Saturación - jack zavaleta ortiz

Balance de Materia y Energía
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SATURACIÓN
CONCEPTOS PRINCIPALES
¿Cómo podemos predecir las condiciones de una mezcla de un vapor puro (que se puede
condensar) y un gas no condensable en equilibrio? Una mezcla que contiene un vapor se
comporta de forma diferente que un componente puro solo. Un ejemplo típico con el que el lector
está familiarizado es el de vapor de agua en aire. Se condensa, llueve y se congela, y al revés,
dependiendo de la temperatura.
Cuando cualquier gas puro (o mezcla gaseosa) entra en contacto con un líquido, adquiere
moléculas del líquido. Si el contacto se mantiene durante un tiempo largo, la vaporización
continúa hasta que se alcanza el equilibrio, y entonces la presión parcial del vapor en el gas
igualará la presión de vapor del líquido a la temperatura del sistema. Sea cual sea la duración del
contacto entre el líquido y el gas, una vez que se alcanza el equilibrio no habrá mas vaporización
neta del líquido a la fase gaseosa. Se dice entonces que el gas está saturado con el vapor de que
se trata a la temperatura dada. También decimos que la mezcla de gases está en su punto de rocío.
El punto de rocío para la mezcla de vapor puro y gas no condensable es la temperatura en la
que el vapor apenas comienza a condensarse si se enfría a presión constante.
Ahora bien, ¿qué significan estos conceptos en lo que toca a la medición cuantitativa de las
condiciones gas-vapor? Suponga que inyecta agua líquida a 65°C en un cilindro con aire a la
misma temperatura y mantiene el sistema a una temperatura constante de 65°C.
Suponga además que la presión sobre la parte superior del cilindro se mantiene a 101.3 kPa (1
atm). ¿Qué sucede con el volumen del cilindro en función del tiempo? La figura 1 muestra que el
volumen del aire más el vapor de agua aumenta hasta que el aire queda saturado con vapor de
agua, y que a partir de entonces el volumen permanece constante. La figura 2(a) indica cómo
aumenta la presión parcial del vapor de agua con el tiempo hasta alcanzar su presión de vapor de
24.9 kPa (187 mm Hg). ¿Por qué disminuye la presión parcial del aire?
Ahora, supongamos que realizamos un experimento similar, pero mantenemos el volumen
constante y dejamos que varíe la presión total en el cilindro. ¿Aumentará o disminuirá la presión
con el tiempo? ¿Cuál será el valor asintótico de la presión parcial del vapor de agua? ¿Del aire?
Examine la figura 2(b) y compruebe si sus respuestas a estas preguntas fueron correctas.
Por último, Les posible hacer que el agua se evapore en el aire y lo sature, pero manteniendo
ambos a temperatura, presión y volumen constantes en el cilindro? (Sugerencia: ¿Qué sucedería si
dejara escapar del cilindro un poco de la mezcla gas-vapor?)
Suponiendo que la ley de los gases ideales se aplica tanto al aire como al vapor de agua con
precisión excelente, podemos decir que en la saturación se cumplen las siguientes relaciones:
paire V naire RT
=
p H2O n H2O RT
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o
paire
n
paire
= aire =
p H2O n H2O pt − paire
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Figura 1. Evaporación de agua a presión constante y temperatura de 65°C.
Figura 2. Cambio en las presiones parciales y total durante la vaporización de agua en aire a
temperatura constante: a) temperatura y presión total constantes (volumen variable); b)
temperatura y volumen constantes (presión variable).
Ejemplo 1
Saturación
¿Cuál es el número mínimo de metros cúbicos de aire seco a 20°C y 100 kPa que se
necesitan para evaporar 6.0 kg de alcohol etílico si la presión total permanece constante en
100 kPa y la temperatura se mantiene en 2O”C? Suponga que el aire se burbujea en el
alcohol evaporándolo de tal manera que la presión de salida de la mezcla aire-alcohol es de
100 kPa.
Solución
Vea la figura E1. Suponga que el proceso es isotérmico. Los datos adicionales que necesita
son:
p*alcohol a 20°C = 5.93 kPa
peso molecular del alcohol etílico = 46.07
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Ejemplo 1 (continuación)
Figura E1
El volumen mínimo de aire implica una mezcla saturada, cualquier condición por debajo de
la saturación requeriría mas aire.
Base de cálculo: 6.0 kg de alcohol
La razón molar entre el alcohol etílico y el aire en la mezcla gaseosa final es la misma que la
razón de las presiones parciales de estos dos componentes. Puesto que conocemos los moles
de alcohol, podemos obtener los moles de aire.
p*alcohol nalcohol
=
p aire
n aire
y una vez que conocemos el número de moles de aire podemos aplicar la ley de los gases
ideales. Dado que P*alcohol, = 5.93 kPa
Otra forma de enfocar este problema es considerar que el volumen final contiene
V m3 de alcohol a 5.93 kPa y 20°C
V m3 de aire a 94.07 kPa y 20°C
V m3 de aire más alcohol a 100 kPa y 20°C
Así, el volumen se podría calcular a partir de la información relativa al alcohol
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