Termodinámica: Sustancia pura, lectura de tablas de vapor y calidad

1. PROPIEDADES DE UNA SUSTANCIA PURA
TERMODINÁMICA
SESIÓN 1

2. ¿QUÉ ES UNA SUSTANCIA PURA?
Una sustancia que tiene una composición química fija en todas sus fases se
denomina sustancia pura.
Es aquella que tiene una composición química homogénea e invariable que
puede existir en más de una fase. Por ejemplo: el agua, una mezcla de hielo y
agua; son sustancias puras porque para cada fase tienen la misma
composición.
En cambio el agua de mar no es sustancia pura porque al producirse la
evaporación, el vapor tendría una composición química diferente a la de la
fase líquida.

3. El estudio se limitará a sustancias puras, simples y compresibles. El término
simple y compresible implica que solo se está considerando la forma de trabajo P
d V;(recordar que volumen minúscula es el volumen específico es decir
volumen total entre la masa total en m3/Kg) en tanto que pura implica que las
sustancias contienen únicamente un componente químico (por ejemplo H2, O2,
amoniaco o nitrógeno), por lo tanto, se excluye cualquier mezcla de dos o más
sustancias (como agua salada, whiskey o aire húmedo). La excepción corresponde
al aire, que se trata como una sustancia pura en muchos casos prácticos, a pesar
de ser una mezcla inerte de N2, 02, y otras moléculas. Además, se supondrá que
las sustancias tienen una composición molecular fija a lo largo de este estudio; es
decir, no tiene lugar ninguna reacción química

4. SUSTANCIAS SIMPLES COMPRESIBLES
Fases líquidas. P = P(T, v). Si se dibuja la
trayectoria de este proceso en una gráfica de
presión contra volumen, se obtiene una línea
como la que se muestra en la figura siguiente:
Donde A denota el estado inicial y B el estado
final. Entre A y B se encuentra una serie de
estados que están en equilibrio térmico y el
proceso que los une sigue una isoterma, (casi
en equilibrio).
Obsérvese en la figura el cambio tan grande
en la presión del agua para un pequeño
cambio en el volumen específico. La
explicación es que el agua líquida es casi
incompresible, y con frecuencia se considera
por conveniencia que el valor de v es
constante para el agua líquida (y muchos
otros líquidos) cuando la presión cambia a
temperatura constante.
A
B

5. SATURACIÓN Y FASES
Al aumentar más el volumen una cantidad
más de líquido se convierte a vapor, hasta
que se alcanza el punto D, donde
justamente todo el líquido ha
desaparecido y toda el agua se encuentra
en forma de vapor. El estado físico de la
masa de control en el punto C, recibe el
nombre de líquido saturado; la
temperatura del agua en este estado
corresponde al punto de ebullición o
temperatura de saturación a la presión de
la masa de control. Sobre la línea CD, los
estados del agua son una mezcla de dos
formas físicamente diferentes, líquido y
vapor. A estas formas físicamente
diferentes de un componente se les llama
fases y a los estados que se encuentran a
lo largo de la línea CD se les denomina
estados difásicos.
A
B
C
D

6. DIAGRAMA DE FASES TEMPERATURA VOLUMEN
VAPORIZACIÓN ISOBARA DE UNA SUSTANCIA PURA
f = Fluido
Liquido saturado
g = gas
Vapor saturado

7. DIAGRAMA DE FASES: P-T

8. Punto Crítico: (PC)
Es el estado donde las fases líquida
y gaseosa se confunden. Este punto
varía dependiendo de la sustancia
tratada y se define por: la presión
crítica (Pc), la temperatura crítica
(Tc), etc. En los procesos que se
llevan a cabo a esta Pc y Tc, no se
puede establecer un cambio de
fase líquido a vapor y no pasan por
un estado de equilibrio.
Punto Triple: (PT)
Es una propiedad característica de
las sustancias, en el cual coexisten
las tres fases, es decir coexisten las
fases sólida líquida y gaseosa.

9. ( 1 ) Líquido comprimido o sub
enfriado:(LC o LSE)
Es aquel que tiene una temperatura
menor que la de saturación a una
presión dada.
(2) Líquido Saturado: (LS)
Es cuando un estado es tal que
empieza a cambiar de fase líquida a
fase gaseosa, es decir se inicia la
evaporación.
Es aquel que se encuentra a la
temperatura de saturación
correspondiente a su presión.
Todos estos estados constituyen la
línea de líquido saturado.
(3) Vapor Húmedo o mezcla
líquido-vapor: (VH)
Es aquel que contiene líquido más
vapor en equilibrio

10. ( 4 ) Vapor Saturado:(VS)
Es cuando un estado es tal que el
vapor comienza a cambiar de
fase gaseosa a fase líquida
(condensación). Como por
ejemplo la lluvia o la formación
de escarcha. Estos estados
forman la línea de vapor
saturado.
( 5 ) Vapor Sobrecalentado:
(VSC)
Es aquel que tiene una
temperatura mayor que la de
saturación pero a una presión
dada

11. En una mezcla tanto el líquido como el vapor en equilibrio
están saturados
Características de ciertas sustancias puras
PUNTO TRIPLE
PT
PUNTO CRITICO
PC
AGUA
DIÓXIDO DE CARBONO
HIDRÓGENO
NITRÓGENO
OXIGENO
PLATA
T(K)
273.15
216.5
14
63.4
54.8
1233
P(bar)
0.0061
5.173
0.072
0.125
0.0015
0.0001
T(K)
647.3
304.2
33.3
126.2
154.8
P(bar)
220.9
73.9
13
33.9
50.8

12. POSTULADO DE ESTADO
Para fijar un estado de una sustancia pura es necesario conocer por lo
menos dos propiedades intensivas o específicas independientes.
El término Temperatura de Saturación designa la temperatura a la cual se
efectúa la evaporación a una presión dada, y esta presión se denomina
Presión de Saturación.
Las condiciones de presión y temperatura en que dos fases coexisten en
equilibrio se denominan las condiciones de saturación.
La temperatura de saturación depende de la presión, a mayor presión mayor
es la temperatura de saturación y viceversa.

