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TERMODINAMICA
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CAPITULO II
LA SUSTANCIA PURA
• Es aquella que tiene una composición homogénea e invariable, independiente de la fase o fases en que se encuentra. Toda sustancia pura puede existir por lo menos en tres fases: sólido, líquido y vapor,ejm: una muestra de agua en fase sólida; mezcla de agua y hielo o mezcla de agua y vapor (cada una de las fases tiene la misma composición química, el agua salada no es sustancia pura porque cuando se evapora la composición del vapor es diferente de la composición de la fase líquida). Del mismo modo la mezcla de aceite y agua no es una sustancia pura, ya que el aceite no es soluble en agua, por lo que se acumula en la superficie y se forman dos regiones químicamente distintas.
Varios componentes Un solo componente(sustancia pura)
Cambio de fase líquido-vapor. Hay muchas situaciones prácticas donde dos fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. Algunos ejemplos son: el agua existe como una mezcla de líquido y vapor en la caldera y en el condensador de una termoeléctrica, y el refrigerante pasa de líquido a vapor en el congelador de un refrigerador.
Consideremos el dispositivo de cilindro y émbolo a una presión constante de 1 atm (101,325 kPa)
a) Al agua líquida que inicialmente se halla a 30°C le agregamos calor a presión constante (la temperatura aumenta)
b) Conforme se calienta, la temperatura del agua se eleva hasta llegar a 100°C.
c) Al alcanzar la temperatura de evaporación el agua hierve (cambio de fase, se tiene la temperatura de saturación).
T=30°C T=100°C T=100°C T=100°C T>100°C
Líquido LíquidoLíquido
vapor vapor Vaporsobrecalentado
Q Q Q Q Q
(a) (b) (c) (d) (e)
d) Desde este instante y hasta que se finalice la evaporación, la temperatura permanece constante = 100°C (temperatura de saturación), cualquiera sea el flujo de calor transferido (presión constante).
e) Si una vez finalizada la evaporación se sigue transfiriendo calor al vapor de agua, entonces la temperatura irá aumentando hasta alcanzar el estado de vapor sobrecalentado (recalentado)
Para fijar un estado de una sustancia pura es necesario conocer por lo menos dos propiedades intensivas o específicas independientes.
El término Temperatura de Saturación designa la temperatura a la cual se efectúa la evaporación a una presión dada, y esta presión se denomina Presión de Saturación.
Las condiciones de presión y temperatura en que dos fases coexisten en equilibrio se denominan las condiciones de saturación.
• Propiedades de saturación. Tracemos el diagrama T-V para una presión de 1 atmósfera
T
Ts
a) Líquido subenfriado. El líquido se encuentra a una temperatura menor que la temperatura de saturación.
b) Líquido saturado. Es el líquido que se encuentra a la temperatura de saturación.
c) Mezcla de líquido y vapor.
ab dc
e
V
P= c
d) Vapor saturado. Cuando la sustancia pura existe solamente como vapor a la temperatura y presión de saturación.e) Vapor sobrecalentado (recalentado). Es el vapor a una temperatura mayor que la de saturación.
• Propiedades críticas. Si se repite la secuencia, pero a diferentes presiones, entonces la evaporación tendrá lugar a diferentes temperaturas, a mayor presión mayor temperatura de saturación y viceversa
Punto Crítico
PcrT
Tcrf
Líq+ vapor
f
V
Esquema de las isotermas de una sustancia pura en el diagrama P-v.
• El punto f(punto de inflexión) se le conoce como punto crítico y al mismo corresponden una temperatura y una presión única que se conocen como temperatura crítica, presión crítica y volumen crítico.
En este punto las propiedades del líquido saturado y vapor saturado se confunden. Ejm para el agua Pcr = 22,09 Mpa , Tcr = 647,3 ºK, Vc=0,003155 m3/kg
• Punto Triple: (PT)
Es una propiedad característica de las sustancias, en el cual coexisten las tres fases, es decir coexisten los estados sólido líquido y gaseoso.
La presión y temperatura del punto triple tienen valores fijos para cada sustancia.
Características de ciertas sustancias puras
PUNTO TRIPLEPT
PUNTO CRITICOPC
AGUADIÓXIDO DE CARBONOHIDRÓGENONITRÓGENOOXIGENOPLATA
T(K)273.15216.51463.454.81233
P(bar)0.00615.1730.0720.1250.00150.0001
T(K)647.3304.233.3126.2154.8
P(bar)220.973.91333.950.8
• La cantidad de calor que se suministra para efectuar los diversos cambios de fase es igual al cambio de entalpía (también llamado calor latente)
• Entalpía de fusión: cambio de entalpía entre la fase sólida y una fase líquida.
• Entalpía de Evaporación: cambio de entalpía entre la fase líquida y una fase de vapor.
• Entalpía de sublimación: cambio de entalpía entre la fase sólida y una fase de vapor
SUPERFICIES TERMODINAMICAS(Diagrama P- v - T)
Proyecciones de la superficie P-v-T sobre los planos P-T y P-v.
P » 2 atm
ßTeb (agua) » 120ºC
P » 2 atm
ßTeb (agua) » 120ºC
PROPIEDADES DE UNA MEZCLA LÍQUIDO-VAPOR.
