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Sustancias puras y sus propiedades LATD01 – Termodinámica

Aprendizajes esperados • Caracterizar propiedades de sustancias puras. • Analizar el proceso de cambios de fases o estados. • Interpretar diagramas P-u, T-u y P-T.

Sustancia pura • Es toda aquella sustancia que tiene una composición química fija. • Ejemplo: • • • •

H2O N2 Cu CO2

SUSTANCIA PURA PURA SUSTANCIA

Sustancia pura

Una sustancia tiene una química fijaquímica recibe el denombre sustancia El pura. El Unaque sustancia que composición tiene una composición fijanombre recibe el de pura. sustancia agua, el nitrógeno, el helio y eleldióxido carbonodeson sustancias puras. agua, el nitrógeno, helio y de el dióxido carbono son sustancias puras.

• Una sustancia pura puede co-existir en diferentes estados de la Una sustancia no tiene deque un solo elemento compuesto químico. Una mezclaUna mezcla Unapura sustancia puraque no ser tiene ser de un solo oelemento o compuesto químico. materia (sigue siendo pura, pues se mantiene la composición). de diferentes elementos o compuestos químicos también es una sustancia pura, siempre que de diferentes elementos o compuestos químicos también es una sustancia pura, siempre que la mezcla sea homogénea (Ej.: el aire(Ej.: gaseoso). la mezcla sea homogénea el aire gaseoso). • Ejemplo:

2/25

2/25

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Líquido comprimido o líquido subenfriado • Corresponde a un líquido que no está a punto de evaporarse. • ¿Qué pasaría si la temperatura del líquido aumentara a 40ºC?

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

Estado 1

Sin emba mismo co

Líquido P = 1 atm T = 20 °C Calor

FIGURA 3-6 A 1 atm y 20 °C, el agua existe en la fase líquida (líquido comprimido).

Estado 2

Considere y 1 atm d fase líqui cual sign hasta aum temperatu su volum ligeramen este proc émbolo, q estado pu Confor 100 °C (e pero cual está a pu Un líquid estado 2 c

FIGURA 3-6 A 1 atm y 20 °C, el agua existe en la fase líquida (líquido comprimido).

Líquido saturado • Corresponde a un líquido que se encuentra a punto de evaporarse.

Estado 2

P = 1 atm T = 100 °C Calor

FIGURA 3-7 A 1 atm de presión y 100 °C, el agua existe como un líquido que está listo para evaporarse (líquido saturado).

Estado 3

hasta aum temperatu su volum ligeramen este proce émbolo, q estado pu Confor 100 °C (e pero cualq está a pun Un líquid estado 2 c

Vapor

Una vez q que se ev durante el comproba una estufa si la cacer llición, el disminuci cantidad d Casi a contiene c ferencia d última go de vapor, calor que a líquido) rado; por

FIGURA 3-7 A 1 atm de presión y 100 °C, el agua existe como un líquido que está listo para evaporarse (líquido saturado).

El proceso de ebullición • Cuando comienza la ebullición, la temperatura se mantiene estable (no aumenta), hasta que todo el líquido se evapora. Esto ocurre cuando la presión en el sistema es constante. • Observaremos que disminuye el volumen de líquido, pero aumenta el volumen del sistema por la aparición de vapor.

Estado 3

P = 1 atm T = 100 °C

Vapor saturado Líquido saturado

Calor

FIGURA 3-8 A medida que se transfiere más calor, parte del líquido saturado se evapora (mezcla saturada de líquido-vapor).

