trabajo de sustancia pura

1. SUSTANCIA PURA
Es la que tiene una composición química homogénea e invariable puede
existir el mas de una fase, pero la composición química es la misma en todas
las fases. Así como el agua liquida una mescla de liquida y vapor de agua, una
de hielo y agua líquida son todas sustancia puras. Cada fase tiene la misma
composición química. Por otra parte una mescla 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 vapor.
Algunas una mescla de gases, como el aire se considera como una
sustancia pura siempre y cuando no haya cambio de fase. Hablando en sentido
estricto esto no es cierto. Como se verá más tarde se debe decir que una
mescla de gases como el aire presenta algunas de la característica de una
sustancia pura en tanto no haya un cambio de fase.
En este texto se hará en énfasis sobre las sustancia comprensibles simples.
Este término se aplica a la sustancia cuyo efecto de superficie, efecto
magnético efecto eléctrico son insignificantes cuando se trata con ellas. Por
otra parte los cambios de volumen, como los asociados de la expansión de un
gas en un cilindro son muy importantes. Sin embargo se hará referencia a otra
sustancia para las cuales son importante los efectos de superficie magnéticos y
eléctricos. Un sistema formado por una sustancia comprensible simple se
considera como un sistema comprensible simple.
EQUIBRIO DE FASES
Sistema formado por 1kg de agua que esta contenido en un conjunto de pistón
cilindro como el mostrado en la figura 3.1. a. suponga que el pistón y el peso
mantienen una presión de 0.1 MPa en el cilindro y que la temperatura inicial es
de 20 ºc a medid que se transfiere calor al agua, la temperatura se eleva un
poco el volumen especifico aumenta ligeramente y la presión permanece

2. constante cuando la temperatura llega a 99.6 ºc, la transferencia adicional de
calor provoca un cambio de fase como se indica en la figura 3.1. b. es decir
algo de liquido se transforma en vapor y durante este proceso tanto la
temperatura como la presión permanece constante pero el volumen especifico
se incrementa. Cuando se ha evaporado la ultima gota de liquido, una
tranferencia posterior da como resultado u incremento de temperatura y de
volumen especifico del vapor como se muestra en la figura 3.1.c.
Figura 3.1
En términos de temperaturas de saturación designa a la cual se lleva a cabo la
evaporación dada. Hasta presión de saturación para la temperatura dada ‘así,
para el agua a 99.6 ºc, la presión de saturación es de 0.1 MPa y para el agua a
0.1 MPa la temperatura de saturación es 99.6 ºc. para una sustancia pura
existe una relación definida entre la presión de saturación y la temperatura e
saturación. En la figura 3.2 se muestra una curva representativa denominada
curva de presión de vapor.
Si una sustancia existe como liquido a la temperatura y presión de saturación,
se llama liquido saturado. Si la temperatura del liquido es menor que la
temperatura de saturación para la presión existe, se llama liquido sobreenfriado

3. o liquido comprimido. Se puede utilizar cualquiera de esto términos, pero en
este libro se utiliza el último.
Cuando una parte de una sustancia existe liquido y otro como vapor a la
temperatura de saturación, su calidad se define como el cociente de la masa de
vapor y masa total. Así como en la figura 3.1.b, si la masa del vapor es de 0.2
kg y la masa el liquido es de 0.8 kg, la calidad es de 0.2 o 20%. La calidad se
puede considerar como una propiedad intensiva y tiene el símbolo x. la calidad
solo tiene sentido cuando la sustancia se encuentra en un estado saturado, es
decir a la presión y temperatura de saturación
Figura 3.2
Si una sustancia existe como vapor a la temperatura, se llama vapor saturado
algunas veces se utiliza el término “vapor seco saturado” para enfatizar que la
saturación, se dice que existe como vapor sobrecalentado la presión y la
temperatura del vapor sobrecalentado son propiedades independientes, ya que
la temperatura puede aumentar mientras la presión permanece constante. En
realidad, la sustancia que llamamos gases son vapores altamente
sobrecalentados.
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

