Trabajo Practico: Sustancias Puras 1) Una sustancia pura es el sistema más sencillo que podríamos idear, ya que es aquella en la que sus componentes químicos son siempre los mismos, pero puede estar formada por dos o más fases, siempre y cuando la composición de dichas fases sea la misma. Además, puede estar formada por más de un elemento o compuesto químico, siempre y cuando la mezcla sea homogénea. Por ejemplo, una mezcla de hielo y agua líquida es una sustancia pura porque ambas fases tienen la misma composición química, otros casos son el Helio o Dióxido de carbono. 2) Diagrama T- V: Este grafico representa los procesos de cambio de fase a presión constante de una sustancia pura a diferentes presiones. Analizando el mismo podemos observar tres regiones, a la izquierda del grafico encontramos la región de líquido comprimido, en el centro la región de mezcla saturada líquido-vapor o región húmeda y a la derecha la región de vapor sobrecalentado. Los estados de líquido saturado que se presentan en la figura pueden conectarse mediante una línea llamada línea de líquido saturado, y los de vapor saturado mediante la línea de vapor saturado. Ambas líneas se conectan mediante una línea horizontal de saturación (cambio de fase), la cual en este caso a medida que aumenta la presión esta se acorta hasta que los estados de líquido saturado y vapor saturado son idénticos; este punto se conoce como punto crítico. Diagrama P-V: Al conectar mediante una curva los estados de líquido saturado y vapor saturado, se obtiene el diagrama P-V de una sustancia pura, el cual es útil para visualizar procesos que involucran cambios de fase. En este grafico podemos distinguir 4 zonas, la zona de los gases permanentes situados en la derecha del gráfico, donde se sitúan los gases reales e ideales los cuales no pueden licuarse aumentando la presión a temperatura constante; la zona de vapores sobrecalentados donde encontramos a los gases que pueden ser licuados aplicando presión a temperatura constante; la zona de vapores húmedos donde coexisten la mezcla saturada de líquido y vapor en equilibrio; y por último la región de líquidos comprimidos donde se presenta solamente el estado líquido. Es posible ampliar estos diagramas para incluir a la fase sólida, así como a las regiones de saturación sólido-líquido y sólido-vapor En los diagramas P-V o T-V, estos estados de tres fases forman una línea llamada línea triple. Los estados que se hallan en la línea triple de una sustancia tienen la misma presión y temperatura, pero diferentes volúmenes específicos. Diagrama P-T: Un diagrama P-T de una sustancia pura, también conocido como diagrama de fases, consta de tres líneas que separan las tres fases de una sustancia. Estas líneas son, la de sublimación que separa las regiones sólida y de vapor, la de evaporación divide las regiones líquida y de vapor, y la de fusión separa las regiones sólida y líquida. A su vez estas tres líneas convergen en un punto en el cual coexisten en equilibrio, llamado punto triple. La línea de evaporación finaliza en el punto crítico porque por encima de éste no es posible distinguir las fases líquida y de vapor. 3) Al comparar el diagrama P-T de una sustancia cualquiera con el del agua, notamos un cambio en la pendiente de la línea de saturación sólido-líquido. Esto se debe a que el agua presenta fuertes atracciones intermoleculares a causa de la presencia de puentes de hidrógeno que generan que la misma se expanda al solidificarse, que el hielo se derrita al someterlo a presión y que la fase sólida sea menos densa que la líquida. 