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una estuf si la cace llición, e disminuc cantidad Casi a contiene ferencia última g de vapor calor qu a líquido rado; po entre los líquido-v ten en eq Una v región d da como 3-10). E transfiere habría c 100 °C ( decir, no el agua e

115

CAPÍTULO 3

Vapor saturado

proceso de cambio de fase a presión constante se ilustra en la figura 3-11 a partir de un diagrama T-v. Si todo el proceso anterior se invierte, enfriando el agua mientras se maniene la presión en el mismo valor, el agua regresará al estado 1 trazando de nuevo la misma trayectoria, y de esta manera la cantidad de calor liberado corresponderá a la cantidad de calor suministrada durante el proceso de calenCorresponde a un vapor que se amiento. encuentra a punto de condensarse. En la vida cotidiana, “agua” significa agua líquida y “vapor” indica vapor de agua. Sin embargo, en termodinámica tanto el agua como el vapor significan sólo una cosa: H2O.

Temperatura de saturación y presión de saturación

Quizá no sea ninguna sorpresa saber que el agua comienza a hervir a 100 °C; in embargo, en sentido estricto, decir “el agua hierve a 100 °C” es incorrecto. El enunciado correcto es “el agua hierve a 100 °C a 1 atm de presión”. En el ejemplo anterior, la única razón por la que el agua comenzó a hervir a 100 °C fue porque la presión se mantuvo constante a 1 atm (101.325 kPa). Si a presión dentro del cilindro se elevara a 500 kPa añadiendo pesas en la parte uperior del émbolo, el agua empezaría a hervir a 151.8 °C. Es decir, la temperatura a la cual comienza a hervir el agua depende de la presión; en conecuencia, si la presión es constante, sucede lo mismo con la temperatura de ebullición. A una determinada presión, la temperatura a la que una sustancia pura cambia de fase se llama temperatura de saturación, Tsat. Del mismo modo,

Estado 4

P = 1 atm T = 100 °C

Calor

FIGURA 3-9 A 1 atm de presión, la temperatura permanece constante en 100 °C hasta que se evapora la última gota de líquido (vapor saturado).

Estado 5

P = 1 atm T = 300 °C

FIGURA 3-7 A 1 atm de presión y 100 °C, el agua existe como un líquido que está listo para evaporarse (líquido saturado).

Vapor húmedo • Es una mezcla saturada de líquidovapor. • La fase líquida y el vapor coexisten en equilibrio

Estado 3

P = 1 atm T = 100 °C

Vapor saturado Líquido saturado

Calor

FIGURA 3-8 A medida que se transfiere más calor, parte del líquido saturado se evapora (mezcla saturada de líquido-vapor).

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una estu si la ca llición, disminu cantida Casi contien ferencia última de vapo calor q a líquid rado; p entre lo líquido ten en e Una región da com 3-10). E transfie habría 100 °C decir, n el agua

Sin embargo, en termodinámica tanto el agua como el vapor signifiuna cosa: H2O.

Calor

FIGURA 3-9

eratura de saturación y presión uración

sea ninguna sorpresa saber que el agua comienza a hervir a 100 °C; rgo, en sentido estricto, decir “el agua hierve a 100 °C” es incorrecto. iado correcto es “el agua hierve a 100 °C a 1 atm de presión”. emplo anterior, la única razón por la que el agua comenzó a hervir a ue porque la presión se mantuvo constante a 1 atm (101.325 kPa). Si n dentro del cilindro se elevara a 500 kPa añadiendo pesas en la parte del émbolo, el agua empezaría a hervir a 151.8 °C. Es decir, la tema la cual comienza a hervir el agua depende de la presión; en cona, si la presión es constante, sucede lo mismo con la temperatura de Corresponde a un vapor de n. agua que continúa a determinada presión, la temperatura a la que una sustancia pura calentándose, y que no está a de fase se llama temperatura de saturación, Tsat. Del mismo modo, punto de condensarse. mperatura determinada, la presión a la que una sustancia pura cambia e llama presión de saturación, Psat. A una presión de 101.325 kPa, 99.97 °C; mientras que a una temperatura de 99.97 °C, Psat es de 101.325 kPa. e explicó en el capítulo 1, a 100.00 °C, Psat es 101.42 kPa en el ITS-90.) blas de saturación que muestran la presión de saturación en función mperatura (o temperatura de saturación contra la presión) están dispoácticamente para todas las sustancias. En la tabla 3-1 se ofrece, para

A 1 atm de presión, la temperatura permanece constante en 100 °C hasta que se evapora la última gota de líquido (vapor saturado).

