1. 1
INTRODUCCIÓN
FASE
TRANSFERENCIA DE MASA Y DE
ENERGÍA
Figura 1.1. Transferencia de masa y energía
en un sistema gas líquido
EQUILIBRIO
en un sistema gas-líquido
HUMIFICACIÓN
deshumidificación, enfriamiento, secado
Una mezcla de dos o más componentes que posee toda ella propiedades
físicas y químicas uniformes es un sistema homogéneo o de una sola
fase. Por otro lado, si un sistema consta de dos o más partes que tienen
propiedades diferentes y que están separadas entre sí por una interfase,
de forma que las fases son mecánicamente separables, el sistema es
heterogéneo. Considere por ejemplo el sistema agua-aceite. Ya que
estas sustancias son inmiscibles se tendrán dos fases líquidas separadas
por una interfase y por lo tanto el es sistema es heterogéneo.
Otro sistema heterogéneo es el constituido por un gas en contacto con
un líquido puro en el cual es casi insoluble, como sería el caso de aire
en contacto con agua líquida. Cuando un gas seco se pone en contacto
con un líquido (Figura 1.1) las moléculas de la superficie del líquido
empezarán a transferirse al gas (evaporación) y se dice que el gas se
está humificando. Después de cierto tiempo, las moléculas de líquido
que se transfirieron al gas regresarán al líquido (condensación) y este
proceso de transferencia de masa entre la fase gas y la fase líquida
continuará hasta que el número de moléculas que abandonen el líquido
sea igual al número de moléculas que regresan al mismo. Entonces el
sistema se encontrará en equilibrio dinámico, lo que implica que aunque
existe transferencia de masa entre las fases, el flujo neto es cero.
Por otro lado, siempre que exista transferencia de masa, también
existirá transferencia de energía. Suponga que inicialmente las fases se
encuentran a la misma temperatura. Cuando el líquido se evapora y se
transfiere al gas, cada una de estas moléculas se lleva su contenido de
energía que de esta manera se transferirá al gas (calor latente). Como
consecuencia de esto, el líquido empezará a enfriarse y el gas a
calentarse. Al establecerse una diferencia de temperaturas entre el gas y
el líquido entonces habrá transferencia de energía entre las fases debido
a la diferencia de temperaturas (calor sensible)
Por otro lado, el proceso de transferencia de masa dependerá, entre
otros factores, de la diferencia de concentraciones entre las fases
involucradas, del tal forma que entre mayor sea dicha diferencia, mayor
será la tasa de transferencia. Cuando el sistema se encuentra en
equilibrio dinámico, la diferencia de concentraciones entre las fases es
cero y como se dijo anteriormente, el flujo neto de masa también lo
será. En un proceso de separación se buscaría que el sistema no alcance
el equilibrio para que de esta manera pueda lograrse una mejor
separación de los componentes. Por lo tanto, es fundamental conocer
cuando un sistema alcanzará el equilibrio.
Las operaciones de transferencia de masa y de energía que entre un gas
y un líquido puro como las que se han descrito anteriormente se
denominan operaciones de humificación, aunque también debe
considerarse la deshumidificación y enfriamiento del gas y cuando el
líquido que se evapora en el gas está contenido en un sólido entonces se
hablará del secado de sólidos. En todos los casos la materia que se
Gas
Líquido

2. 2
EQUILIBRIO VAPOR
LÍQUIDO Y ENTALPÍA DE
SUSTANCIAS PURAS
Figura X1. Diagrama de fases del H2O
CURVAS DE SATURACIÓN
Vapor saturado, vapor sobrecalentado,
líquido subenfriado
transfiere es la que forma la fase líquida que se evapora o se condensa.
Como se mencionó anteriormente, en estas operaciones (como en
cualquier operación en donde exista transferencia de masa) es
fundamental establecer bajo que circunstancias el sistema alcanza el
equilibrio y cuales son sus características. Además como el proceso de
transferencia de masa se llevará a cabo un proceso de transferencia de
energía, también es se deben considerarse las características de entalpia
de los sistemas.
