La sustancia pura tiene una composición fija e invariable. Puede existir en tres fases: sólida, líquida y gaseosa. La fase sólida tiene moléculas con posiciones fijas, la líquida tiene moléculas que flotan en grupos sin posición fija, y la gaseosa tiene moléculas separadas y en movimiento constante. El comportamiento de una sustancia pura puede representarse gráficamente a través de una superficie P-V-T, donde P es la presión, V el volumen, y T la temperatura.
2. Sustancia pura
Es un material homogéneo que siempre tiene la misma composición fija e
invariable y cuyas propiedades físicas y químicas son siempre las mismas.
Algunas pueden descomponerse mediante procesos químicos en otras
sustancias más simples como solido, liquido y gaseoso; ejemplo, el Cloruro
de sodio (sal común) , el azúcar,
3. Equilibrio de fase
Existen tres fases principales para una sustancia pura estas son: sólida, liquida y
gaseosa.
Fase Sólida
Las moléculas están separadas pequeñas distancias, existen grandes
fuerzas de atracción, las moléculas mantienen posiciones fijas unas con
respecto a las otras pero oscilan esta oscilación depende de la temperatura
Cuando la velocidad de oscilación
aumenta lo suficiente estas
moléculas se separan y empieza el
proceso de fusión.
4. Fase Líquida.
El espaciamiento molecular es parecido al de la fase sólida, excepto que las
moléculas ya no mantienen posiciones fijas entre si. Las moléculas flotan en
grupos.
Fase Gaseosa.
Las moléculas están bastante apartadas unas de otras y no existe un orden
molecular, estas se mueven de forma desordenada en continuo choque entre
ellas y con el recipiente que las contiene
5. • En general una fase se considera liquida si se puede evaporar por una
disminución de la presión a temperatura constante.
• Una fase se considera vapor si se puede condensar mediante una
reducción de temperatura a presión constante.
• En sustancias que tienen una presión de punto triple por encima de Patm la
sublimación es la única forma de pasar de fase solida a la de vapor en
condiciones atmosféricas.
Diagrama P-v de una sustancia que
se expande al congelarse.
6. Diagrama P-v de una sustancia que se
contrae al congelarse
SUPERFICIE P – v –T
Cualquier ecuación que tenga dos variables
independientes de la forma
Z = f(X, Y) se puede representar como una
superficie.
7. Por tanto es posible representar el
comportamiento P – v –T de una sustancia
como una superficie en el espacio.
Todos los puntos sobre la superficie
representan la totalidad de los estados a lo
largo de la trayectoria de un proceso de
cuasi equilibrio.
Estos superficies presentan gran cantidad
de
información pero es mas conveniente
trabaja
con diagramas P – v, T – v, P -T
8. 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 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
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
9. Para una masa de control difásica, la calidad varía desde 0, cuando la
masada 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 de identifica como v fg
10. Ecuaciones de estado para la fase vapor
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 = Rg
Ten donde, Rg= Ru/M.en que Rg
del gas, M el peso molecular y Ru
es la constante universal de logases. 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: R
u
= 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:
11. Estas ecuaciones se resuelven simultáneamente para obtener
las cuatro incógnitas siguientes:
1.- Presión
2.- Densidad
3.- Temperatura
4.- Velocidad
12. Superficie Termodinámica
Las superficies termodinámicas están formadas por presión (p),
volumen (v) y temperatura (T), que sería en resumen P-v-T. Estas
superficies son las que ayudan y permiten identificar los diferentes tipos
de estados y como estos pasan de un estado a otro, mas que todo, los
resultados se pueden representar en coordenadas rectangulares y es a
esto lo que se llama superficie P-v-T.
Estas superficies, presión (p), volumen (v) y temperatura (T) sirven para
calcular los valores que pertenecen a una sustancia de trabajo cuando se
encuentra en cualquier estado de la superficie.
Si una superficie tiene mayor temperatura que la temperatura crítica, no
será capaz de condensar a la fase líquida, independientemente de cuan alta
sea la presión que se ejerce sobre ella. Cuando la presión es mayor que la
presión crítica, el estado se conoce como estado supercrítico.
13. Se dice que es mejor trabajar con diagramas bidimensionales, ya que estos
diagramas pueden verse como proyecciones de una superficie tridimensional.
La gráfica se puede observar en tres dimensiones, en donde se
muestran como propiedades la presión (p), volumen (v) y temperatura (T),
mostrándose así los estados de una sustancia simple.
En esta gráfica se puede considerar T y v como variables independientes,
lo que sería la base y P la variable dependiente, lo que sería la altura. Todos
los puntos que se encuentren dentro de la superficie representan estados de
equilibrio. Donde existe solo una fase se muestran como superficies curvas
sobre la superficie P-v-T y las de dos fases se muestran como
perpendiculares al
