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TERMODINÁMICa

ENCABEZADO

inicio sistema propiedades gases

INTRODUCCIÓN

Cualquier característica de un sistema se conoce como propiedad. Algunas propiedades familiares son presión P, temperatura T, volumen V, y masa m. La lista se puede extender para incluir las menos familiares como viscosidad, conductividad térmica, módulo de elasticidad, coeficiente de expansión térmica, resistividad eléctrica, y aún velocidad y elevación.

Las propiedades se clasifican en intensivas o extensivas. Las propiedades intensivas son aquellas que son independientes de la masa del sistema, como la temperatura, presión y densidad. Las propiedades extensivas son aquellas cuyo valor depende del tamaño o extensión del sistema. Masa total, volumen total, y momentum total son ejemplos de propiedades extensivas.

Las propiedades extensivas se transforman en intensivas dividiendo por la masa. Las propiedades por unidad de masa se conocen como específicas. El volumen específico se calcula dividiendo el volumen total V por la masa m.

v = V/m

Mueve el puntero del mouse sobre cada clase de propiedad para ver su definición y ejemplos

El estado termodinámico de un sistema es una colección de todas sus propiedades termodinámicas en un instante dado. Un proceso termodinámico ocurre cuando el estado de un sistema cambia. Algunos procesos termodinámicos incluyen isotérmico (temperatura constante), isobárico (presión constante), isométrico o isocórico (volumen constante) y adiabático (sin transferencia de calor).

  • Sustancia Pura

Una sustancia pura es aquella compuesta de sólo una especie química, la cual puede existir en más de una fase. Diferentes fases de una sustancia tienen la misma composición química pero diferente estructura física, tales como sólido, líquido y gas.

agua en tres fases

La anterior es una fotografía del parque nacional Yellowstone en los Estados Unidos, aquí se presenta el agua como vapor del geyser, como líquido en las piscinas, como nieve en el suelo y hielo.

Como el agua es una sustancia pura, una mezcla de vapor, agua líquida, nieve y hielo también es una sustancia pura. Ya es momento de otra actividad. Te invito a que identifiques si las sustancias propuestas son o no puras. Actividad 2

 

  • Cambio de fase y Superficie PvT: Diagrama 2-D, Regiones sobre el diagrama, Superficie PvT 3-D

P-v-T Calentamiento a Presión constante

Se tiene agua en el cilindro mostrado abajo, un pistón sin masa ni fricción sella la masa constante de agua del entorno. El entorno ejerce la presión atmosférica sobre el pistón. Junto con el peso se mantiene entonces la presión P1 dentro del cilindro en 2 atmósferas durante todo el proceso. El agua dentro del cilindro es calentada lenta y uniformemente. Como se puede esperar, después de algo de calentamiento el agua líquida empezará a cambiar a vapor de agua. En la animación de abajo se muestra este proceso de calentamiento en un diagrama T-v.

Note que con el calentamiento inicial el volumen específico del líquido no cambia marcadamente aunque la temperatura cambie. Luego como el primer vapor comienza a formarse la temperatura no cambia aunque el volumen específico está cambiando. En esta región de dos fases donde se tiene líquido y vapor la temperatura no cambia, esta es la región donde decimos que la presión, P, y la temperatura, T, no son independientes. Después que toda el agua líquida se ha convertido en vapor, la temperatura comienza a subir otra vez.

El mismo sistema pistón y cilindro se muestra abajo pero se le ha añadido peso de tal forma que la presión P2 es tres atmósferas. Sobre el diagrama T-v de abajo note que la línea de presión constante a lo largo de la cual el proceso se desarrolla es más alta que para 2 atmósferas y que la porción de dos fases (la línea horizontal) no es tan ancha.

De nuevo el mismo sistema a una presión supercrítica, en este proceso no se puede apreciar claramente el momento del paso de la fase líquida a la fase de vapor sobrecalentado.

Regiones sobre el diagrama T-v

En las animaciones mostradas antes, el proceso de calentamiento del agua se mostró sobre un diagrama T-v. La curva de saturación o domo se define como la curva que encierra la región de dos fases sobre el diagrama T-v. Un diagrama T-v se muestra abajo

regiones T-v

Regiones sobre el diagrama P-v

Algunas veces es conveniente mostrar la información de un proceso sobre un diagrama P-v. También, como en el diagrama T-v, la curva de saturación o domo se define como la curva que encierra la región de dos fases sobre el diagrama P-v. Un diagrama P-v se muestra abajo

regiones pv

La superficie P-v-T tridimensional

Los diagramas P-v y T-v mostrados antes pueden ser combinados en una sola superficie tridimensional como se muestra a continuación para una sustancia que se contrae cuando se congela. Note que en este diagrama, la región de fase sólida también se representa.

superficie pvt

  • Postulado de estado

Una sustancia pura es una sustancia que se compone de una sola especie química. Para especificar el estado de una sustancia pura dos propiedades intensivas independientes son necesarias. Ya es momento para otra actividad. Actividad 3

  • Tablas de Saturación y Calidad : Tablas de Saturación, Mezclas y Calidad, Líquido Comprimido, Vapor Sobrecalentado.

