Este documento trata sobre sustancias puras y sus propiedades. Explica que una sustancia pura puede estar compuesta por un solo componente o varios compuestos químicos siempre que tenga una composición química constante. Describe los diagramas de estado como P-v, T-v y P-T y cómo representan los diferentes estados de una sustancia pura. Finalmente, señala que el estado de una sustancia pura se define por dos propiedades independientes como la temperatura y el volumen.

1. TEMA 2
SUSTANCIA PURAS

2. Sustancia Pura
No necesariamente tiene que estar compuesta por un solo componente, puede
estarlo por varios compuestos químicos. Es una sustancia formada por un solo
constituyente. Las sustancias puras se caracterizan porque tienen una composición
química constante y es la misma en todas sus fases.

3. Equilibrio de fase
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.
La temperatura y presión de saturación son aquellas en donde ocurre la
ebullición de una sustancia pura. Para una presión de saturación existe un
único valor de temperatura de saturación y viceversa. Para el agua, a una
presión de 101.35 kPa la temperatura de saturación es 100ºC. En sentido
inverso, a una temperatura de 100ºC la presión de saturación es 101.35 kPa.
La gráfica de Psat contra Tsat da una curva característica para cada sustancia
pura y se conoce como curva de saturación de líquido-vapor

4. Curva de saturación líquido-vapor de una
sustancia pura (los valores numéricos
corresponden al agua).
Se puede observar que la temperatura de saturación aumenta con un
incremento de la presión. Cuando se cocina, las temperaturas de ebullición
más altas implican tiempos de cocción más cortos y ahorros de energía. Por
ejemplo, cuando se cocina en una olla de presión la temperatura de ebullición
es superior a los 100ºC ya que la presión que se consigue en una olla de
presión es superior a los 101.35 kPa. En aquellos sitios que se encuentran
por encima del nivel del mar, la presión atmosférica disminuye en la medida
que se asciende así como la temperatura de saturación por lo que el tiempo de
cocción en estos sitios es mayor.

5. Los diagramas de estado permiten representar los distintos cambios de estado
que experimentan las sustancias. Estos son los diagramas P-v y T-v. El
diagrama de fase únicamente representa las tres fases para cualquier sustancia.
Este es el diagrama P-T.
Diagrama T-v
El diagrama T-v se obtiene de la proyección de la superficie PvT (Figura 1.28)
en el plano T-v. La proyección resultante sobre un plano paralelo a los ejes T-v.
En este diagrama tanto las regiones de una y dos fases aparecen como áreas.

6. Es común que dos fases estén en equilibrio, pero en algunas condiciones las
tres fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. En los diagramas P-v o
P-T, estos estados de fase triple forman la línea triple. Los estados de una
sustancia sobre la línea triple tienen la misma presión y temperatura, pero
diferentes volúmenes específicos. La línea triple aparece como un punto sobre
los diagramas P-T y, por tanto, suele denominarse punto triple.

7. Diagrama P-v
La forma general del diagrama P-v de una sustancia pura es similar al
diagrama T-v, pero las líneas de T=constante sobre este diagrama presentan una
tendencia hacia abajo, Tanto en el diagrama T-v como en el diagrama P-v las
regiones de una y dos fases aparecen como áreas. La línea de líquido saturado
representa los estados de la sustancia tales que cualquier adición infinitesimal de
energía a la sustancia a presión constante cambiará una pequeña fracción de
líquido en vapor. De modo semejante, al sustraer energía de la sustancia en
cualquier estado que cae dentro de la línea de vapor saturado origina una
condensación del vapor, mientras que la adición de energía sobrecalienta al vapor.
La región de dos fases, que se denomina líquido y vapor saturados y que queda
entre las líneas de líquido saturado y vapor saturado, generalmente se llama
región húmeda o bóveda húmeda.

8. Diagrama P-T
Es una sustancia pura, llamado diagrama de fase puesto que las tres fases se separan
entre sí mediante tres líneas.
Resulta de la proyección de la superficie PvT de una sustancia sobre el
plano P-T. La línea de sublimación separa las regiones sólida y de vapor, la
línea de vaporización divide las regiones líquida y de vapor, y la línea de fusión
separa las regiones sólida y líquida. Estas tres líneas convergen en el punto
triple, donde las tres fases coexisten en equilibrio. La línea de vaporización
finaliza en el punto crítico porque no se pueden distinguir las fases líquida y de
vapor arriba del punto crítico. Las sustancias que se expanden y contraen al
congelarse difieren solo en la línea de fusión en el diagrama P-T.

9. 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

10. Para una masa de control difásica, la calidad varía desde 0, cuando
la masada 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

11. Ecuaciones de estado para la fase vapor
A partir de observaciones experimentales se ha establecido que el
comportamiento, según las propiedades P, v y T, de gases a baja
densidad, esta representado muy aproximadamente por la siguiente
ecuación de estado.
Pv = Rg
Ten donde, Rg= Ru/M.en que Rg
del gas, M el peso molecular y Ru
es la constante universal de logases. 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 ºR
Es 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 implica que
las ecuaciones de la energía siguientes no se pueden despreciar:

12. Estas ecuaciones se resuelven simultáneamente para obtener
las cuatro incógnitas siguientes:
1.- Presión
2.- Densidad
3.- Temperatura
4.- Velocidad

13. Superficie Termodinámica
puede ser definido como una región del universo cuyas propiedades se
encuentran completamente definidas por su estado termodinámico. Además,
podría intercambiar materia y energía con otros sistemas de su entorno.
Para identificarlo con los sistemas reales, diremos que un sistema
termodinámico es cualquier sistema macroscópico es decir, compuesto de
un número de partículas muy elevado, del orden del número de
Avogadro (1023
).
Se dice macroscópico porque un sistema con tantas partículas tendrá un
tamaño muy grande, de una escala parecida a la humana.
Para abreviar, ya que nuestra intención a lo largo del curso será tratar
con sistemas macroscópicos que se comporten como los sistemas
termodinámicos ideales que estamos presentando, comúnmente los
llamaremos simplemente sistemas aunque los consideremos como sistemas
termodinâmicos.