Este documento describe las propiedades de las sustancias puras y los cambios de fase que experimentan. Explica que una sustancia pura puede existir en múltiples fases pero su composición química es la misma. Luego, utiliza el ejemplo del agua para ilustrar cómo varían la temperatura, presión y volumen específico durante los cambios entre las fases líquida, sólida y gaseosa del agua. Finalmente, introduce conceptos como la temperatura y presión de saturación para describir los estados de equilibrio entre las fases de una sust

1. Una sustancia pura es aquella que tiene una composición
química homogénea e invariable puede existir en más de
una fase pero la composición química es la misma en todas
las fases. Por ej. El agua líquida, una mezcla de hielo y agua
y una mezcla de agua líquida y vapor de agua son todas
sustancias puras; cada fase tiene la misma composición
química.

2. Considere un sistema formado por 1 Kg. de agua contenido
en un conjunto de cilindro-pistón. Suponga que el pistón y el
peso mantienen una presión de0.1 MPa en el cilindro y que
la temperatura inicial es de 20 °C. a medida que se transfiere
calor al agua la temperatura se eleva un poco, el volumen
específico aumenta ligeramente y la presión se mantiene
constante. Cuando la temperatura llega a 99,6 °C, una
transferencia adicional de calor provoca un cambio de fase,
algo del líquido se transforma en vapor durante

3. este proceso tanto la temperatura como la presión
permanecen constantes pero el volumen especifico se
incrementa considerablemente. Cuando se ha evaporado
la última gota de líquido, una transferencia de calor
adicional ocasiona un incremento en la temperatura y el
volumen especifico del vapor.
El termino temperatura de saturación o temperatura de
ebullición designa la temperatura a la cual se lleva a
cabo la evaporación a una presión dada. Esta presión se
llama presión de saturación para la temperatura dada.

4. La temperatura de saturación es aquella que a una presión
dada una sustancia puede cambiar de fase. Si una
sustancia existe como líquido a la temperatura y presión de
saturación, se llama liquido saturado. Este es un líquido que
está apunto de evaporarse. Cuando la temperatura del
líquido es menor que la temperatura de saturación para la
presión existente, se llama liquido sobre enfriado (lo cual
indica quela temperatura es menor que la temperatura de
saturación para la presión dada) o liquido comprimido
(lo cual significa que la presión es mayor que la presión de
saturación para la temperatura dada). Si una sustancia
existe como vapor a la temperatura de saturación, se llama
vapor saturado. Este es un vapor que está a punto de
condensarse. Cuando el vapor está a una temperatura
superior a la temperatura de saturación, se dice que existe
como vapor sobrecalentado.

6. Otro término importante es el de mezcla saturada que es
una sustancia que está entre los estados de líquido
saturado y vapor saturado.
Presión de saturación: presión a la cual una sustancia
puede cambiar de fase a una temperatura dada.
Supóngase ahora que el pistón regresa a su posición
original en el aparato experimental y que la temperatura
del baño, que constituye los alrededores, cambia a un
valor mayor, T, > T. Al mover el pistón lentamente para
aumentar el volumen de la masa de control, manteniendo
la temperatura de dicha masa constante en T, se
encuentra una nueva isoterma en el diagrama P- v. Este
procedimiento se puede repetir a temperaturas cada vez
mayores y dibujar las isotermas para cada una.

7. Temperatura crítica A mayores temperaturas, disminuye la
longitud de la línea difásica horizontal. Finalmente, para el
agua, la isoterma en la región difásica correspondiente a una
temperatura T = 374.14°C = 705.43°F, tiene una longitud nula.
Es decir, existe una región donde no se distinguen las dos
fases; si el volumen aumenta, el agua realiza la transición de
líquido a vapor sin la aparición de la región de dos fases.
Experimentalmente, si se mantiene el líquido original a esta
temperatura o una superior, mientras se expande el volumen,
no se puede decir cuándo el líquido se convierte en vapor,
ya que no se forma ninguna interface entre las fases; no es
posible ver ninguna superficie líquida. Para el agua, este
fenómeno tiene lugar a una presión y una temperatura tan
elevadas que queda fuera de la experiencia cotidiana.

8. A las altas presiones presentes en la región del diagrama
P- v en que esto ocurre, cuando el volumen específico del
líquido aumenta a lo largo de una isoterma, la presión de
la masa de control disminuye continuamente. El volumen
específico del líquido aumenta y la transición del líquido a
gas tiene lugar lentamente a un volumen específico
pequeño, sin una separación entre
fases visible, por lo que se puede pensar que las dos
“fases” tienen el mismo
volumen específico (y por lo tanto la densidad)
y consecuentemente no es posible distinguir una de otra.
El mismo fenómeno tiene lugar para todas las isotermas
que se encuentran sobre la temperatura crítica.

9. La temperatura más baja, a la cual la isoterma no presenta
transición entre las fases, recibe el nombre de temperatura
crítica T0. Es común denominaras al vapor que se encuentra
sobre la temperatura crítica y retener el nombre de vapor
para la fase que podría existir en equilibrio con su fase líquida
a la temperatura del vapor, si la presión aumentara lo
suficiente. Cada una de las fases se encuentra en el punto
de ebullición a la presión que existe en la masa de control
para cada estado localizado sobre la línea de mezcla
saturada. En esta forma, si se mide el volumen específico de
la fase líquida para cualquier estado a lo largo de esta línea,
se encuentra el mismo valor. El volumen específico del agua
saturada a la temperatura de la masa de control, vf. De
igual forma, el volumen específico del vapor para cualquier
estado a lo largo de la línea de mezcla saturada es el
volumen específico del vapor saturado, vg.

10. Los subíndices f y g indican la fase líquida y vapor,
respectivamente. Resulta relativamente simple tabular
el volumen específico del líquido y del vapor saturado en
función de la temperatura. Por lo tanto, es útil definir el
volumen específico de la masa total v, correspondiente a
lamasa de control en cualquier punto sobre la línea difásica,
en función de los volúmenes específicos de las fases
individuales vf y vg. Con este objeto se introduce una
propiedad llamada calidad de la mezcla difásica. La 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.

12. 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.

13. 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. Para una masa de control difásica, 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. Obsérvese que la calidad sólo está definida
para la mezcla difásica constituida por líquido y vapor.

14. 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 .

15. 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 = RgT, en donde, Rg = Ru/M.

16. en que Rg del gas, M el peso molecular y Ru es la
constante universal de los gases. 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:

18. Estas ecuaciones se resuelven simultáneamente para
obtener las cuatro incógnitas siguientes:
1.-Presión
2.-Densidad
3.-Temperatura
4.-Velocidad
Hay varias situaciones prácticas en que dos fases de una
sustancia pura coexisten en equilibrio. El agua existe como
una mezcla de líquido y vapor en la caldera y en
el condensador de una central termoeléctrica. En vista de
que es una sustancia común, se empleará el agua
para demostrar los principios básicos. Recuerde que en
todas las sustancias puras se observa el mismo
comportamiento general.

19. 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.

20. 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.

21. 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.