Sustancias Pura

1. 1
REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA
“ANTONIO JOSE DE SUCRE”
ESCUELA: MECÁNICA INDUSTRIAL
AMPLIACIÓN GUARENAS
TERMODINÁMICA
TERMODINÁMICA
Autora:
Dubraska Espinoza
C.I.: 26528.608
Guarenas, mayo de 2016

2. 2
SUSTANCIA PURA
Es toda sustancia que tiene su composición química homogénea e
invariante. Una sustancia que tiene una composición química fija en
cualquier parte, se le llama sustancia pura; no tiene que estar formada por un
solo elemento o compuesto químico, la mezcla de varios de estos también se
considera como sustancia pura si la mezcla es homogénea. Ejemplo: el
agua, el nitrógeno, el oxígeno, el amoníaco y muchos más. La sustancia pura
puede presentarse en distintas fases: sólido, líquido y gaseosa. Dependiendo
de los valores de presión y temperatura una sustancia puede estar como
sólido, líquido o vapor o presentarse en dos o tres fases a la vez.
o El agua, la única sustancia que se presenta en la naturaleza en los
tres estados: sólido (hielo), líquido (agua) y gas (vapor). El agua,
limpia (disuelve y arrastra la suciedad), y es limpia (pura, sin mezcla
de otra cosa, según el DRAE). Además de las múltiples aplicaciones
técnicas, el agua es el medio en el que se desarrolla toda la materia
viva.
o El aire, que siempre está a mano, es más limpio si cabe que el agua
(no ensucia, ni moja), y en combinación con el agua (aire húmedo) o
con sustancias combustibles (combustión y otros tipos de oxidación
electroquímica o metabólica), es del máximo interés tecnológico y
biológico.
o Los hidrocarburos (usados como combustibles o no), y otros
compuestos orgánicos (como los fluidos de trabajo halo-carbonados
usados en los refrigeradores).
o Sustancias inorgánicas como el dióxido de carbono, amoniaco, gases
nobles, aceites minerales, entre otros, usados en refrigeración o como
fluidos caloportadores.

3. 3
Equilibrio de Fases
El equilibrio de fases hace referencia a la ausencia de cualquier
transferencia neta de una o más especies químicas de una fase a otra en un
sistema multifásico.
Tomando en cuenta que cualquier sistema evoluciona de forma
espontánea hasta alcanzar el equilibrio, y que es posible determinar si un
sistema está en equilibrio con su entorno si la S universo o si las funciones
de estado del sistema U, H, A y G permanecen constantes con el tiempo. En
caso contrario analizando como variarían estas funciones de estado se
puede determinar en qué sentido evolucionará el sistema, para lo cual se
emplean las ecuaciones de Gibbs.
Así, la condición de equilibrio material en un sistema compuesto por
varias fases y especies es , condición que se cumple cuando
no hay cambios macroscópicos en la composición del sistema, ni transporte
de materia de una fase a otra del sistema.

4. 4
Al estudiar dos fases en la termodinámica no es necesario tomar en
cuenta la estructura molecular y el comportamiento de las fases, pero es muy
útil entender los fenómenos moleculares de cada fase
Las moléculas en un sólido están dispuestas en un patrón
tridimensional que se repite por todo el sólido; el espacio molecular en la fase
liquida las moléculas ya no están en posiciones fijas entre si y pueden girar y
trasladarse libremente; en la fase gaseosa las moléculas están bastante
apartada, no existe el orden molecular, sus fuerzas moleculares son
pequeñas, son de bajas densidades, entre otros.
El agua en fase liquida se le llama liquido comprimido o liquido sub-
enfriado, ya que no está a punto de evaporarse; sin embargo, un liquido que
está a punto de evaporarse se le llama liquido saturado. Un vapor que está a
punto de condensarse se llama vapor saturado; y también se les conoce
vapor húmedo o mezcla saturada de liquido-vapor a los estados en fase
liquida y vapor, esto debido a que coexisten en equilibrio
A una determinada presión la temperatura a la que una sustancia pura
cambia de fase se le llama temperatura de saturación, de igual modo para la
presión y se le llama presión de saturación.
Vapor liquido de un sólido en una sustancia pura
Presión de saturación que muestra la presión de saturación a varias
temperaturas o temperatura de saturación contra la presión se encuentran
disponibles para cualquier sustancia pura y se denomina curva de saturación
de líquido-vapor.
Específicamente, la cantidad de energía absorbida durante el proceso
de fusión se llama calor latente de fusión y equivale a la energía liberada
durante la congelación. La cantidad de energía absorbida durante el proceso
de vaporización se denomina calor latente de vaporización, y es equivalente
a la cantidad de energía liberada durante la condensación. El
comportamiento de una sustancia pura respecto a sus diferentes fases -

