Sustancias Puras de la Termodinámica

1. SUSTANCIA PURA
TEMA 2

2. Sustancia Pura
Es aquella que tiene unas propiedades específicas que la caracterizan y que
sirven para diferenciarla de otras sustancias, como es el agua liquida, donde es
una mezcla de agua con vapor y una mezcla de hielo y agua liquida son todo
sustancias pura, cada fase tiene la misma composición química. En el caso de
aire liquido y aire gaseoso no es una sustancia pura porque la composición de
la fase liquida es diferente a la de la fase de vapor.
La énfasis sobre la sustancia son compresible ya que es el termino que se
aplica a la sustancia cuyos efectos de superficie, efectos magnéticos y efectos
eléctricos son significante cuando se trata de ellas.

3. Equilibrio de Fase
El equilibrio de fases hace referencia a la ausencia de cualquier transferencia
neta de una o más especies químicas de una fase a otra en un sistema
multifario.
Tomando en cuenta que cualquier sistema evoluciona de forma espontánea
hasta alcanzar el equilibrio, y que es posible determinar si un sistema está en
equilibrio con su entorno al universo o si las funciones de estado del sistema U,
H, A y G permanecen constantes con el tiempo. En caso contrario analizando
como variarían estas funciones de estado se puede determinar en qué sentido
evolucionará el sistema, para lo cual se emplean las ecuaciones de Gibbs. Así,
la condición de equilibrio material en un sistema compuesto por varias fases y
especies es:

4. Condición que se cumple cuando no hay cambios macroscópicos en la
composición del sistema, ni transporte de materia de una fase a otra del sistema.
Cuando una sustancia se somete a calentamiento o enfriamiento puede
producirse el fenómeno conocido como transición de fase; así, al calentar
suficientemente un sólido, este llega a fundirse, de tal modo que coexistan en
equilibrio dos fases bien diferenciadas (sólido y líquido), cuyas densidades son
distintas
A que sea posible la estabilidad en un sistema arbitrario constituido por varias
fases, se deben verificar las siguientes condiciones:
Ambas fases están a la misma temperatura y la
misma presión; sin embargo, con respecto a la
condición de igualdad de presiones, conviene
matizar que solo es cierto si se desprecian los
efectos de superficie.
Para la presión y temperatura a la cual ocurre la
transición, los potenciales de ambas fases son
iguales y, puesto que para una sustancia pura el
potencial químico conocido con la función de
Gibbs molar, se está en una situación como la
esquematiza

5. 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 donde la
sustancia pura en ausencia de movimiento, gravedad y efectos de superficie,
magnéticos o eléctricos que 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, enun
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

6. 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 vapYa 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

7. 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:

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

9. Superficie termodinámica
El tema que se trata en este capítulo se puede resumir adecuadamente al
considerar una superficie de presión volumétrica especifico - temperatura. En
la imagen se muestra una sustancia como el agua donde el volumen especifico
disminuye durante la congelación, y en otra el proceso contrario, donde el
volumen aumenta durante el proceso de congelación

10. En estos diagramas la presión, el volumen especifico y la temperatura se
grafican sobre coordenadas mutuamente perpendiculares y así, cada posible
estado de equilibrio está representado por un punto sobre la superficie.
Esto se deduce directamente del hecho de que una sustancia pura contiene
únicamente dos propiedades intensivas independientes. Todos los puntos a lo
largo de un proceso se encuentran sobre la superficie ya que este proceso
siempre pasa a través de los estados de equilibrio.