4) Tomando como ejemplo el caso del agua, cuando está a 100 °C todavía permanece en estado líquido, pero cualquier adición de calor, generara que se evapore un poco de la misma. Este estado se lo denomina liquido saturado, que es cuando está a punto de evaporarse. Siguiendo el ejemplo del agua, si se sigue aumentando la temperatura, continuará hasta evaporarse por completo. En este punto el vapor se encontrará en el borde de la fase liquida, entonces esto ocasionará que ante cualquier perdida de calor el vapor se condense. Un vapor que está a punto de condensarse se denomina vapor saturado. Cuando una sustancia se encuentra entre los estados de líquido saturado y vapor saturado se conoce como vapor húmedo o mezcla saturada de líquido-vapor, debido a que en este estado las fases líquido y vapor coexisten en equilibrio. 5) La calidad o título se define como la razón entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla y es útil para analizar una mezcla (vapor húmedo) de manera apropiada. 𝑥= 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 donde 𝑚𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 + 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 = 𝑚𝑓 + 𝑚𝑔 El vapor húmedo puede considerarse como la combinación de los dos subsistemas: liquido saturado y vapor saturado, imaginando que las dos fases se encuentran bien mezcladas y formando una mezcla homogénea. Por lo tanto, las propiedades de esta mezcla serán las propiedades promedio del vapor húmedo: 𝑣 = 𝑣𝑓 + 𝑣𝑔 𝑉 = 𝑚𝑣 𝑚𝑡 𝑣𝑝𝑟𝑜𝑚 = 𝑚𝑓 𝑣𝑓 + 𝑚𝑔 𝑣𝑔 𝑚𝑓 = 𝑚𝑡 − 𝑚𝑔 𝑚𝑡 𝑣𝑝𝑟𝑜𝑚 = (𝑚𝑡 − 𝑚𝑔 )𝑣𝑓 + 𝑚𝑔 𝑣𝑔 𝑣𝑝𝑟𝑜𝑚 = (1 − 𝑥)𝑣𝑓 + 𝑥𝑣𝑔 puesto que x=mg/mt. Si se despeja la calidad, se obtiene 𝑣𝑝𝑟𝑜𝑚 = 𝑣𝑓 + 𝑥𝑣𝑓𝑔 donde vfg= vg – vf. Si se despeja la calidad, se obtiene 𝑥= 𝑣𝑝𝑟𝑜𝑚 − 𝑣𝑓 𝑣𝑓𝑔 6) Se denomina liquido comprimido o subenfriado cuando el líquido no está a punto de evaporarse. Cuando el vapor no está a punto de condensarse se lo conoce como vapor sobrecalentado. (Ver diagrama ejercicio 4) 7) Ejemplo para la región bifásica en la saturación: Un recipiente de 80 L contiene 4 kg de refrigerante 134a a una presión de 160 kPa. Determine la temperatura. Como en el enunciado no da información acerca de si el refrigerante está en una región de líquido comprimido, vapor sobrecalentado o vapor húmedo, buscamos determinarlo analizando alguna propiedad adecuada con los valores del líquido y el vapor saturados. Entonces de la información dada, podemos determinar el volumen especifico. Luego con el valor de la presión se saca de las tablas los valores de vf y vg, y de ahí se concluye que el refrigerante está en la región de vapor húmedo, de manera que la temperatura debe ser la saturación a la presión especifica. Y de ahí sale que T=Tsat a 160kPa. Ejemplo para vapor sobrecalentado: Determine la energía interna del agua a 20 psia y 400 °F. Para determinar la energía interna del agua en un estado específico debemos analizar que a 20 psia la temperatura de saturación para el agua es 227.92 °F por tabla. Como T > Tsat, el agua está en la región de vapor sobrecalentado, entonces la energía interna a la presión y temperatura dadas se determina, a partir de la tabla de vapor sobrecalentado, la cual está asignada como u= 1 145.1 Btu/lbm Ejemplo para liquido saturado Determine la energía interna del agua líquida comprimida a 80 °C y 5 MPa, con a) datos de la tabla para líquido comprimido. A 80 ºC la presión de saturación del agua es de 47.416 kPa y como esta presión es mayor a la presión de saturación (5 MPa), se trata de un líquido comprimido. Luego mediante la tabla de líquidos comprimidos determinamos la energía interna Para una P= 5 MPa y T= 80 ºC, la energía interna es de u=333.82 KJ/Kg. Bibliografía: Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química J.M.Smith (capitulo 3); Termodinámica Básica Apuntes Clase; Termodinámica Yunes Cengel (capitulo 3)
