2 Sustancias Puras 2022 principios de termodinamica .pptx

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1. Sustancias Puras PRINCIPIOS DE TERMODINÁMICA Prof. David Montano La información contenido de estas diapositivas están tomadas del libro de Termodinámica de Cengel 5° Edición. Y son solo para uso didáctico.

2. 3.- Sustancia pura. 3.1 Fases de una sustancia pura. 3.2 Procesos de cambio de fase de sustancias puras. 3.3 Diagrama de propiedades para procesos de cambio de fase. 3.4 La superficie p-v-t. 3.5 Tablas de propiedades. 3.6 La ecuación de estado de gas ideal. 3.7 Factor de compresibilidad. Una medida de la desviación del comportamiento de gas ideal. 3.8 Otras ecuaciones de estado.

3. INTRODUCCIÓN LAS SUSTANCIAS PURAS Sistema simple Un sistema simple es aquel en el cual están ausentes los efectos del movimiento, viscosidad, esfuerzo de fluido . Sustancia homogénea Una sustancia que tiene propiedades termodinámicas uniformes se llama homogénea. Sustancia pura Una sustancia pura tiene una composición química homogénea e invariable y puede existir en más de una fase. Ejemplo de sustancias puras 1.- Agua ( en fase sólida , líquida , y de vapor) 2.-Mezcla de agua líquida y vapor de agua 3. - Dióxido de carbono , CO2 4.- Nitrógeno , N2 5.- Mezclas de gases, tales como el aire , en tanto no cambien de fase El aire, por ejemplo es una mezcla de varios gases, pero con frecuencia se considera como una sustancia pura porque tiene una composición química uniforme. El nitrógeno y el aire gaseoso son sustancias puras. Una mezcla de dos o más fases de una sustancia pura se sigue considerando una sustancia pura siempre que la composición química de las fases sea la misma. Una mezcla de agua líquida y gaseosa es una sustancia pura, pero una mezcla de aire líquido y gaseoso no lo es.

4. Fases de una sustancia pura. 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.   Fase Líquida El espaciamiento molecular en la fase líquida es parecido al de la fase sólida, excepto en que las moléculas ya no están en posiciones fijas entre sí y pueden girar y trasladarse libremente Fase Gaseosa En la fase gaseosa, las moléculas están bastante apartadas, no hay un orden molecular, se mueven al azar con colisiones continuas entre sí y contra las paredes del recipiente que las contiene.

5. Procesos de cambio de fase de sustancias puras Los cambios de fase ocurren a Temperatura constante y son función de la Presión a la que ocurren. Una sustancia a presiones mayores hervirá a temperaturas mayores. En todo proceso de cambio de fase la Presión y la Temperatura son propiedades dependientes.

6. Procesos de cambio de fase de sustancias puras A 1 atm y 20°C, el agua existe en la fase líquida (líquido comprimido). A 1 atm de presión y 100°C, el agua existe como un líquido que está listo para evaporarse (líquido saturado) A medida que se transfiere mas calor, parte del líquido saturado se evapora (mezcla saturada de líquido vapor). A 1 atm de presión, la temperatura permanece constante en 100°C hasta que se evapora la última gota de líquido (vapor saturado). Conforme se transfiere más calor, la temperatura del vapor empieza a aumentar (vapor sobrecalentado) Diagrama para el proceso de calentamiento del agua a presión constante  

7. 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. A una determinada presión, la temperatura a la que una sustancia pura cambia de fase se llama temperatura de saturación , . Del mismo modo, a una temperatura determinada, la presión a la que una sustancia pura cambia de fase se llama presión de saturación , .   Diagrama de procesos de cambio de fase a presión constante de una sustancia pura a diferentes presiones (los valores numéricos son para el agua).  