Toda mezcla de líquido-vapor en equilibrio necesariamente se encuentra a las condiciones de fases (presión y temperatura de saturación). En este caso la presión y temperatura no son propiedades independientes, por lo tanto es necesario dar alguna otra propiedad o parámetro que permita identificar un estado dado, Estas son:
a) Calidad o Título. (x). Es la cantidad de vapor existente respecto a la masa total de la mezcla líquido vapor.
m
mg totalmasa
saturado vapor de masax
m = mg + mf
Humedad. (y). Es la cantidad de líquido existente respecto a la masa total de la mezcla líquido-vapor
fgfgfg
gfgf
ffgf
fgf
fg
ff
vvvfasedecambiodelespecíficovolumenv
saturadovapordelespecíficovolumenvvvxvv
saturadolíquidodeespecíficovolumenvvyvv
totalespecíficovolumenvdondexvvv
tieneseTambién
yxoyxm
m
m
mcumpleseTambién
mezclalademasamsaturadoliquidodemasamm
my
)(
)1(
:
:
111:
Del mismo modo ocurre con las demás propiedades extensivas (energía interna, entalpía y entropía), cuyas fórmulas serán:
)/(
)/(
)/(
KkgJxsss
kgJxhhh
kgJxuuu
fgf
fgf
fgf
La calidad solo sirve cuando trabajamos dentro de la campana
Si un depósito está con la mitad de líquido y mitad vapor, entonces ¿la calidad será 50 % ?
Tablas de propiedades.
Las propiedades termodinámicas de fluidos de interés técnico suelen presentarse de tres modos: en forma gráfica (diagramas), en forma algebraica (ecuaciones de estado), o bien en forma de tablas para el cual Estudiaremos el caso del agua, por las siguientes razones:
1. El comportamiento es análogo en sustancias puras
2. Las tablas son similares en cuanto la forma de presentar los datos
3. La importancia del agua en los procesos térmicos
Para cada sustancia las propiedades termodinámicas se listan en más de una tabla, ya que se prepara una para cada región de interés, como las de vapor sobrecalentado, de líquido comprimido y de saturación (mezcla).Cuando se examina las tablas se notará dos nuevas propiedades: entalpia h y entropía s. La entropía es una propiedad relacionada con la segunda ley de la termodinámica.
ENTALPÍA En el análisis de cierto tipo de procesos, particularmente en la generación de potencia y refrigeración, a menudo se encuentra la combinación de propiedades u+ Pv. Para simplificar y por conveniencia, esta combinación se define como una nueva propiedad llamada entalpía, que se representa mediante el símbolo h o H:
(entalpía específica)
(entalpía total)
kgkJvPuh
kJVPUH
a) Estados de líquidos saturado y de vapor saturado. Las propiedades de liquido saturado y de vapor saturado para el agua se enumeran en dos tipos de tablas, las cuales proporcionan la misma información pero con la única diferencia que en una las propiedades se enumeran a partir de la temperatura y en la otra por la presión, por lo que estas se usaran convenientemente de acuerdo a los datos dados en los ejercicios y problemas.
Uso de la tabla con entrada por temperatura
PresTemp. sat °C kPaT Psat
VOLUMEN ESPECIFICO ENERGIA INTERNA, kJ/kgm3/kg
Líquido Vapor Líquido vapor sat sat. sat. Evap sat vf vg uf ufg ug
85 57,83 90 70,1495 84,55
0,001 033 2,828 355,82 2132,6 2488,40,001 036 2,361 376,82 2117,7 2494,50,001 040 1,982 397,86 2102,7 2500,6
Subíndice g (gas): propiedad de vapor saturado.
Subíndice f (fluido): propiedad de líquido saturado.
b) Vapor sobrecalentado o recalentado. En la región situada a la derecha de la línea de vapor saturado y a temperaturas superiores a la temperatura en el punto crítico, una sustancia existe como vapor sobrecalentado. Como la región sobrecalentada es de una sola fase (únicamente la de vapor), la temperatura y la presión ya no son propiedades dependientes y pueden usarse de manera conveniente como dos propiedades independientes en las tablas.
T°C
P= .010 MPa (45,81) v u h S
sat.50100 . . .1300
14.67414.86917.196 . . .72.602
2437.92443.92515.5 . . .4683.7
2584.725.92.62687.5 . . .5409.7
8.15028.17498.4479 . . .11.5811
c) Líquido Comprimido.
Las tablas para líquido comprimido no son muy comunes. El formato de la tabla es muy similar al de las de vapor sobrecalentado. Una de las razones por las que no hay datos para líquido comprimido es la relativa independencia de sus propiedades respecto a la presión. La variación de las propiedades de líquido comprimido con la presión es muy ligera: aumentar 100 veces esta última ocasiona que las propiedades cambien menos de 1 por ciento. A falta de datos para líquido comprimido, una aproximación general es considerar al líquido comprimido como un líquido saturado a la temperatura dada. Esto se debe a que las propiedades del líquido comprimido tienen mayor dependencia de la temperatura que de la presión.
EJEMPLOS
1. Un recipiente que tiene un volumen de 0,4 m3, contiene 2 kg de una mezcla de agua líquida y vapor de agua a una presión de 600 kPa. Determina : a) La calidad b) El volumen y la masa del vapor c) el volumen y la masa del líquido.
2. 4 kg de agua se calientan a una presión de 200kPa para producir una mezcla con una calidad de 0,8. Determina el volumen final ocupado por la mezcla
3. Determine el estado del agua, a una temperatura de 200 oC y una Presión de 1 Mpa.
4. Determina el volumen específico, la energía interna, entalpìa y entropía del agua a 0,1 MPa y 200 oC
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