Fase se refiere a una cantidad de materia la cual es homogénea tanto en composición química como en estructura. Homogeneidad




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fecha de publicación08.01.2016
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Termodinámica Unidad II

Unidad II

2.1 Propiedades de las sustancias puras.
Una sustancia pura es aquella que tiene solamente una composición química (homogénea) y esta es invariable. Ejemplos:

  • Agua H2O.

  • Aire.

  • Nitrógeno N2

  • Helio He

  • Dióxido de carbono C2O

  • Amoniaco HN3

  • Dióxido de Nitrógeno NO2

  • Monóxido de carbono CO

Una sustancia pura no tiene que estar conformada por un solo elemento o compuesto químico, una mezcla de estos también califica como una sustancia pura ejemplo:

  • Una sola fase Aire (mezcla de varios gases)

  • 2 fases hielo  Agua

  • Gasolina (mezcla homogénea – sustancia pura) C 8H18

Una mezcla de agua y aceite no es una sustancia pura.

Fases de una sustancia pura

El término Fase se refiere a una cantidad de materia la cual es homogénea tanto en composición química como en estructura. Homogeneidad en estructura significa que es toda sólida, toda liquida o todo vapor (o todo gas). Las sustancias existen en fases diferentes, por ejemplo a temperatura y presión ambiente el cobre e sólido, el mercurio es líquido y el nitrógeno es gas, pero en condiciones diferentes cada uno podría aparecer en una fase diferente.

Proceso de cambio de fases en una sustancia pura

Asumamos un sistema de 1 kilogramo de agua contenido dentro de un dispositivo cilindro embolo como se muestra en la figura 1.a:


Figura 1

En donde la temperatura inicial es de 20 oC y 1 atm (0,01 MPa) de presión, se transmite calor al agua, la temperatura aumenta apreciablemente, el volumen especifico solo ligeramente permaneciendo la presión constante. Cuando la temperatura alcanza los 100 oC resultara una transmisión de calor adicional, en el cambio de fase, como se muestra en la figura 1.c. esto es que parte del liquido se evapora y durante este proceso la temperatura y la presión permanecen constante pero el volumen especifico aumenta considerablemente, cuando la ultima gota de liquido se ha evaporado, la transmisión de calor ulterior se traduce en un aumento de la temperatura y del volumen especifico del vapor, figura 1.d. Este proceso lo podemos representar gráficamente mediante un grafico temperatura vs volumen específico como se muestra en la figura 2:


Figura. 2

Temperatura de saturación es la temperatura en la cual se efectúa la vaporización a una presión dada y esta presión se llama presión de saturación para la temperatura dada, el liquido que existe a esta temperatura y presión se llama liquido saturado y el liquidó que esta por debajo de la temperatura de saturación se llama liquido subenfriado o liquido comprimido. Si la sustancia solo existe como vapor a la temperatura de saturación se llama vapor saturado. Cuando el vapor esta a una temperatura mayor a la temperatura de saturación se llama vapor sobrecalentado.

En la figura 2, A representa el estado inicial, B el estado del líquido saturado a 100 oC y a una atmósfera de presión, La línea AB es el proceso durante el cual se calienta el liquido desde la temperatura inicial a la de saturación, la línea BC es el proceso a temperatura constante, en el cual tiene lugar un cambio de fase de liquido a vapor (mezcla saturada liquido-vapor, la fase liquida y de vapor están en equilibrio), la línea CD representa el proceso en el cual se sobrecalienta el vapor a presión constante, la temperatura y el volumen aumentan en este proceso.

Durante un proceso de cambio de fase resulta claro que la temperatura y la presión son propiedades dependientes y que hay una relación definida entre ellas, Tsat = f(Psat), Una grafica Tsat en función de Psat se muestra en la figura 3 para el agua y se llama curva de saturación liquido vapor, la cual es característica de todas las sustancias puras. En ella podemos observar que la Tsat se incrementa con la Psat y como consecuencia una sustancia a mayor presión hervirá a temperaturas más altas. Tanto la presión atmosférica como la temperatura de ebullición disminuyen con la altura.



