PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE LAS SUSTANCIAS PURAS

TERMODINAMICA I

UNIDAD II

PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE LAS SUSTANCIAS PURAS

OBJETIVOS

• Establecer el concepto de fase y equilibrio entre fases de sustancias puras.

• Describir el comportamiento de las sustancias puras frente a variaciones de presión y temperatura.

• Identificar las características de los estados líquido comprimido, líquido saturado, mezcla saturada, vapor saturado y vapor sobrecalentado de una sustancia pura.

• Determinar el valor de los volúmenes específicos, la presión de saturación o la temperatura de saturación para el equilibrio entre fases.

• Analizar los diagramas de fase de sustancias puras.

• Identificar y determinar las condiciones de aplicación de las ecuaciones de estado para gases ideales y reales.

INTRODUCCIÓN

Es necesario aprender como cambian las propiedades de una sustancia pura cuando se presentan interacciones de calor y trabajo. Por ejemplo, cómo cambia la densidad o el volumen específico de un refrigerante durante un ciclo de refrigeración, o qué pasa con las propiedades del agua durante las transformaciones que experimenta en una caldera. En las operaciones de separación que con gran frecuencia se encuentran en las Agroindustrias se presentan con equilibrios entre fases los cuales dependen de propiedades como la presión, la temperatura y la composición de las fases. Con el conocimiento del comportamiento de las sustancias puras y las leyes de la termodinámica se resuelven muchos de los problemas cotidianos que se presentan en el campo de la ingeniería.

En esta unidad usted tendrá oportunidad de aprender sobre las características de las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia pura y su representación en diferentes diagramas termodinámicos. Como es bien conocido el agua es una sustancia pura abundante en la naturaleza y de muchas aplicaciones industriales, razón por la cual, se toma como sustancia de referencia y de ella se estudian sus propiedades en diferentes fases y los cambios que presenta cuando se somete a procesos de calentamiento o enfriamiento, compresión o expansión. Con ejemplos concretos se explicará la forma de utilizar las tablas de propiedades termodinámicas para el agua y hacer extensiva esta aplicación a cualquier sustancia pura. También se estudiará el comportamiento de las sustancias gaseosas y las ecuaciones de estado que relacionan propiedades como presión, temperatura, volumen molar o volumen específico.

SUSTANCIA PURA

Una sustancia pura se ha definido como la que es homogénea e invariable en su composición química. Cuando existe en una mezcla multifásica, su composición es la misma en todas las fases. Por ejemplo: el hielo, una mezcla de hielo y agua líquida, y el vapor de agua son todas sustancias puras. Por otra parte, consideremos una sustancia inicialmente pura, que es una mezcla uniforme de oxígeno y nitrógeno gaseosos y que experimenta un proceso de enfriamiento. Si algo de la mezcla gaseosa se licua, la porción de líquido tendría una composición diferente de la mezcla de gas restante, y el conjunto ya no sería una sustancia pura. Al estudiar la sustancia pura se deben incluir dos propiedades adicionales: entalpía (h) y entropía (s). Cada una de estas propiedades se describirá en temas siguientes, y todas son necesarias para una mejor comprensión de la sustancia pura.

FASES DE UNA SUSTANCIA PURA

Fase es una región o porción de materia físicamente distinta, la cual tiene una composición fija y unas propiedades definidas en toda su extensión, por lo tanto es homogénea en todas sus partes. El agua a presión atmosférica y por debajo de 0 ºC forma una fase sólida, entre 0 ºC y 100 ºC es líquida y por encima de 100 ºC estará como vapor. Cada una de estas fases es distinta de las otras aunque la composición química es la misma, H2O, pero propiedades como la densidad o el volumen específico, o propiedades como energía interna, entalpía y entropía tienen valores diferentes para cada fase pero uniformes y fijos en cada una de ellas.

Ahora piense en la siguiente situación: en un recipiente apropiado que permite la transferencia de calor se tiene hielo a -20 ºC y 1 atmósfera de presión (101,325 kPa) y siguiendo un proceso isobárico se suministra calor a este sistema lo que seguramente sucederá es que el hielo adquirirá energía por lo cual sus moléculas que inicialmente se encuentran ordenadas en arreglos cristalinos van a vibrar con mayor intensidad hasta que un grupo de ellas se separa formando la fase líquida. Durante este cambio la temperatura aumenta gradualmente desde -20 ºC a 0 ºC, temperatura a la cual el hielo comienza a fundir y cualquier cantidad de calor que se suministre se consume en pasar de la fase sólida a la fa se líquida. Por lo tanto, mientras coexistan hielo y agua líquida, la temperatura se mantendrá constante sólo se incrementará cuando todo el sólido se funda.

