Chapter 3PROPERTIES OF PURE SUBSTANCES

Mehmet Kanoglu

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Thermodynamics: An Engineering Approach, 6th EditionYunus A. Cengel, Michael A. Boles

McGraw-Hill, 2008

Adaptado por Maria Vilma García Buitrago y Gustavo Adolfo Patiño Jaramillo

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Objectives• Introduce the concept of a pure substance.

• Discuss the physics of phase-change processes.

• Illustrate the P-v, T-v, and P-T property diagrams and P-v-T surfaces of pure substances.

• Demonstrate the procedures for determining thermodynamic properties of pure substances from tables of property data.

• Describe the hypothetical substance “ideal gas” and the ideal-gas equation of state.

• Apply the ideal-gas equation of state in the solution of typical problems.

• Introduce the compressibility factor, which accounts for the deviation of real gases from ideal-gas behavior.

SUSTANCIA PURA

Una sustancia que tiene una composición química fija recibe el nombre de sustancia pura. El

agua, el nitrógeno, el helio y el dióxido de carbono son sustancias puras.

Una sustancia pura no tiene que ser de un solo elemento o compuesto químico. Una mezcla de diferentes elementos o compuestos químicos también es una sustancia pura, siempre que la mezcla sea homogénea (Ej.: el aire gaseoso).

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FASES DE UNA SUSTANCIA PURA

a) Las moléculas están en posiciones relativamente fijas en un sólido

b) Grupos de moléculas que se mueven alrededor una de otra en la fase líquida

c) Las moléculas se mueven al azar en la fase gaseosa

El gas debe liberar una gran cantidad de energía antes de que pueda condensarse o congelarse

3/25http://www.educaplus.org/gases/estagregacion.html

PROCESOS DE CAMBIO DE FASE DE SUSTANCIAS PURAS

En vista de que es una sustancia familiar, se empleará el agua para demostrar los principios básicos; sin embargo, recuerde que en todas las sustancias puras se observa el mismo comportamiento general.

Líquido comprimido o subenfriado

Líquido saturado

Proceso en la mitad de la línea de evaporación

Vapor saturado

Vapor sobrecalentado

Mezcla saturada de líquido - vapor

4/25http://www.youtube.com/watch?v=6znAQfooSec&NR=1

PROCESOS DE CAMBIO DE FASE DE SUSTANCIAS PURAS

DEFINICIONES

• Líquido comprimido o líquido subenfriado: es un líquido que no está a punto de evaporarse.

• Líquido saturado: es un líquido que está a punto de evaporarse.

• Vapor saturado: es un vapor a punto de condensarse.

• Mezcla saturada de líquido-vapor: es cuando las fases líquida y de vapor coexisten en equilibrio.

• Vapor sobrecalentado: es un vapor que no está a punto de condensarse.

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DIAGRAMA T-ν PARA EL PROCESO DE CAMBIO DE FASE A P CTE

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TEMPERATURA Y PRESIÓN DE SATURACIÓN

¿Es correcta la afirmación: “El agua hierve a 100°C”?

El enunciado correcto es: “el agua hierve a 100°C con 1 atm de presión”

La temperatura a la que el agua empieza a hervir depende de la presión; en consecuencia, si la presión es constante, lo mismo sucede con la temperatura de ebullición.

A una presión dada, la temperatura a la que una sustancia pura cambia de fase se llama temperatura de saturación Tsat. Del mismo modo, a una temperatura determinada, la presión a la que una sustancia pura cambia de fase recibe el nombre de presión de saturación Psat.

A una presión de 101.325 kPa, Tsat es 100°C. En sentido inverso, a una temperatura de 100°C, Psat

es 101.325 kPa.

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VER

TEMPERATURA Y PRESIÓN DE SATURACIÓN

Durante un proceso de cambio de fase la presión y la temperatura son propiedades dependientes y con una relación muy clara entre ellas: Tsat = f (Psat).

Se observa de la figura (llamada curva de saturación de líquido-vapor), que Tsat aumenta con Psat. En consecuencia, una sustancia a presiones mayores hervirá a presiones más altas. En la cocina las temperaturas de

ebullición más altas significan tiempos de cocción más cortos y ahorros de energía.

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TEMPERATURA Y PRESIÓN DE SATURACIÓN

La presión atmosférica y, en consecuencia, la temperatura de

ebullición del agua disminuyen con la altura. Por lo tanto, la cocción tarda más a mayores alturas que al nivel del mar (a menos que se use una olla de presión).

Por cada 1000 m de aumento en la altura, la temperatura de ebullición desciende un poco más de 3°C.

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DIAGRAMAS DE PROPIEDADES PARA PROCESOS DE CAMBIO DE FASE

1. DIAGRAMA T – ν

Observe que conforme aumenta la presión, la línea horizontal que conecta los estados de líquido saturado y de vapor saturado es más corta, y se convertirá en un punto.

El punto crítico es el punto en el que los estados de líquido saturado y de vapor saturado son idénticos.