Figura 3

Diagrama T-v

Anteriormente describimos el proceso de cambio de fase del agua a una presión de 1 atm (0,01 MPa), proceso que graficamos en la figura 2. Si repetimos el proceso para varias presiones podemos elaborar el diagrama T-v. Si fijamos la presión a 1 MPa por ejemplo, el agua hervirá a una temperatura mucho mas alta (179,9 oC) y segundo el volumen especifico del liquido saturado es mas grande y el del vapor saturado mas pequeño (ver Figura 4) que los valores correspondientes a 1atm, es decir la línea horizontal que conecta los estados liquido y vapor saturado es más corta, de tal manera que a medida que aumentamos la presión esta línea de saturación se acorta y se convierte en un punto a la presión de 22,06 MPa (para el caso del agua). Este punto se llama punto critico y se define como el punto en el que los estados de liquido saturado y de vapor saturado son idénticos.

La temperatura, la presión y el volumen específico de una sustancia en el punto crítico se denominan, respectivamente, temperatura critica Tcr, presión critica Pcr y volumen especifico critico vcr. Para el agua Tcr = 373,95 oC, Pcr = 22,06 MPa y el vcr = 0,003106 m3/kg.


Figura 4

A presiones superiores a la presión crítica no hay un proceso distinto de cambio de fase, pero el volumen específico aumenta en forma continua y en todo momento hay una sola fase presente, arriba del estado crítico no hay línea que separe las regiones de líquido comprimido y vapor sobrecalentado.

Si conectamos los estados de liquido saturado mediante una línea llamada línea de liquido saturado y los de vapor saturado mediante la línea de vapor saturado, las cuales se unen en el punto critico (ver Figura 5), quedando en la región izquierda de la línea de liquido saturado la región de liquido comprimido, en donde quedan todos los estados líquidos comprimidos y los de vapor sobrecalentados se encuentran a la derecha de la línea de vapor saturado, en la región de vapor sobrecalentado. En estas dos regiones la sustancia existen en una sola fase, liquida o vapor. Todos los estados que abarcan ambas fases en equilibrio es la llamada región de mezcla saturada de liquido-vapor o región húmeda.


Figura 5

Diagrama P-v

El diagrama P-v de una sustancia pura es similar al diagrama T-v, pero las líneas de temperatura constante tienen una tendencia hacia abajo como podemos observar en la figura 6. Para este caso asumamos agua liquida a 1 MPa de presión y a 150 oC, en este estado el agua existe como un liquido comprimido si quitamos presión al émbolo de manera que esta disminuya lentamente y se permite que el agua intercambie calor con el medio ambiente de tal manera que la temperatura permanezca constante, a medida que disminuye la presión el volumen del agua aumenta un poco, al alcanzarse la presión de saturación (0,4762 MPa) a la temperatura especificada el agua comienza a hervir. Durante este proceso de evaporación, tanto la temperatura como la presión permanecen constantes, pero el volumen específico aumenta. Cuando se evapora la última gota de líquido, la reducción adicional de la presión produce un aumento en el volumen específico. Cuando el proceso se repite para otras temperaturas se obtienen trayectorias similares para los procesos de cambio de fases, al unir mediante una curva los estados de líquido saturado y vapor saturado se obtiene el diagrama P-v de una sustancia pura como lo muestra la figura 6.



Figura 6
Inclusión de la fase sólida en los diagramas

En los diagramas mostrados hasta ahora solo están presentes los estados de equilibrio de las fases liquida y de vapor, al ampliar estos diagramas de tal manera que incluyan la fase sólida, se mostraran las regiones sólido-liquido y sólido-vapor

Figura 7


Los mismos principios aplicados en los procesos de cambio de fase liquido-vapor se aplican a los sólido-liquido y sólido-vapor. En los procesos de solidificación (congelación) algunas sustancias se contraen y otras se expanden (como el caso del agua) en la figura 7 se muestran los diagramas P-v para ambas sustancias (el de la izquierda sustancia que se contraen al solidificarse), los diagramas T-v se ven muy similares a los P-v. En estos diagramas podemos observar que las tres fases de una sustancia pura también coexisten en equilibrio, estos estados de tres fases forman una línea llamada línea triple.