Al continuar suministrando calor el líquido adquiere más energía lo cual se manifiesta en un aumento de energía, mayor movilidad de las moléculas y por consiguiente de la temperatura hasta cuando se alcanza el valor de 100 ºC. En este punto nuevamente la temperatura permanece constante pues el calor suministrado se consume en el cambio de fase de líquido a vapor. Tan sólo cuando todo el líquido se haya evaporado se produce un nuevo aumento de la temperatura.

Como conclusión de esta experiencia se puede decir que siempre que coexistan dos fases en equilibrio a una determinada presión, la temperatura debe ser constante. El valor de la temperatura depende del valor de la presión, entonces siempre que exista equilibrio entre fases la temperatura es una variable dependiente de la presión. La relación recíproca también es cierta, es decir, para una determinada temperatura debe existir una única presión para la cual se presenta el equilibrio entre fases. Fíjese que en otra situación diferente al equilibrio entre fases, es decir, para un estado donde solo exista fase sólida, líquida o gaseosa, la presión y la temperatura son variables independientes y las dos fijan el estado del sistema.

En la figura 28 se observan diversos segmentos que representan el cambio de temperatura en función del calor suministrado en cada una de las fases. Así la línea entre a y b representa el calentamiento de un sólido hasta que alcanza su temperatura de fusión; la línea entre b y c corresponde al cambio de fase de sólida a líquida y por eso la temperatura permanece constante, el calor suministrado por unidad de masa durante este proceso se denomina calor de fusión. El tramo entre c y d corresponde al calentamiento del líquido entre la temperatura de fusión y la temperatura de ebullición. La línea entre d y e corresponde al cambio de fase de líquido a vapor por lo que la temperatura no cambia y el calor suministrado por unidad de masa en este proceso se conoce como calor de vaporización. Finalmente la línea e-f corresponde al calentamiento del vapor una vez que todo el líquido se ha vaporizado.

Al calor suministrado a una sustancia pura que no implica un aumento de temperatura, es decir que corresponde a un cambio de fase, se le conoce generalmente como calor latente. Y al calor que produce un aumento en la temperatura se le denomina calor sensible. Los calores latentes son característicos de cada sustancia pura y se expresan en unidades de energía por unidad de masa o por mol. (Cal/g, kJ/kg, BTU/lbm)

EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR PARA UNA SUSTANCIA PURA

Es necesario precisar que todo equilibrio entre fases es dinámico y se presenta a presión y temperatura definidas. Aunque a nivel macroscópico no sea fácil apreciar los cambios que ocurren, microscópicamente algunas moléculas ganan energía y pasan a la fase de mayor energía mientras que otras pierden energía y pasa a la fase de menor energía, el equilibrio se presenta cuando estos dos fenómenos ocurren a la misma velocidad. Tenga en cuenta que esta observación es válida tanto para el equilibrio sólido líquido, sólido gas, o líquido gas.

Bajo estas condiciones para que a una determinada presión se presente el equilibrio entre líquido y vapor la temperatura debe alcanzar un valor definido. Si el líquido se encuentra por debajo de esta temperatura se denomina líquido subenfriado o liquido comprimido, lo que significa que es un liquido que no esta a punto de evaporarse y permanecerá de esta forma hasta que alcance la temperatura de saturación y se representa en la figura 3.11 por el espacio comprendido entre el punto 1 y 2. Si el líquido se encuentran precisamente a esa temperatura se denomina líquido saturado, lo que significa que es un liquido a punto de evaporarse y se representa en la figura 3.11 en el punto 2. En este punto cualquier aumento de temperatura generara que parte de este líquido se evapore convirtiéndolo en una mezcla saturada liquido-vapor, debido a que las fases líquido y vapor coexisten en equilibrio en estos dos estados a la misma temperatura hasta que se evapore completamente. Esta fase se representa en la figura 3.11 por el espacio comprendido después del punto 2 y antes del punto 4. Una vez la sustancia alcanza el punto 4 de esta figura 3 se dice entonces que se encuentra como un vapor saturado, lo que significa que es un vapor apunto de condensarse. Ahora si el vapor se encuentra a una temperatura superior a la del equilibrio se denomina vapor sobrecalentado, lo que significa que es un vapor que no

...