5. 5
sólido-líquido-gaseoso - se representa en los diagramas de equilibrio P-T.
Los principios básicos presentados en los procesos de cambio de fase
líquido-vapor se aplican del mismo modo a los procesos de cambio de fase
sólido-líquido-vapor. Cuando hablamos de líquido mas vapor se
sobreentiende que existe la "Calidad". La calidad es la cantidad de masa de
vapor con respecto a la cantidad de masa total de la sustancia. Es decir, si
está como toda vapor, calidad = 1, si está como todo líquido, calidad = 0,
porque no hay nada de masa en fase vapor debido a que toda la masa está
como líquido.
Propiedades independientes de una sustancia pura
Una razón importante para introducir el concepto de una sustancia
pura es que el estado de una sustancia pura, comprensible, simple (es decir
una sustancia pura en ausencia de movimiento, gravedad y efectos de
superficie, magnéticos o eléctricos) se define por dos propiedades
independientes. Por ejemplo, si se especifican la temperatura y el volumen
especifico del vapor sobrecalentado, se determina el estado del vapor. Para
comprender la importancia del término propiedad independiente, considérese
los estados de líquido saturado y vapor saturado de una sustancia pura.
Estos dos estados tienen la misma presión y la misma temperatura,
pero definitivamente no son el mismo estado. Por lo tanto, en un estado de
saturación, la presión y la temperatura no son propiedades independientes.
Para especificar el estado de saturación de una sustancia pura se requieren
dos propiedades independientes como la presión y el volumen específico, o
la presión y la calidad.
Para una masa de control difásica, la calidad varía desde 0, cuando la
masa de control está compuesta únicamente de líquido saturado, hasta 1,
cuando está constituida únicamente por vapor saturado. Con frecuencia, la
calidad también se expresa como un porcentaje. Obsérvese que la calidad
sólo está definida para la mezcla difásica constituida por líquido y vapor.

6. 6
El volumen del sistema a lo largo de la línea difásica es: V= Vliq+ Vvap
Si consideramos una masa m que tiene una calidad x. La expresión anterior
definirá el volumen o sea la suma del volumen del líquido y el volumen del
vapor.
En términos de la masa, la ecuación anterior se puede escribir en la
forma mv = m liq v liq + m vap v vap Ya se había definido v f, para referirnos
al volumen especifico del líquido saturado y v g , para el volumen especifico
del vapor saturado, ahora bien la diferencia entre estos dos v g - v f ,
representa el incremento en volumen especifico cuando el estado cambia de
líquido saturado a vapor saturado y de identifica como v fg.
Ecuaciones de estado para la fase de vapor
A partir de observaciones experimentales se ha establecido que el
comportamiento, según las propiedades P, v y T, de gases a baja densidad,
está representado muy aproximadamente por la siguiente ecuación de
estado. Pv = RgTen donde, Rg = Ru/M.en que Rgdel gas, M el peso molecular
y Ru es la constante universal de los gases. El valor de Ru depende de las
unidades elegidas para P, v y T. Los valores que se usarán más frecuencia
en este texto son: Ru = 848 kgfm/kgmol ºK = 1545 pies lbf/lbmol ºR = 1.987
Btu/lbmol ºREs cuando el Número de mach es mayor que " 0.3" por lo cual
se presenten variaciones apreciables de densidad. Cuando ocurre lo anterior
quiere decir que las variaciones de las presiones y temperaturas también son
significativas. Esas grandes variaciones de temperatura implican que las
ecuaciones de la energía siguientes no se pueden despreciar.