Diagramas P-T o diagramas de fases

Se conocen como diagrama de fases porque las tres fases están separadas entre si por tres líneas: la de sublimación separa las regiones sólida y de vapor, la de evaporación separa las regiones liquida y de vapor y la de fusión separa las regiones sólida y liquida, estas tres líneas convergen en el punto triple, donde las tres fases coexisten en equilibrio, la línea de evaporización finaliza en el punto critico ya que por encima de esta es no es posible distinguir la fase liquida y de vapor, en la figura 8 mostramos este tipo de diagrama, las sustancias que se contraen y se expanden difieren solo de la línea de fusión.


Figura 8

El paso directo de la fase sólida a la fase de vapor se llama sublimación
Fluido: es una sustancia que se deforma continuamente, cuando se le aplica una fuerza tangencial, por muy pequeña que esta sea. En esta definición no se hace diferencia entre un liquido y un gas, aunque la diferencia entre un liquido y un gas es muy clara a presiones inferiores a la critica, el liquido toma la forma del recipiente que lo contiene y tiene un superficie libre; el gas lo llena todo completamente y no tiene una superficie libre, a presiones superiores a la critica no hay diferencia marcada entre líquidos y vapores.

Compresibilidad es una propiedad de la materia a la cual se debe que todos los cuerpos disminuyan de volumen al someterlos a una presión o compresión determinada manteniendo constantes otros parámetros. En termodinámica se define la compresibilidad de un sistema hidrostático como el cambio relativo de volumen frente a una variación de la presión.

Los fluidos encajan dentro de dos categorías que en general requieren un tratamiento diferente: los fluidos compresibles y los fluidos incompresibles. Un fluido es compresible cuando al variar la presión su volumen también varía notablemente mientras que es incompresible cuando sucede lo contrario.

Sistema simple es aquél en el que sólo hay un modo por el que la energía del sistema puede alterarse significativamente mediante trabajo cuando el sistema describe un proceso cuasiestático. El estudio de un gran número de sustancias y su comportamiento en diferentes procesos revela que a mayor número de sustancias presentes en un sistema, con más formas de intercambio de energía entre el sistema y sus alrededores, más propiedades se requerirán para describir el equilibrio en estado estable de un sistema. Por lo que 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 cuasiestático por cambio de volumen (trabajo PdV); en tanto que pura implica que las sustancias tienen una composición química homogénea e invariable. De en adelante nos referiremos a una sustancia pura simple y compresible solo como sistema simple compresible.

Dos propiedades termodinámicas intensivas e independientes bastan para establecer el estado termodinámico estable de un sistema simple compresible. Esto se conoce como postulado de estado para un sistema simple compresible. El postulado de estado afirma que, si dos de esas propiedades son independientes y conocidas, entonces todas las otras propiedades quedan especificadas en forma única. Si se conocen T y v para una sustancia pura y compresible, entonces P y u (energía interna especifica) tienen valores conocidos únicos. Matemáticamente, esto se expresa como: P = f(T, v) y u = f(T, v).

Calidad de un sistema saturado

Durante un proceso de evaporación, una sustancia existe como una parte liquida y otra de vapor, es una mezcla de liquido saturado y vapor saturado, figura 9, para analizar esta mezcla de manera apropiada, es necesario conocer en que proporciones se encuentra la fase liquida y de vapor. Esto se consigue definiendo una nueva propiedad llamada calidad x y es la razón entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla:



La calidad tiene significado para mezclas saturadas, de ahi que las regiones de liquido comprimido o vapor sobrecalentado no lo tengan, y su valor esta entre 0 y 1; la calidad de un sistema compuesto por liquido saturado sea de es 0 (0%) y la de uno compuesto por vapor saturado es de 1(1%).en estas mezclas saturadas, la calidad puede servir como una de las dos propiedades intensivas independientes necesarias para describir un estado.



Figura 9

Las propiedades del liquido saturado son las mismas ya sea que este exista solo o en una mezcla con vapor saturado. Durante el proceso de vaporización solo cambia la cantidad de líquido saturado, no sus propiedades, lo mismo sucede con el vapor saturado.




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