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. Pag. 1 de 12 Guía de Termodinámica Sustancia Pura Ing. Charles Delgado 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. Pag. 2 de 12 Guía de Termodinámica Sustancia Pura Ing. Charles Delgado 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. Pag. 3 de 12 Guía de Termodinámica Sustancia Pura Ing. Charles Delgado Construcción del diagrama P – v a partir de un proceso a T = Cte. Pag. 4 de 12 Guía de Termodinámica Sustancia Pura Ing. Charles Delgado Diagrama T – v Diagrama P – v Pag. 5 de 12 Guía de Termodinámica Sustancia Pura Ing. Charles Delgado 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. Pag. 6 de 12 Guía de Termodinámica Sustancia Pura Ing. Charles Delgado - 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) Pag. 7 de 12 Guía de Termodinámica Sustancia Pura Ing. Charles Delgado • 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 ) Pag. 8 de 12 Guía de Termodinámica Sustancia Pura Ing. Charles Delgado 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) Pag. 9 de 12 Guía de Termodinámica Sustancia Pura Ing. Charles Delgado 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 Pag. 10 de 12 Guía de Termodinámica Sustancia Pura Ing. Charles Delgado 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 Pag. 11 de 12 Guía de Termodinámica Sustancia Pura Ing. Charles Delgado 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 Pag. 12 de 12