En la Figura 1.2. se muestra el digrama de fases para el agua, es decir,
para un sistema de un sólo componente y tres fases. El diagrama de
fases de una sustancia pura es la gráfica de una variable del sistema
contra otra, que muestra las condiciones en las cuales la sustancia existe
como sólido, líquido o vapor. En la mayoría de las temperaturas y
presiones, una sustancia pura existe en equilibrio con sólido, líquido o
gas; pero a ciertas temperaturas y presiones, es posible que coexistan
dos y hasta tres fases.
Considere que se coloca agua pura en un cilindro evacuado a prueba de
fugas que cuenta con un pistón móvil (Figura X1). En este sistema se
puede variar la temperatura retirando o agregando calor a la cámara y se
puede variar la presión absoluta del contenido del cilindro haciendo
variar la fuerza que se aplica sobre el pistón.
Inicialmente el sistema se encuentra a 20°C y a una presión de 3 mmHg
(punto A). En estas condiciones el agua sólo puede existir como vapor,
como se indica en el diagrama de fases. Si la fuerza sobre el pistón se
incrementa poco a poco, manteniendo la temperatura constante (proceso
isotérmico), hasta que la presión llega a 760 mmHg y a partir de este
punto se agrega calor al sistema manteniendo la presión constante
(proceso isobárico). Los cambios de estado que sufre el agua durante
estos procesos están indicados por la trayectoria
A B C D E de la Figura X1. En el punto C se tiene
únicamente agua líquida y en el punto E nuevamente se tiene vapor. Por
otro lado, en el punto B indica una condensación y el punto D una
evaporación. Estos cambios de fase tiene lugar en los límites del
diagrama de fases y el sistema no puede salir de dichos límites hasta
que las transiciones de hayan completado. Las líneas que separan cada
una de las regiones se denominan curvas de saturación y en cualquier
punto que se encuentre sobre estas curvas se tendrán dos fases
coexistiendo. Por ejemplo, en cualquier condición que corresponda a un
punto sobre la curva FBD se tendrá una mezcla de líquido y vapor y se
denominarán líquido saturado y vapor saturado respectivamente.
Si un gas o un vapor se encuentra a una temperatura superior a la de
saturación se denomina vapor sobrecalentado y el líquido que se
encuentra a una temperatura inferior a la de saturación se denomina
líquido subenfriado. En el punto triple (F) el agua puede encontrarse en
sus tres formas de agragación, líquido, sólido y vapor y en el punto
crítico ya no se puede hacer una clara distinción entre el líquido y el
vapor y todas sus propiedades son idénticas. Si la sustancia se encuentra
a una temperatura superior a la crítica se denomina como gas y no se
condensará a pesar de la presión que se imponga.
Sólido Líquido
Vapor
A
B
100 130200.0098 374.3
( )T C
3mmHg
17.535mmHg
1atm
218.3atm
Punto
crítico
C D E
P
F

3. 3
Punto de ebullición
Calor latente y calor sensible
La temperatura correspondiente a cada presión sobre la curva se conoce
como punto de ebullición del líquido a la presión dada. En particular, a
la temperatura de ebullición a una presión de 1 atm se le denomina
punto de ebullición normal.
Siempre que se efectua un proceso a través de la curva de presión de
vapor ya sea isotérmico como en ABC o isobárico como en CDE se
llevará a cabo un cambio de fase y el cambio específico de entalpía
asociado a estas transiciones de fase a temperatura y presión constante
se denomina calor latente del cambio de fase. En el caso particular de
las curvas antes mencionadas se tiene el calor latente de vaporización.
Debido a que la condensación es el proceso inverso de la evaporación y
la entalpia es una propiedad de estado, el calor latente de condensación
debe ser el negativo del calor latente de vaporización. Así, el calor
latende de vaporización del agua a 100°C y 1 atm es de 40.6 kJ/mol y el
calor latente de condensación debe ser 40.6 /kJ mol . En resumen el
calor latente es el calor que debe añadirse o extraerse del sistema para
llevar a cabo un cambio de fase. El calor necesario para producir un
cambio de temperatura (enfriar o calentar) en un sistema se denomina
calor sensible.