Vapor sobrecalentado

P=

1a

tm

T, °C

300

rec

Va po r ale nta do

5

Estado 5

P = 1 atm T = 300 °C

Calor

FIGURA 3-10 Conforme se transfiere más calor, la temperatura del vapor empieza a aumentar (vapor sobrecalentado).

Tsat es de 99.97 °C; mientras que a una temperatura de 99.97 °C, Psat es de 101.325 kP (Como se explicó en el capítulo 1, a 100.00 °C, Psat es 101.42 kPa en el ITS-90 Las tablas de saturación que muestran la presión de saturación en funci de la temperatura (o temperatura de saturación contra la presión) están disp nibles prácticamente para todas las sustancias. En la tabla 3-1 se ofrece, pa

300

2

100

20

Mezcla saturada

3

sob

Va p rec or ale nta do

5

Líq com uido prim ido

Diagrama T-v para el proceso de calentamiento del agua

P=

1a

tm

T, °C

4

1

v

03Chapter_03.indd 115

Calor latente • Calor latente de fusión: cantidad de calor absorbida durante la fusión • Calor latente de evaporación: cantidad de calor absorbida durante la evaporación.

PROCESOS DE CAMBIO DE FASE DE SUSTANCIAS PURAS RESUMEN

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

4/25

El agua hierve a 100ºC à INCORRECTO

El agua hierve a 100ºC a 1 atm de presión à CORRECTO

comprobar lo anterior al colocar un termómetro comproba una estufa. A nivel del mar (P ! 1 atm), unaelestufa term FIGURA 3-7 FIGURA 3-7 si la cacerola está tapada o no con unasi tapa la cacer lige A 1 atm de presión y 100 °C, el agua A 1llición, atm de el presión °C, elobservable agua únicoy 100 cambio es llición, un gran el existe como un líquido que está listo para existe como un líquido que está listo para disminución constante en el nivel del disminuci líquido evaporarse (líquido saturado). evaporarse (líquido saturado). cantidad de éste convertido en vapor.cantidad d Casi a la mitad de la línea de evaporación Casi a contiene cantidades iguales de líquido contiene y vapoc eb ferencia de calor, el proceso de evaporación ferencia d última gota de líquido (estado 4, Fig.última 3-9). En got de vapor, el cual se halla en el borde de de vapor, la fase calor que pierda este vapor hará quecalor se conde que Estado 3 Estado 3 a líquido). Un vapor que está a punto a líquido) de cond rado; por lo tanto, el estado 4 es un estado rado; por de entre los estados 2 y 4 se conoce comoentre vaporlos húm e líquido-vapor, debido estados la Vapor Vapor a que en estoslíquido-va saturado saturado ten equilibrio. ten en equ P = 1 atm P 4.93 =en1 atm P= atm Líquido Líquido el proceso de cambio T = 100 °C T Una =T 100 °C completado, Una ved = ? vez saturado saturado región de una sola fase (esta vez vapor). regiónEndee Calor da comoCalor resultado un aumento de temperatura da como r 3-10). En el estado 5 la temperatura 3-10). del vapor En transfiere algo de calor del vapor, la temperatu transfiere FIGURA 3-8 FIGURA 3-8 Thabría = 151,8 ºC condensación siempre que la habría temperatu con A medida que se transfiere más calor, A medida se transfiere más calor, 100 °Cque (para P ! 1 atm). Un vapor 100 que °C no (p es parte del líquido saturado se evapora parte del líquido saturado se evapora decir, no es vapor saturado) se denomina decir,vapo no e (mezcla saturada de líquido-vapor). (mezcla saturada de líquido-vapor). el agua en el estado 5 es un vapor sobrecalent el agua en

Efecto de la presión en la T

“La temperatura a la cual comienza a hervir el agua depende de la presión; en consecuencia, si la presión es constante, sucede lo mismo con la temperatura de ebullición.”

