Las propiedades fisicas de las sustancias puras

LAS PROPIEDAES FÍSICAS DE LAS SUSTANCIAS PURAS

En el capítulo anterior se explicó el propósito de un ciclo Rankine, conversión de calor en trabajo de eje. También se revisó el papel de cada uno de las cuatro etapas de las que consta el ciclo: boiler, turbina, condensador, y la bomba. Sin embargo, el análisis fue cualitativo; antes de diseñar y construir un ciclo de Rankine, tenemos que contestar muchas preguntas:

1- ¿Cuál es la presión del agua que entra y sale de la bomba? 2- ¿Cuál es la temperatura en el boiler? 3- ¿Cuál es la temperatura en el condensador, y cual la temperatura de la corriente

enfriadora que entra al condensador? 4- ¿Qué tanto trabajo de eje produce la máquina? 5- ¿Cuál es el flujo másico del agua que es necesario para obtener la cantidad deseada

de trabajo?

Todas las respuestas tienen que ver con las propiedades físicas del agua o el fluido que este circulando por la máquina térmica.

Para el agua (que es una sustancia pura), a una temperatura fija, hay una única presión por encima de la cual el agua será liquida y por debajo de la cual el agua será vapor. Esa presión se llama presión vapor. De manera similar, a cualquier presión hay una temperatura (la temperatura de ebullición) única arriba de la cual el agua será vapor y debajo de la cual será líquido. A P = 100 bar, la temperatura de ebullición es 311°C.

Las presiones vapor del agua se encuentran fácilmente en tablas que se conocen como las “tablas de vapor” en donde encontramos datos de diferentes propiedades físicas importante en un ciclo de Rankine como, por ejemplo: el volumen específico, la energía interna específica, la entalpía específica, la entropía específica, etc.

Volumen, energía interna, entalpía y entropía son propiedades de estado; sus valores dependen solo del estado actual de la sustancia, y son independiente de cómo ese estado fue alcanzado.

PROPIEDADES FISICAS DE UNA SUSTANCIA PURA Las propiedades físicas de los compuestos químicos están íntimamente relacionadas entre sí. La práctica termodinámica consiste en explorar y cuantificar estas relaciones y aplicar los

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conocimientos adquiridos para contestar preguntas, hacer predicciones y resolver problemas.

Comportamiento P-V-T de sustancias reales Para ilustrar las relaciones entre propiedades revisaremos la siguiente figura que es un diagrama de fases clásico de una sustancia pura. Una sustancia pura es aquella que mantiene la misma composición química en todos los estados. Una sustancia pura puede estar conformada por más de un elemento químico ya que lo importante es la homogeneidad de la sustancia. El aire se considera como sustancia pura mientras se mantenga en su estado gaseoso y por lo tanto su composición (relación oxígeno/nitrógeno).

Cuando la temperatura se incrementa a presión constante, la sustancia transita de sólido a líquido a vapor. A bajas temperaturas no hay fase líquida y a cierta temperatura, el sólido se convierte directamente en gas (sublimación). La figura solo hace referencia a una sustancia pura, el diagrama de fases de una mezcla de sustancias es mucho más complejo (se estudiará más tarde en este curso).

- A una presión dada, la temperatura a la cual ocurre la transición sólido-líquido se llama punto de congelación o de fusión; la temperatura a la cual ocurre la transición líquido-vapor ocurre en el llamado punto de ebullición; y la temperatura a la cual se da la transición sólido-vapor se llama punto de sublimación.

- Los puntos de fusión, de ebullición y de sublimación se incrementan cuando

aumenta la presión.

- El punto de fusión y el de ebullición a la presión atmosférica se llaman punto normal

de fusión y punto normal de ebullición.

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- La presión a la cual la transición líquido-vapor o sólido-vapor ocurren se le llama

presión vapor. La presión vapor se incrementa con la temperatura.

- Hay una temperatura única a la cual el sólido, líquido y vapor coexisten en equilibrio

entre sí, se le llama punto triple.

- Existe una temperatura única por encima de la cual no existe fase líquida

independientemente de la presión, es la temperatura crítica (T

c

).

- Existe una presión única por encima de la cual no existe fase vapor

independientemente de la temperatura, es la presión crítica (P

c

).

- Una sustancia que se encuentra por encima de ambos puntos críticos es un fluido

supercrítico.