8. Diagrama T - v de una sustancia pura. Diagrama P- v de una sustancia pura. DIAGRAMA DE PROPIEDADES PARA PORCESOS DE CAMBIO DE FASE

9.     -           Lista parcial de la tabla A-4 Sustancia Pura Es una cantidad de materia cuya composición química es homogénea en todas sus partes sin importar la fase en que se encuentre Temperatura de Saturación (TS) Es la temperatura para la cual la primera gota de líquido se convierte en vapor a una presión dada. Presión de Saturación (PS) Es la presión para la cual la primera gota de líquido se convierte en vapor a una temperatura dada. Líquido Saturado (LS) Es el líquido que se encuentra a la temperatura y presión de saturación Líquido Comprimido o subenfriado Es un líquido que se encuentra a una temperatura menor que la de saturación para una presión dada o también que se encuentra a una presión menor que la presión de saturación a una temperatura dada. Vapor saturado seco (VSS) Es el vapor que se encuentra a las condiciones de temperatura y presión de saturación, pero no contiene líquido. Vapor sobrecalentado (VSC) Gases Es un vapor que se encuentra a una temperatura mayor que la de saturación. Son aquellos vapores que están altamente sobrecalentados.

10. Ejemplo 3.1 Cengel . Un recipiente rígido contiene 50 kg de agua líquida saturada a 90°C. Determine la presión en el recipiente y el volumen del mismo.

11. Ejemplo 3.2 Cengel . Un dispositivo que consta de cilindro-émbolo contiene de vapor de agua saturado a 50 psia de presión. Determine la temperatura y la masa del vapor dentro del cilindro.  

12. Ejemplo 3.3 Cengel Una masa de 200 gramos de agua líquida saturada se evapora por completo a una presión constante de 100 kPa . Determine a) el cambio de volumen y b) la cantidad de energía transferida al agua.

13. Mezcla saturada de líquido-vapor Durante un proceso de evaporación, una sustancia existe como una parte líquida y otra de vapor, es decir, es una mezcla de líquido saturado y vapor saturado Las cantidades relativas de las fases líquida y de vapor en una mezcla saturada se especifican mediante la calidad x . Calidad   Es una propiedad intensiva que se utiliza en los procesos en que están implicadas mezclas de líquido – vapor. Esta propiedad solo tiene significado para mezclas de líquido – vapor, no tiene significado en la zona de líquido comprimido o vapor sobrecalentado. Representa la cantidad de masa de vapor presente en la mezcla total. La calidad , permite la localización de estados dentro de la región vapor- líquido .     g= vapores, f=líquidos La calidad solo tiene significado para vapor húmedo       Por convención, un sistema de dos fases se puede tratar como una mezcla homogénea.   La calidad se relaciona con las distancias horizontales en diagramas P-v y T-v.

14. Así como se utilizó el anterior análisis para la calidad por medio del volumen, también aplica para la energía interna y para la entalpía.     El valor de un vapor húmedo yace entre los valores y a Temperatura o Presión especificadas.   La combinación suele encontrarse en el análisis de volúmenes de control.   Entalpía: Una propiedad de combinación     El producto presión volumen tiene unidades de energía. Energía interna U Energía total de un sistema, que comprende la energía cinética y potencial de todas sus partículas Entalpía H Cantidad máxima de energía térmica que puede extraerse de un sistema manteniendo la presión aproximadamente constante H=U+PV (KJ) h= u+Pv   Entropía S Describe la reversibilidad / irreversibilidad de un sistema y se relaciona con el grado de desorden y de energía no aprovechable del sistema .

15. Ejemplo 3.4 Cengel Un recipiente rígido contiene 10 kg de agua a 90 °C. Si 8 kg del agua están en forma líquida y el resto como vapor, determine a) la presión en el recipiente y b) el volumen del recipiente.

16. Ejemplo 3.5 Cengel Un recipiente de 80 L contiene 4 kg de refrigerante 134a a una presión de 160 kPa . Determine a) la temperatura, b) la calidad, c) la entalpía del refrigerante y d) el volumen que ocupa la fase de vapor.