13. USO DE TABLAS DE VAPOR
Estudiaremos el caso del agua, por las siguientes razones:
1. El comportamiento es análogo en sustancias puras
2. Las tablas son similares en cuanto la forma de
presentar los datos
3. La importancia del agua en los procesos térmicos

14. USOS DE TABLAS DE VAPOR
Realizar la lectura de los diagramas de fase señalando los
estados que se indican en cada punto mostrado
1 atm

15. Ejemplo: Dado H2O a P= 10 bar, T= 400°C, encuentre el
volumen específico:
1atm= 1,013bar=101.3kPa
179.88 C
T de sat
Convirtiendo 10 bar a kPa
10barx 101,3kPa/1,013bar
= 1000kPa = 1Mpa
Ir a tabla de agua sat. y
buscar 1000 kPa ( 919)
T= 400°C
v= 0.30661 m3 /kg
400°C
1Mpa

16. Problema 2: Determine si el agua en cada uno de los
estados siguientes es un líquido comprimido( o
subenfriado), un vapor sobrecalentado o una mezcla
líquido vapor
a. 17000 kpa , 0.003m3 /kg
b. 1 Mpa , 150°C
c. 200°C , 0.2m3 /kg
d. 10 Kpa , 10 °C
e. T=190°C, v=0,0195m3 /kg
f. 115°C , v=1,0 m3 /kg

17. VAPOR HÚMEDO
Es aquella sustancia al
estado de vapor que
se encuentra en la
región formada por la
línea de líquido
saturado y vapor
saturado y es una
mezcla saturada de
líquido vapor
m3 /kg

18. En la zona liquido vapor las propiedades
termodinámicas no se encuentran en tablas por lo
que se hace necesario calcularlas, definiendo para
esto una propiedad aplicable solo en esta zona
denominada calidad la cual se representa con la
letra x minúscula

19. CALIDAD
Se define como la masa de
vapor presente en la
mezcla
difásica dividida entre la
masa total y se representa
por el símbolo X. Así pues:
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
Calidad

20. m
mg

totalmasa
saturadovapordemasa
x
La calidad solo sirve cuando
trabajamos dentro de la
campana
Si un depósito está con la
mitad de líquido y mitad
vapor, entonces la calidad
será 50 % ?

21. u= ul + x u g-l
h= hl + x h g-l
v= vl + x v g-l
LA CALIDAD NOS PERMITE CALCULAR LAS PROPIEDADES
TERMODINÁMICAS EN LA ZONA LIQUIDO VAPOR PORQUE EL
RESTO DE FASES LAS ENCUENTRO EN TABLAS
m
mg

totalmasa
saturadovapordemasa
x
Leyenda:
v= volumen específico
l= liquido
g= gas
h= entalpia específica
u= energía interna
específica

22. Ejemplo:
Se tiene agua a 200kPa y v= 0.55568, encuentre la
temperatura y la entalpía
200kPa
0.001061 0.88578
0.55568
120.21°C
En tablas:
T: 120.21
v= vl + x v lg
h= hl + x h lg
0.55568=0.001061+x 0.884719
X= 0.6268
h= 504.71 + 0.6268(2201.6 )
h= 1884.67kJ/kg

23. Ejercicios:
Determine la fase, la calidad x si es aplicable y las
propiedades faltantes P o T de :
1. H2O T = 120 °C v=0.5 m3 /kg
2. H2O P= 100kPa v=1.693 m3 /kg
3. H2O T= 263.1 5 K v= 467.17 m3 /kg
4. H2O T= 350°C v= 0.2 m3 /kg

24. Un recipiente rígido contiene 10 kg de H2O a 90°C si 8kg del agua están en
forma líquida y el resto como vapor, determine la presión del recipiente y el
volumen del recipiente.
2kg
8kg
90°C
Tabla 914
X=2kg/10kg
X= 0.2
v= vl + x v lg
v=0.001086 + 0.2 ( 2.358214)
v= 0.4727 m3 /kg 0.001086 2.3593
Pcte=70.183kPa
Vt= v x m
0.4727m3 /kg . 10 kg = Vt
4,73 m3 = Vt

25. ¿GAS O VAPOR?
Una sustancia que
puede condensarse
ya sea por
compresión a
temperatura
constante o por
enfriamiento a
presión constante se
conoce como vapor.
El gas puede
condensarse
mediante una
reducción de
temperatura a
presión constante
gas
La fase condensada es la fase líquida o la fase
sólida

26. TABLAS DE VAPOR SOBRECALENTADO:
Basta tener definida la P y T para definir el estado de la
sustancia. En algunas tablas no se tiene u ó h como
datos, en este caso se usa la fórmula:
Pvuh 

27. Ejemplo: Hallar el volumen específico (v), entalpía (h) y entropía (s)
que corresponde a:
A dicha presión la temperatura de saturación Ts = 89.95°C. Luego a
T = 400°C nos encontramos en la zona de VSC.
Debemos interpolar en las tablas de VSC.

28. “La calidad educativa, tiene como techo
la calidad de sus docentes”
GRACIAS!!!!!