1

2

Temperatura de saturación (Tsat): es la temperatura a la cual una sustancia pura cambia de fase.

Presión de saturación (Psat): es la presión a la cual una sustancia pura cambia de fase

Temperatura y presión de saturación

116

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

Tablas Tsat y Psat

TABLA 3-1 Presión de saturación (ebullición) del agua a distintas temperaturas Temperatura, T, °C

• Existen tablas que contienen valores de Tsat y Psat para diferentes sustancias puras. • Se extraen de libros.

"10 "5 0 5 10 15 20 25 30 40 50 100 150 200 250 300

Presión de saturación, Psat, kPa 0.26 0.40 0.61 0.87 1.23 1.71 2.34 3.17 4.25 7.39 12.35 101.4 476.2 12555 32976 82588

el agua, una la presión d debe ser de (alrededor d congelar al Para fund de energía. L de cambio energía abso vale a la can lar, la canti latente de e densación. L o presión en latente de fu es de 2 256. Durante temperatura entre ellas, e la ilustrada líquido-vap cias puras. Tras obse con Psat y q a temperatu significan ti el cocimient cacerola nor una olla a p de ebullición Tanto la disminuyen res alturas q ejemplo, la kPa, corresp

Curva de saturación líquido-vapor • La Tsat y Psat de una sustancia están relacionadas

• Refleja la combinación de valores de T y P en los cuales se produce la evaporación de una sustancia pura. FIGURA 3-12 Curva de saturación líquido-vapor de una sustancia pura (los valores numéricos son para el agua).

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res alturas que al nivel del mar (a menos que se use una olla a presión). ejemplo, la presión atmosférica estándar a una altura de 2 000 m es de 7 kPa, correspondiente a una temperatura de ebullición de 93.3 °C, a difere de los 100 °C al nivel del mar (altura cero). La variación de la temperatur ebullición del agua debida a la altura, en condiciones atmosféricas están se presenta en la tabla 3-2. Por cada 1 000 m de aumento, la temperatur ebullición desciende poco más de 3 °C. Observe que la presión atmosféric Psat, kPa

600

400

200

0 0

50

100

150

200 T sat,°C

¿Qué consecuencias tiene la relación entre Tsat y Psat?

!"#$ = 3 ()* +"#$ = 134℃

¿El agua hierve a la misma temperatura en invierno que en verano? Responda y justifique…

Respuesta: No, la variación puede ser mínima, porque en invierno y verano la presión 117 CAPÍTULO 3 atmosférica no es igual

a temperatura de ebullición, cambia ligeramente con las , pero este cambio no es mayor a 1 °C para la tempera-

cuencias de la dependencia

una sustancia a una presión específica hervirá a la temcorrespondiente a esa presión. Este fenómeno permite ura de ebullición de una sustancia de manera sencilla: e la presión, lo que tiene numerosas aplicaciones en la se presentan algunos ejemplos). Lo que está detrás es a lograr el equilibrio de fases, al permitir que cierta canapore actúa tras bambalinas. líquido refrigerante 134a está en una habitación a 25 °C. cido suficiente tiempo en la habitación, la temperatura 25 °C. Ahora, si la tapa se abre lentamente y se deja erante, la presión de la lata comenzará a disminuir hasta mosférica. Al sostener la lata se nota que su temperatura , e incluso se forma hielo en la parte externa si el aire mómetro introducido en la lata registra una temperatura presión desciende hasta 1 atm, que es la temperatura de ante 134a a esa presión. La temperatura del refrigerante

TABLA 3-2 Variación, con la altitud, de la presión atmosférica estándar y la temperatura de ebullición (saturación) del agua Altura, m 0 12000 22000 52000 102000 202000

Presión Temperatura atmosférica, de ebullikPa ción, °C 101.33 89.55 79.50 54.05 26.50 5.53

Vapor de N2 –196 °C

Cámara de prueba

100.0 96.5 93.3 83.3 66.3 34.7