7. 7
Estas ecuaciones se resuelven simultáneamente para obtener las
cuatro incógnitas siguientes: 1.- Presión 2.- Densidad3.- Temperatura4.-
Velocidad
Nota: Se supone flujo adiabatico reversible ó isoentrópico y que laVelo
cidad es del mismo orden de magnitud que la velocidad del sonido.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.

8. 8
Superficies termodinámicas
El tema que se trata en este capítulo se puede resumir
adecuadamente al considerar una superficie de presión volumétrica
especifico-temperatura. En la imagen se muestra una sustancia como
el agua donde el volumen especifico disminuye durante la congelación, y en
otra el proceso contrario, donde el volumen aumenta durante el proceso
de congelación.
En estos diagramas la presión, el volumen especifico y la temperatura
se grafican sobre coordenadas mutuamente perpendiculares y así,
cada posible estado de equilibrio está representado por un punto sobre la
superficie. Esto se deduce directamente del hecho de que una sustancia
pura contiene únicamente dos propiedades intensivas independientes. Todos
los puntos a lo largo de un proceso se encuentran sobre la superficie ya que
este proceso siempre pasa a través de los estados de equilibrio.

9. 9

10. 10

11. 11
CONCLUSIÓN
El estudio de las sustancias puras en un campo muy amplio, y aunque
por el simple nombre suena sencillo, estas contienen una gran cantidad de
propiedades y características, como lo son su composición química y
temperatura, una rama muy importante a analizar sobre este tema, son sus
aplicaciones y el uso de estas en el campo científico, así como sus efectos
como pueden ser efectos de superficie, eléctricos o magnéticos entre
muchos otros, los cuales hablando de estas sustancias se podrían considerar
despreciables, pero hablando de algunos otros efectos como pueden ser los
de expansión se pueden considerar muy importantes, todo depende del tipo
de sustancia al que se refiere, como algún liquido o algún gas. Regresando a
un conocimiento básico, debemos recordar que una molécula es la unión de
varios átomos, pueden ser del mismo elemento o formar parte de varios
elementos, creando moléculas de sustancias puras como el H2O
Los ciclos termodinámicos permanecen constantes mientras no se
modifican las condiciones externas se dice que se encuentra en equilibrio
térmico. Si dos sistemas se encuentran en equilibrio térmico se dice que
tienen la misma temperatura. Entonces se puede definir la temperatura como
una propiedad que permite determinar si un sistema se encuentra o no en
equilibrio térmico con otro sistema.
Luego podemos decir: en un sistema cerrado en equilibrio
termodinámico, el potencial químico de un componente dado es el mismo en
todas las fases en las que el componente está presente.

12. 12
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Criado S. Casas V. (2004)“Termodinámica Química y de los Procesos
Irreversibles” 2º edición; Editorial. Pearson Addison Wesley;Madrid
Cengel, Y. A.; Boles, M. A.(2009): Termodinámica. Ed. McGraw-Hill:
México, D.F., (Sexta edición en Español correspondiente a la sexta
edición original en inglés). ISBN 978-9701072868.
Martínez I.: (2009) Termodinámica Básica y aplicada. Editorial McGraw-
Hill: México, D.F.
Moran, M. J.; Shapiro, H. N (2004). Fundamentos de termodinámica
técnica IIedición en Español correspondiente a la 4. Edición original.
Editorial. Reverté, S.A.: Barcelona.
Rodríguez R., Ruiz S., Urieta N. (2009), Termodinámica Química Editorial
Síntesis Editorial McGraw-Hill: México, D.F.