pestado<5MPa y la fase es Líquido
Comprimido.
Si:
Testado < Tsat @Pestado
}Líquido Comprimido (LC)
Pestado > Psat @Testado
Entonces: v = v @ Testado y Pestado (Pero no hay tablas para esas Presiones tan
bajas para líquido comprimido)
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El Estado real se puede aproximar al estado1
v = v @ Testado y Pestado ≈ v = vf @ Testado
Se aproxima a la propiedad de líquido saturado evaluada a la temperatura real,
NO se puede aproximar a la Presión real, ya que el error sería muy grande.
(Punto 2)
INTERPOLACION
1. Se conoce los puntos 1 y 2; (x1,y1); (x2,y2)
2. Del punto 3 solo se conoce x3 y se quiere determinar y3.
3. La curva real se aproxima a una recta y se interpola entre los valores
conocidos de los puntos 1 y 2, pero este procedimiento permite hallar y’3
y no y3
Empleando relación de triángulos:
𝑿𝟑 − 𝑿𝟏 𝒀´𝟑 − 𝒀𝟏
=
𝑿𝟐 − 𝑿𝟏
𝒀𝟐 − 𝒀𝟏
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𝒀´𝟑 = 𝒀𝟏 +
𝑿𝟑 − 𝑿𝟏
(𝒀 − 𝒀𝟏 )
𝑿𝟐 − 𝑿𝟏 𝟐
Lo que representa la ecuación de la recta
𝑿𝟏 𝒀𝟏
[𝑿𝟑 𝒀´𝟑 ]
𝑿𝟐 𝒀𝟐
El error será: Error = |y3 – y’3|
Si los puntos 1 y 2 están cercanos el error será pequeño y este será menor a
menor curvatura de la función y/o menor separación de los puntos conocidos.
ECUACION DE ESTADO DE GAS IDEAL
Cualquier ecuación que relacione las propiedades P-v- T se conoce como
ecuación de estado.
La ecuación de estado más sencilla y conocida para sustancias gaseosas es la
ecuación de estado de gas ideal.
Diferencias entre gas y vapor:
- VAPOR: Sustancia que no se encuentra muy alejada de la línea de vapor
saturado, implica que puede condensarse.
- GAS: Sustancia que se encuentra en fase gaseosa, alejada del domo de
saturación, su temperatura es mayor que la crítica y/o su presión muy baja.
Ecuación de estado de Gas Ideal:
PV = mRT
P(kPa);
v(m3/kg);
Pv = RT
T(K); V(m3);
m(kg)
R: Constante de los gases.
UNIDADES:
𝒌𝑵 𝟑
𝒌𝑱
𝒌𝑵. 𝒎
𝟐.𝒎
𝒌𝑷𝒂. 𝒎𝟑
𝒎
[
]=[
]=[
]=[
]
𝒌𝒈. º𝑲
𝒌𝒈. º𝑲
𝒌𝒈. º𝑲
𝒌𝒈. º𝑲
𝑹=
̅
𝑹
𝑷𝑴
𝑪𝒐𝒏𝒔𝒕𝒂𝒏𝒕𝒆 𝑼𝒏𝒊𝒗𝒆𝒓𝒔𝒂𝒍 𝒅𝒆 𝒍𝒐𝒔 𝑮𝒂𝒔𝒆𝒔
(
)
𝑷𝒆𝒔𝒐 𝑴𝒐𝒍𝒆𝒄𝒖𝒍𝒂𝒓
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𝟖. 𝟑𝟏𝟒𝟒𝟕
𝟖. 𝟑𝟏𝟒𝟒𝟕
̅=
𝑹
𝒌𝑱
𝒌𝒎𝒐𝒍.º𝑲
𝒌𝑷𝒂.𝒎𝟑
𝒌𝒎𝒐𝒍.º𝑲
𝑩𝒂𝒓.𝒎𝟑
𝟎. 𝟎𝟖𝟑𝟏𝟒𝟒𝟕
𝒌𝒎𝒐𝒍.º𝑲
𝑩𝒕𝒖
𝟏. 𝟗𝟖𝟓𝟖𝟖 𝑳𝒃𝒎𝒐𝒍.º𝑹
𝟏𝟎. 𝟕𝟑𝟏𝟔
{ 𝟏𝟓𝟒𝟓. 𝟑𝟕
𝒌𝒈
𝑷𝑴 [𝒌𝒎𝒐𝒍]
𝒑𝒔𝒊𝒂.𝒇𝒕𝟑
𝑳𝒃𝒎𝒐𝒍.º𝑹
𝒇𝒕.𝑳𝒃𝒇
𝑳𝒃𝒎𝒐𝒍.º𝑹
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