Uso de las tablas de saturación

Las propiedades sobre las líneas de líquido saturado y vapor saturado se listan en las tablas de saturación para una sustancia dada. El subíndice f hace referencia al líquido saturado y el subíndice g hace referencia al vapor saturado. El subíndice fg es la resta entre los dos valores.

Mezclas y calidad

Una mezcla es en parte líquido saturado y parte vapor saturado. Se pueden calcular las propiedades de la mezcla si se conoce cuánto de cada fase está presente. Esto se expresa por la calidad (x) de la mezcla, que es la fracción de masa de vapor.

x = masa de vapor / masa de la mezcla

Si sólo está presente vapor saturado, x = 1. Si sólo está presente líquido saturado, x = 0. Si ambas fases están presentes 0 < x < 1. Sobre un diagrama T-v o P-v, x es la fracción de distancia cruzada en el domo desde líquido saturado hacia vapor saturado.

Nótese que la calidad es la fracción de masa, no la fracción de volumen. El volumen específico, v, de una mezcla puede ser determinado si la calidad se conoce.

vmezcla = vf + xvfg

En conclusión:

Si la calidad es cero, entonces el volumen específico es el volumen específico del líquido saturado.

Si la calidad es uno, entonces el volumen específico es el volumen específico del vapor saturado.

Si la calidad está entre cero y uno, el volumen específico está entre los volúmenes específicos del líquido saturado y del vapor saturado.

 

Se pueden calcular todas la propiedades de la mezcla de las tablas de saturación como se hizo para el volumen específico. En algunas tablas los valores fg están calculados y tabulados, en otras se deberán calcular.

umezcla = u f + xufg

hmezcla = h f + xhfg

Recuerda que la temperatura y la presión no son propiedades independientes en una mezcla. Por lo tanto, estas dos propiedades intensivas no son suficientes para determinar el estado de una mezcla. Como un ejemplo el agua a 100°C y 101.1 kPa puede ser un líquido saturado, un vapor saturado, o una mezcla de los dos. Así que, aunque la temperatura y la presión de cada uno de estos estados son idénticas, sus volúmenes específicos, energías internas, y entalpías para los diferentes estados son bastante diferentes y sólo pueden ser determinados si la calidad de la mezcla es conocida.

Ejemplo de ejercicio con mezcla:

Asuma que un tanque de almacenamiento tiene un volumen de 1 m3 y contiene 10 kg de amoniaco a 20°C. ¿Cuál es la energía interna total del amoniaco en kJ?

tanque amoniaco

Solución: Para determinar la energía interna total (U) primero necesitamos definir el estado, para que la energía interna específica pueda ser encontrada en la tabla. Recuerda que para definir el estado necesitamos dos propiedades intensivas independientes.

Tablas de vapor sobrecalentado

Un vapor sobrecalentado es una substancia calentada por encima de su temperatura de saturación para una presión o expandida debajo de presión de saturación para una temperatura dada. En las tablas de vapor sobre calentado se tabulan los datos de v,u,h y s para una determinada presión a diferentes temperaturas. Como en la mayoría de los casos el dato de presión y temperatura no se encuentra en la tabla es necesario interpolar dos veces, una para tempetarura y luego para presión.

vapor sobrecalentado

Si entra vapor a una turbina a 3000 kPa y 400 ºC. ¿Está sobrecalentado el vapor?

Si

No

TABLAS DE LÍQUIDO COMPRIMIDO.

Un líquido comprimido o subenfriado es una sustancia enfriada por debajo de su temperatura de saturación para una presión dada o comprimido por encima de su presión de saturación para una temperatura dada. Para la mayoría de sustancias es dificil encontrar tablas de líquido comprimido pero se acostumbra asumir que el el volumen específico de una sustancia a una presión por encima de la de saturación es aproximadamente igual al del líquido saturado a la temperatura especificada, esto se debe a que la fase líquida se aproxima bastante al comportamiento incompresible. Para calcular las entalpías se utilizan los calores específicos.

liquido comprimido

El agua de una cienaga al nivel del mar se encuentra a presión atmosférica (14.7 psi libras por pulgada cuadrada) y 70ºF. ¿Es el agua un líquido comprimido?

Si

No

Ahora ya es momento para otra actividad. Actividad 4

Sergio Antonio Muñoz Pinzón, seanmup@yahoo.es