4. 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
sobre calentado, 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. 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. 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 se
identifica como v fg.
DEFINICIÓN DE TRABAJO Y CALOR
Son intercambios energéticos que tienen lugar como consecuencia de las
interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinámicos. Tanto el

5. calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energía y únicamente
se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente aparecerán cuando
estos experimenten cambios en sus estados termodinámicos. En las
interacciones que experimentan los sistemas, estos pueden recibir o ceder
energía. La energía se considera como una magnitud algebraica
estableciéndose el siguiente criterio: trabajo que proporciona el sistema positivo
y el que recibe negativo. Así mismo, el calor suministrado al sistema se
considera positivo y el cedido por él negativo.
Fig. 2.1 Criterio de signos para el intercambio energético
TRABAJO
Definición mecánica de trabajo: Es el producto de una fuerza por la distancia
recorrida en la dirección de la fuerza.
En Termodinámica esta definición no enlaza los conceptos de sistema,
propiedad y proceso. Por tanto es necesario definir trabajo
termodinámicamente.

6. DEFINICIÓN TERMODINÁMICA DE TRABAJO.
Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el único efecto en el medio
exterior pudiese ser el levantamiento de un peso. Ejm: un sistema formado por
una batería y un motor. En los límites del sistema se observa el trabajo
entregado por el motor a la rueda de paletas. Si se sustituye la rueda de
paletas por un conjunto de peso-polea, el único efecto externo a la frontera del
sistema será el levantamiento de un peso, Figura 2.2.
Fig. 2.2 Ilustración del trabajo de la rueda de paletas.
TRABAJO DE UN SISTEMA
Consideremos un arreglo cilindro-pistón que encierra una cierta masa de
gas que ejerce presión sobre la cara del pistón de superficie A. Si el pistón se
desplaza hacia la izquierda debido a la aplicación de una fuerza F externa se
dirá que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal
será:
Diciéndose en este caso que el gas ha sido comprimido. Figura 2.3

7. Fig. 2.3 Trabajo mecánico
El trabajo se puede expresar como:
El trabajo total se calcula como:
Para lo cual se hace preciso el conocimiento de la función P = P(V) que
relacione la presión con el volumen a lo largo de todo el proceso de interacción.
Fig. 2.4 El trabajo de la frontera realizado durante un proceso depende de la trayectoria
seguida y de los estados extremos.
Los estados de equilibrio 1 y 2 pueden conectarse por curvas diferentes
que representan a su vez transformaciones distintas. En la Figura 2.4 se

8. pueden visualizar des trayectorias diferentes que conectan los estados de
equilibrio 1 y 2. Como las superficies encerradas por cada una de las líneas
son diferentes entonces también lo serán los trabajos termodinámicos
correspondientes. Esto comprueba que el trabajo no es función de estado sino
de trayectoria por lo que su diferencial se representa como d W (diferencial
inexacta) en lugar de dW.
CALOR
Es la forma de energía que se transmite a través del límite de un sistema
que está a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una
temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos
sistemas.
El calor es una función de trayectoria y su diferencial es inexacta, luego
La cantidad de calor transmitida cuando el sistema queda sometido a un
cambio de estado del estado 1 al estado 2, depende de la trayectoria que siga
el sistema durante el cambio de estado.
COMPARACION ENTRE CALOR Y TRABAJO
Calor y trabajo son, ambos, fenómenos transitorios. Los sistemas nunca
tienen calor o trabajo, pero cualquiera o ambos cruzan los límites del sistema,
cuando éste sufre un cambio de estado.