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DIAGRAMAS DE PROPIEDADES PARA PROCESOS DE CAMBIO DE FASE

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DIAGRAMAS DE PROPIEDADES PARA PROCESOS DE CAMBIO DE FASE

A presiones mayores que la crítica, no habrá un proceso definido de cambio de fase. En lugar de eso, el volumen específico de la sustancia estará en continuo aumento y en todo momento sólo habrá una fase presente. Al final se asemejará al vapor, pero no se podrá decir cuándo ocurrió el cambio.

Arriba del estado crítico no hay una línea que separe la región de líquido comprimido y la de vapor sobrecalentado.

Sin embargo, es común denominar a la sustancia como vapor sobrecalentado a temperaturas por encima de la crítica y como líquido comprimido cuando está por debajo de la temperatura crítica.

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DIAGRAMA P – ν

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DIAGRAMA P – T

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P-v-T surface of a substance that contracts on freezing.

P-v-T surface of a substance that expands on freezing (like water).

The P-v-T surfaces present a great deal of information at once, but in a thermodynamic analysis it is more convenient to work with two-dimensional diagrams, such as the P-v and T-v diagrams.

TABLAS DE PROPIEDADES

En la explicación siguiente, se utilizarán tablas de vapor para mostrar el uso de tablas de propiedades termodinámicas. Las tablas de propiedades de otras sustancias se utilizan de la misma manera.

ENTALPÍA: UNA COMBINACIÓN DE PROPIEDADES

En el análisis de ciertos tipos de procesos, en particular la generación de potencia y en refrigeración, a menudo se encuentra la combinación de propiedades U + PV. Por simplicidad y conveniencia esta combinación se define como una nueva propiedad, la entalpía, y se representa mediante el símbolo H:

H = U + PV (kJ ó Btu)

o, por unidad de masa,

h = u + Pν (kJ/kg ó Btu/lbm)

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TABLAS DE PROPIEDADES

1. ESTADOS DE LÍQUIDO SATURADO Y DE VAPOR SATURADO (TABLAS A.4 Y A.5)

Las propiedades de líquido saturado y de vapor saturado para el agua se enumeran en las tablas A.4 y A.5. Ambas proporcionan la misma información. La única diferencia es que en la tabla A.4 las propiedades se presentan bajo la temperatura (dato de entrada) y en la tabla A.5 bajo la presión (dato de entrada).

El subíndice:

f se emplea para indicar propiedades de un líquido saturadog para las propiedades de vapor saturadofg para indicar la diferencia entre los valores de vapor saturado y líquido saturado

La cantidad hfg se llama entalpía de vaporización (o calor latente de vaporización). Representa la cantidad de energía necesaria para evaporar una masa unitaria de líquido saturado a una temperatura o presión determinada.

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TABLAS DE PROPIEDADES

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TABLAS DE PROPIEDADES

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TABLAS DE PROPIEDADES

2. MEZCLA SATURADA DE LÍQUIDO – VAPOR (TABLAS A.4 Y A.5)

Durante un proceso de evaporación, una sustancia existe como una mezcla de líquido y vapor saturados. Para analizar esta mezcla de manera apropiada, es necesario conocer las proporciones de las fases líquida y de vapor en la mezcla. Esto se obtiene al definir una nueva propiedad llamada la calidad x como la razón entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla:

Donde mtotal = mlíquido + mvapor = mf + mg

La calidad tiene significado sólo para mezclas saturadas. No tiene significado en las regiones de líquido comprimido o de vapor sobrecalentado. Su valor se encuentra siempre entre 0 (líquido saturado) y 1 (vapor saturado).

En mezclas saturadas, la calidad puede servir como una de las dos propiedades intensivas independientes necesarias para describir un estado.

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PURE SUBSTANCE

TABLAS DE PROPIEDADES

Para calcular el valor de una propiedad de una mezcla saturada (estados dentro de la campana), podemos utilizar las siguientes ecuaciones:

Observe que una forma alternativa para encontrar el valor de la calidad podría ser:

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TABLAS DE PROPIEDADES

3. VAPOR SOBRECALENTADO (TABLA A.6)

El vapor sobrecalentado se caracteriza por:

Presiones menores (P < Psat a una T dada)

Temperaturas mayores (T > Tsat a una P dada)

Volúmenes específicos mayores (ν > νg a una P o T dadas)

Energías internas mayores (u > ug a una P o T dadas)

Entalpías mayores (h > hg a una P o T dadas).

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TABLAS DE PROPIEDADES

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TABLAS DE PROPIEDADES

4. LÍQUIDO COMPRIMIDO (TABLA A.7)

El líquido comprimido se caracteriza por:

Presiones mayores (P > Psat a una T dada)

Temperaturas menores (T < Tsat a una P dada)

Volúmenes específicos menores (ν < νf a una P o T dadas)

Energías internas menores (u < uf a una P o T dadas)

Entalpías menores (h < hf a una P o T dadas).

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TABLAS DE PROPIEDADES

En la literatura no existen muchos datos para líquido comprimido. Esto debido a la relativa independencia de las propiedades de líquidos comprimidos de la presión.

Ante la falta de datos de líquido comprimido, una aproximación general es considerar al líquido comprimido como un líquido saturado a la temperatura dada.

Es decir:

ν ≈ νf @ T

u ≈ uf @ T

h ≈ hf @ T

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TABLAS DE PROPIEDADES

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