Este documento trata sobre sustancias puras y equilibrio de fases. Explica que una sustancia pura tiene una composición química definida sin importar su procedencia, y puede ser un compuesto o un elemento. También describe los diagramas de fases presión-temperatura y cómo representan el equilibrio entre fases sólidas, líquidas y gaseosas de una sustancia pura. Incluye ecuaciones para describir estos equilibrios de fase.

1. TEMA 2
SUSTANCIA PURAS

2. Sustancia pura
Es cualquier sustancia con una composición
química definida, sin importar su procedencia. Por ejemplo,
una muestra de agua tiene las mismas propiedades y la
misma proporción de hidrogeno y oxigeno sin importar si la
muestra se aísla. Una sustancia pura no puede separarse en
otras sustancias por ningún medio mecánico. Estas
sustancias pueden clasificarse en dos grupos:
los compuestos están
formados por dos o más tipos
de átomos de distintos
elementos.
Las sustancias simples están
formadas por átomos de un
mismo elemento

3. Equilibrio de fase
Equilibrio líquido-vapor y sólido-vapor
En estos dos casos el V molar del gas es mucho mayor que el del líquido o
que el del sólido por lo que puede hacerse la aproximación
Si además se hace la suposición de que el gas se comporta como gas
ideal la ecuación de Clapeyron se transforma en:
Esta ecuación se suele expresar como
llamada ecuación de Clausius Clapeyron
Si el rango de temperatura analizado es pequeño, se puede suponer que
ΔH es constante a lo largo de la línea de equilibrio, y por tanto:
Clausius-Clapeyron integrada

4. Equilibrio sólido-líquido
Para estudiar los equilibrios de fase sólido-líquido, no puede utilizarse la
ecuación de Clausius-Clapeyron ya que para obtenerla se han realizado una
serie de aproximaciones válidas cuando una de las fases que interviene es gas.
En este caso la variación de la P de equilibrio cuando cambia la T se obtiene
directamente a partir de la ecuación de Clapeyron:
Los valores de ΔHfus y de ΔVfus varían a lo largo de la curva de equilibrio
sólido-líquido, las funciones de estado H y V son funciones de T y P, y por lo
tanto lo son también ΔHfus y de ΔVfus. Sin embargo la elevada pendiente de
esta línea en el diagrama P-T implica que a menos que P cambie en una
cantidad considerable, la variación de T será muy pequeña, por tanto podemos
tomar como aproximación:

5. El estudio del equilibrio de fases en sistemas formados por un solo
componente Para especificar el estado termodinámico de un sistema formado
por una sustancia pura el número variables intensivas independientes que hay
conocer (grados de libertad) es:
Si hay presente una fase, L=1componente-1fase+2=2 variables, es
necesario especificar por ejemplo la P y la T
Si hay presente dos fases, L=1componente-2fases+2=1 variable, es
necesario especificar sólo P o T
Si hay presente tres fases, L=1componente-3fases+2=0 variables
Podemos representar cualquier estado de equilibrio del sistema formado
por una sustancia pura mediante un punto en un diagrama bidimensional de
presión-temperatura. Este diagrama se denomina diagrama de fases. Un
ejemplo del diagrama de fases de una sustancia.

6. En el diagrama de la figura las líneas AB, BD y BC corresponden a valores (P,T)
en las que coexisten dos fases:
• En AB coexisten en equilibrio sólido y gas. La
curva AB es la curva de presión de vapor del
sólido
• En BD coexisten en equilibrio sólido y líquido.
• En BC coexisten en equilibrio líquido y gas.
El punto B marca los valores de P y T en los que
coexisten tres fases, sólido, líquido y gas, y se
denomina Punto Triple. Este punto, que indica la
temperatura mínima a la que el líquido puede existir,
es característico de cada sustancia, y puede
emplearse como referencia para calibrar termómetros.
El punto C indica el valor máximo (PC,TC) en el que pueden coexistir en
equilibrio dos fases, y se denomina Punto Crítico. Representa la temperatura
máxima a la cual se puede licuar el gas simplemente aumentando la presión.
Fluidos con T y P mayores que TC y PC se denominan fluidos supercríticos.

7. P = F/A
Donde:
F= fuerza aplicada
A = Área donde se ejerce la fuerza,
P = ρ *g . h
Donde: = ρ = densidad del fluido g =
aceleración de gravedad. h = altura
barométrica
P = Patm * A + w
Donde:
P: Presión Patm = Presión atmosférica A =
Área del recipiente W =Peso ejercido
Ecuaciones
W = mg/A

8. 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

9. 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

10. 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: R
u
= 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:

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

12. Superficie Termodinámica
Las superficies termodinámicas están formadas por presión (p), volumen
(v) y temperatura (T), que sería en resumen P-v-T. Estas superficies son las
que ayudan y permiten identificar los diferentes tipos de estados y como estos
pasan de un estado a otro, mas que todo, los resultados se pueden
representar en coordenadas rectangulares y es a esto lo que se llama
superficie P-v-T.
Estas superficies, presión (p), volumen (v) y temperatura (T) sirven para
calcular los valores que pertenecen a una sustancia de trabajo cuando se
encuentra en cualquier estado de la superficie.
Si una superficie tiene mayor temperatura que la temperatura crítica, no
será capaz de condensar a la fase líquida, independientemente de cuan alta
sea la presión que se ejerce sobre ella. Cuando la presión es mayor que la
presión crítica, el estado se conoce como estado supercrítico