3. Equilibrio de fases; Vapor líquido sólido en una sustancia pura.
Existen en la naturaleza muchas situaciones en que dos fases
de una sustancia pura coexisten en equilibrio. El agua existe como
líquido y vapor dentro de una olla de presión. El agua sólida o hielo
a la temperatura y presión normales del ambiente comienza su
proceso de condensación. A pesar de que todas las fases de las
sustancias son importantes, solo se estudiarán las fases líquido y
vapor y su mezcla.
En el estudio de la sustancia pura se toma como ejemplo el agua
por ser una sustancia muy familiar.
4. Propiedades independientes de una sustancia pura.
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. 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. 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 liquido 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 liquido saturado
a vapor saturado y de identifica como v fg .
5. Ecuaciones de estado para la fase vapor
Para exponer las desviaciones entre un fluido ideal y el real, se ha definido el factor
de compresibilidad Z, dado por la siguiente expresión:
Para gas ideal Z=1 y es independiente de la temperatura y presión; para gases reales Z
es función de la temperatura y presión y puede tomar valores entre 0 e infinito [2, 3].
Aplicando las condiciones críticas (Pc, Tc y Vc) al factor de compresibilidad Z, se
obtiene el factor de compresibilidad crítico, el cual está definido por la siguiente
expresión:
El valor de este parámetro para la mayoría de los gases no polares oscila entre 0,25 y
0,31, con un valor promedio de 0,27 .
6. Superficie termodinámica
Las superficies termodinámicas son una relación entre presión (P),
volumen (v) y temperatura (T), que nos genera una superficie en la cual
se puede distinguir las distintas fases de la materia y los procesos con
cambio de fase. Aquí se puede distinguir claramente la fase sólida,
sólido-líquido, líquido, líquido-vapor (zona de vapor húmedo), gas y
sólido-vapor (zona de sublimación), además se aprecia la línea triple
(coexisten los 3 estados) y el punto crítico (k). Para obtener una
superficie termodinámica debemos suministrar energía a nuestra
sustancia de trabajo para observar como varían sus propiedades
dándonos así una curva en un diagrama bidimensional (P-v, P-T), y una
superficie en un diagrama tridimensional (P, v, T) o superficie
termodinámica.