Fluidos supercríticos Un fluido supercrítico es cualquier sustancia a una temperatura y presión por arriba de su punto crítico. Esos fluidos pueden difundirse a través de sólidos como si fueran un gas y disolver materiales como un líquido. Cerca del punto crítico, pequeños cambios de presión o de temperatura dan como resultado grandes cambios de densidad, lo que permite que muchas propiedades de un fluido supercrítico sean “mejoradas”. Los fluidos supercríticos frecuentemente son sustitutos adecuados de disolventes orgánicos en diversos procesos industriales y de laboratorio.

El dióxido de carbono es uno de los muchos fluidos supercríticos comúnmente utilizados. Es relativamente sencillo exceder su punto crítico (31°C, 1057 psi). Las aplicaciones que involucran fluidos supercríticos son extracciones, nano partículas y formación de película nano estructurada, secado supercrítico, captura y retención de carbono, así como estudios de recuperación de petróleo.

El agua es otra sustancia que se utiliza con frecuencia en su estado supercrítico (374°C, 3185 psi). Sus excelentes propiedades de conductividad térmica la convierten en el líquido de

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elección en los reactores nucleares a presión para la generación de electricidad. La naturaleza extremadamente agresiva y reactiva del agua supercrítica hace que sea una excelente opción para la destrucción oxidativa de algunos materiales de desecho peligrosos.

Fluido: El termino vapor incluye líquidos, vapores, gases y fluidos supercríticos. Un fluido es todo cuerpo que tiene la propiedad de fluir, y carece de rigidez y elasticidad, y en consecuencia cede inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su forma y adoptando así la forma del recipiente que lo contiene.

Gas: En este curso utilizaremos el termino “gas” para describir a una sustancia que esta por encima de su temperatura crítica, pero por debajo de su presión crítica.

Vapor: En este curso utilizaremos el termino “vapor” para describir a una sustancia que esta por debajo de su temperatura crítica, pero por encima de su temperatura de ebullición.

La siguiente figura ilustra las relaciones típicas entre presión, temperatura y volumen molar para las fases vapor, líquida y supercrítica.

De esta figura podemos observar que:

- El volumen molar se incrementa cuando se incrementa la temperatura (a presión constante) y disminuye cuando se incrementa la presión (a temperatura constante).

- La frase anterior también aplica para el volumen molar de un líquido pero lo cambios son muy pequeños respecto a lo que podemos observar para el volumen molar de un vapor.

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- Un vapor que se encuentra a la temperatura de ebullición se le llama vapor saturado, y un líquido que se encuentra a la temperatura de ebullición se llama líquido saturado.

- Un vapor que se encuentra por encima de su temperatura de ebullición se llama

vapor sobrecalentado.

- Un líquido que se encuentra a una temperatura por debajo de su punto de ebullición

a una presión determinada se llama líquido subenfriado.

- Un líquido que se encuentra a una presión por encima de su presión vapor a una

temperatura determinada se le llama líquido comprimido.

- ¿Son los términos “líquido sub-enfriado” y “líquido comprimido” sinónimos?

¿Porqué y por qué no?

- Si aumenta la presión, el volumen molar de un líquido saturado y un vapor saturado a una presión data se acercan; en el punto crítico, las fases líquida y vapor se vuelven indistinguibles.

- A presiones por encima de la crítica no hay más puntos de ebullición o transiciones líquido-vapor, pero los fluidos supercríticos siguen la tendencia de disminuir su volumen cuando aumenta la presión (a una temperatura dada) y a incrementar su volumen cuando aumenta su temperatura (a una presión dada).

(COMENTAR DONDE ENCONTRAR DATOS DE PROPIEDADES FISICAS DE LAS SUSTANCIAS PURAS MAS COMUNES)

Propiedades de estado termodinámico y propiedades dependientes de la trayectoria Una propiedad de estado es aquella que describe la condición de una sustancia en un tiempo en particular y que es independiente de cómo el sistema alcanzo esa condición.

Por eso la energía interna del agua a 100°C y 10 bar siempre es la misma independientemente de cómo el agua llego a ese estado.

Pero el estado de una sustancia puede ser descrito de muchas maneras: Si hay una cantidad determinada de una sustancia (cuantificada en masa o en moles) pues tiene una presión, temperatura y volumen determinado; y esas propiedades son independientes de cómo se llegó a ese punto.

Considere el caso de una mezcla de hielo/agua:

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Suponiendo que se tiene una buena mezcla a presión atmosférica, su temperatura debe de ser 0°C; esa es la única temperatura a la cual el agua puede coexistir en fase sólida y líquida a presión atmosférica. Cinco minutos antes podrían haber estado el hielo a -5°C y el agua a 5°C, o cualquier otra posibilidad que se les ocurre, pero la temperatura actual de 0°C en equilibrio es independiente del camino que el sistema tomo para llegar a el estado actual.

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