Sustancias Puras

SUSTANCIAS PURAS.

Hay varias situaciones prácticas en que dos fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. El agua existe como una mezcla de líquido y vapor en la caldera y en el condensador de una central termoeléctrica. En vista de que es una sustancia común, se empleará el agua para demostrar los principios básicos. Recuerde que en todas las sustancias puras se observa el mismo comportamiento general.

• Líquido comprimido y líquido saturado.

Considere un dispositivo de cilindro-émbolo que contiene agua líquida a 20 ºC y 1 atm de presión (estado 1). En estas condiciones el agua existe en fase líquida y se denomina líquido comprimido o líquido subenfriado, lo que significa que no está a punto de evaporarse. El calor se transfiere al agua hasta que su temperatura aumenta a, por ejemplo, 40 ºC. A medida que aumente la temperatura, el agua líquida tendrá cierta expansión y, por ello, aumentará su volumen específico. Como respuesta a esta expansión, el émbolo se moverá ligeramente hacia arriba. Durante este proceso la presión en el cilindro permanece constante en 1 atm, ya que depende de la presión barométrica exterior y del peso del émbolo, que son constantes. En este estado el agua sigue siendo líquido comprimido, puesto que no ha comenzado a evaporarse. Conforme se transfiere más calor, la temperatura aumentará hasta que alcance 100 ºC (estado 2). En este punto el agua sigue siendo un líquido pero cualquier adición de calor, no importa cuán pequeña, ocasionará que un poco de líquido se evapore. Está por suceder un proceso de cambio de fase, de líquido a vapor. Un líquido que está a punto de evaporarse recibe el nombre de líquido saturado. En consecuencia, el estado 2 corresponde al de un líquido saturado.

• Vapor saturado y vapor sobrecalentado.

Una vez que empiece la ebullición, el aumento de temperatura se detendrá hasta que el líquido se evapore por completo. La temperatura permanecerá constante durante todo el proceso de cambio de fase, se la presión se mantiene constante. Durante un proceso de evaporación (ebullición), el único cambio observable es un gran aumento en el volumen y disminución estable en el nivel del líquido, como resultado de una mayor cantidad de líquido convertido en vapor. Cuando esté a la mitad de la línea de evaporación (estado 3), el cilindro contendrá cantidades iguales de líquido y vapor. Conforme añada calor, el proceso de evaporación continuará hasta que la última gota de líquido se evapore (estado 4). En ese punto, el cilindro se llena por completo con vapor que superó la frontera de la fase líquida. En este momento cualquier pérdida de calor sin importar qué tan pequeña sea, provocará que se condense un poco de vapor (cambio de fase de vapor a líquido). Un vapor a punto de condensarse recibe el nombre de vapor saturado. Por tanto, el estado 4 es un estado de vapor saturado. Una sustancia en estados entre el 2 y el 4 se conoce como una mezcla saturada de líquido - vapor, debido a que las fases líquida y de vapor coexisten en equilibrio en estos estados. Una vez que el proceso de cambio de fase termina, se alcanza una región de una sola fase (en este caso de vapor), y una transferencia adicional de calor resultará en un aumento tanto de la temperatura como del volumen específico. En el estado 5 la temperatura del vapor es, por dar algún valor 300 ºC, si transferimos algo de calor del vapor, la temperatura descenderá un poco pero no ocurrirá condensación mientras la temperatura permanezca sobre 100 ºC (en P = 1 atm). Un vapor que no está a punto de condensarse (es decir, no es vapor saturado) se denomina vapor sobrecalentado. Por tanto, el agua en el estado 5 es un vapor sobrecalentado.

Fig.#11. Diagrama T-v para el proceso de calentamiento de agua a presión constante.

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