9. Ambos, calor y trabajo, son fenómenos de límite. Ambos se observan
solamente en los límites del sistema y ambos representan la energía que cruza
el límite del sistema.
Ambos, calor y trabajo, son funciones de trayectoria y diferenciales inexactas.
Por convección +Q representa calor transferido al sistema y, que por tanto, es
energía añadida en él, y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto
representa energía que sale de él.
Fig. 2.5 Ilustración para indicar diferencia entre calor y trabajo
TRANFERENCIA DE ENERGIA
Al calentar un cuerpo, evidentemente se está gastando energía. Las
partículas que constituyen el cuerpo incrementan su actividad aumentando su
movimiento, con lo cual aumenta la energía de cada una de ellas y, por tanto,
la energía interna del cuerpo. Se sabe, que al poner en contacto dos cuerpos,
uno caliente y otro frío, el primero se enfría y el segundo se calienta. Esta
transferencia de energía desde el primer cuerpo hasta el segundo se lleva a
cabo de la manera siguiente: las partículas del cuerpo más caliente, que se
mueven más rápidamente por tener más energía, chocan con las partículas del
segundo que se encuentran en la zona de contacto, aumentando su
movimiento y, por tanto su energía. El movimiento de estas partículas se
transmite rápidamente a las restantes del cuerpo, aumentando la energía
contenida en él a costa de la energía que pierde en los choques las partículas

10. del primer cuerpo. La energía que se transfiere de un cuerpo a otro se
denomina calor. No es correcto afirmar que el calor se encuentra almacenado
en los cuerpos, lo que está almacenado en ellos es la energía, es decir, calor
es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro o de un sistema a otro. Los
cambios en el proceso de transferencia de energía se llevan a cabo en una
dirección, desde el que suministra dicha energía hasta el que la recibe.
Manifestaciones de la energía. La energía, en su proceso de transformación y
transferencia, va manifestándose de una forma a otra, originando así lo que
hoy en día constituye nuestro desarrollo científico y tecnológico,
comprendiéndose que ella desempeña un papel primordial en la vida del
hombre. Cuando encendemos la hornilla de la cocina de gas y ponemos a
calentar agua en un recipiente de metal, se lleva a cabo el siguiente proceso: el
combustible, que en éste caso es el gas, al quemarse libera la energía interna
que poseía y la transforma en energía calórica que es absorbida por el
recipiente y éste por el proceso de conducción la transmite al agua que hierve
para luego convertirse en vapor. Ese calor obtenido por el agua no es más que
la energía de las moléculas contenidas en ella. Se ha dicho y se dirá siempre
que el sol es la principal fuente de energía en la tierra, tanto es así, que sin él
sería casi imposible la subsistencia en nuestro planeta. Las reacciones
nucleares originadas en el interior del sol, debido a las grandes temperaturas,
dan como resultado una liberación de energía que llega hasta la tierra en forma
de radiación electromagnética. Esto trae como consecuencia el calentamiento
del agua contenida en los ríos, lagos y mares, la que a su vez se evapora
condensándose en las nubes. Estas a su vez se desplazan en diferentes
direcciones por efecto de los vientos, precipitándose luego en forma de lluvia.
Las precipitaciones se encargan de alimentar los ríos quienes a su vez fluyen
hacia los mares y océanos, cumpliéndose así el ciclo constante del agua,
gracias a la energía solar. El agua proveniente de las montanas es almacenada
en represas en forma de energía potencial. Al abrir las compuertas, el agua se
pone en movimiento, se dice que ha adquirido energía cinética- Esta energía
de movimiento hace rotar una turbinas, que a su vez son capaces de generar

11. energía eléctrica que posteriormente será transferida a las ciudades y
viviendas. En éstas últimas, la energía eléctrica es usada para obtener, energía
luminosa en los fluorescentes y bombillos, energía mecánica al encender la
licuadora o la lavadora, energía térmica al encender una plancha o la hornilla
de una cocina eléctrica. Por otro lado, también las plantas son capaces de
realizar sus funciones a través de la energía radiante proveniente del sol,
radiación que es absorbida a través de las hojas de tas plantas verdes para
realizar el proceso de la fotosíntesis. Al alimentarnos de plantas, utilizamos la
energía química extraída de esos alimentos para múltiples propósitos:
transmisión de impulsos nerviosos, crecer, realizar trabajos musculares etc. La
otra forma de energía acumulada en las plantas dala de millones de años atrás,
cuando una parte de organismos biológicos se fueron enterrando, originándose
en ellos una serie de transformaciones hasta convertirse en combustibles
fósiles (carbón, petróleo) que hoy en día constituyen fuente energéticas
importantes y de los cuales dependemos en gran parte. Estas fuentes de
energía han ido agolándose y de continuar así ya no tendremos recursos
energéticos.