17. Un líquido comprimido se puede aproximar como un líquido saturado a la temperatura dada. Vapor sobrecalentado Líquido comprimido

18. Ejemplo 3.6 Cengel Determine la energía interna del agua a 20 psia y 400 °F.

19. E jemplo 3.7 Cengel Determine la temperatura del agua en un estado donde P = 0.5 Mpa y h =2.890 kJ/kg.   Interpolación

20. Ejemplo 3.7 Cengel Determine la temperatura del agua en un estado donde P = 0.5 Mpa y h =2.890 kJ/kg.

21. Ejercicio 3.9 Cengel Para el agua, determine las propiedades faltantes y las descripciones de fase en la siguiente tabla: T °C P, KPa u, kJ/kg x Descripción de fase a) 120.21 200 1719.26 0.6 Mezcla saturada b) 125 232.23 1600 .535 Mezcla saturada c) 395.2 1000 2950 V.S.C. d) 75 500 313.99 Líquido comprimido e) 172.94 850 731 0.0 Líquido saturado

22. Para la mayor parte de las sustancias, las relaciones entre propiedades termodinámicas son demasiado complejas para expresarse por medio de ecuaciones simples; por lo tanto, las propiedades suelen presentarse en forma de tablas. TABLAS DE PROPIEDADES

23. Ejercicios 3:32 Cengel Un kilogramo de agua llena un depósito de 150 Litros a una presión inicial de 2Mpa. Después se enfría el depósito a 40 °C. Determine la temperatura inicial y la presión final del agua

24. Ejercicios 3:39 Cengel Diez kilogramos de refrigerante 134a llenan un dispositivo cilindro-émbolo de peso conocido de 1.595 m 3 a una temperatura de –26.4 °C. El contenedor se calienta ahora hasta que la temperatura llega a 100 °C. Determine el volumen final del refrigerante 134a.

25. Ejercicios 3:42 Cengel 10 kg de refrigerante 134a, a 300 kPa , llenan un recipiente rígido cuyo volumen es de 14 L. Determine la temperatura y la entalpía total en el recipiente. Ahora se calienta el recipiente, hasta que la presión es de 600 kPa . Determine la temperatura y la entalpía total del refrigerante, cuando el calentamiento se termina.

26. Ejercicios 3:61 Cengel Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene inicialmente 1.4 kg de agua líquida saturada a 200 °C. Entonces, se transmite calor al agua, hasta que se cuadruplica el volumen, y el vapor sólo contiene vapor saturado. Determine a) el volumen del recipiente, b) la temperatura y presión finales, y c) el cambio de energía interna del agua.

27. Ejercicios 3:64 Cengel En un principio, 100 g de refrigerante 134a llenan un dispositivo de cilindro-émbolo con carga constante, a 60 kPa y -20 °C. A continuación se calienta el dispositivo hasta que su temperatura es 100 °C. Determine el cambio en el volumen del dispositivo como resultado del calentamiento.

28. ECUACIÓN DE ESTADO DE GAS IDEAL Las palabras gas y vapor a menudo se utilizan como sinónimos y comúnmente a la fase de vapor de una sustancia se le llama gas cuando su temperatura es más alta que la temperatura crítica. EL vapor normalmente implica un gas que no se encuentra muy del estado de condensación. La ecuación del gas ideal se puede escribir de la siguiente forma:      

29. Ejercicios 3:75 Cengel Una masa de 2 kg de helio se mantiene a 300 kPa y 27°C en un contenedor rígido. ¿Qué capacidad tiene el contenedor en m3?

30. Ejercicios 3:78 Cengel Un recipiente de 1 m3 con aire a 25 °C y 500 kPa , se conecta con otro recipiente que contiene 5 kg de aire a 35 °C y 200 kPa , a través de una válvula. La válvula se abre y se deja que todo el sistema llegue al equilibrio térmico con los alrededores, que están a 20 °C. Determine el volumen del segundo recipiente y la presión final de equilibrio del aire.

31. Ejercicios 3:81 Cengel Un recipiente rígido cuyo volumen se desconoce está dividido en dos partes mediante una división. Un lado del recipiente contiene un gas ideal a 927 °C. El otro lado está al vacío y tiene un volumen del doble de la parte que contiene el gas. Posteriormente se quita la separación, y el gas se expande para llenar todo el recipiente. Por último, se aplica calor al gas hasta que la presión es igual a la presión inicial. Determine la temperatura final del gas.

32. Ejercicios 3:82 Cengel 0.6 kg de argón llenan un dispositivo de cilindro-émbolo, a 550 kPa . Se mueven el émbolo cambiando sus cargas, hasta que el volumen es el doble de su magnitud inicial. Durante este proceso, la temperatura del argón se mantiene constante. Calcule la presión final en el dispositivo.