Propiedades de Sustancias Puras en el Estudio de la Termodinámica

Propiedades de Sustancias Puras - Termodinámica

1. Propiedades de las Sustancias Puras

2. ¿Qué es un sustancia pura? Se dice que una sustancia es pura cuando su composición química es homogénea , es decir, no varía independientemente de la fase en que se encuentre (sólido - líquido - gas). Superficies Termodinámicas: S e debe comenzar diciendo que una sustancia pura tiene solamente dos propiedades intensivas independientes . Partiendo de esto, se pueden representar una superficie P-v-T trazadas en coordenadas perpendiculares dos a dos y se representa cada estado en equilibrio posible por un punto en dicha superficie.

3. Superficie P-v-T de una sustancia que se expande al congelarse ( como el agua ). Punto crítico Sólido Línea triple Líquido- vapor Volumen Temperatura Presión Sólido-vapor

4. Superficie P-v-T de una sustancia que se contrae al congelarse . (CO 2 , Parafina) Punto crítico Sólido-líquido Sólido Líquido Línea triple Gas Líquido- vapor Volumen Temperatura Presión Sólido-vapor

5. Estado 1 Agua en fase líquida Estado 2 Agua en fase líquida y está lista para evaporarse (Liquido Saturado) Estado 3 a medida que se transfiere más calor, parte del líquido saturado se evapora (Mezcla saturada de líquido vapor) Estado 4 La temperatura permanece constante hasta que se evapora la última gota de líquido (Vapor Saturado) Estado 5 Conforme se transfiere más calor, la temperatura del vapor empieza a aumentar (Vapor Sobrecalentado) ESTADO 2 Calor ESTADO 1 Suministro de Energía en forma de Calor ESTADO 4 Calor ESTADO 5 Calor ESTADO 3 Calor Vapor Saturado Líquido Saturado

6. V Diagrama Presión Vs. Temperatura

7. Diagrama T-v de una sustancia pura . Punto crítico REGIÓN DE LÍQUIDO-VAPOR SATURADO REGIÓN DE VAPOR SOBRECALENTADO REGIÓN DE LÍQUIDO COMPRIMIDO Línea de líquido saturado Línea de vapor saturado 1 2 150 100

8. Diagrama P-v de una sustancia pura . Punto crítico REGIÓN DE LÍQUIDO COMPRIMIDO REGIÓN DE VAPOR SOBRECALENTADO REGIÓN DE LÍQUIDO-VAPOR SATURADO Línea de líquido saturado Línea de vapor saturado 1 175 kPa M3/kg Área = 1w2 Exp. Al Definir el estado se pueden conocer todas sus propiedades Termodinámicas: Presión Temperatura Volumen Específico Energía Interna = U o u Entalpía= H o h Entropía= S o s Volumen= V Densidad= 

9. Tabla A-4 Agua saturada . Tabla de Temperaturas Tabla de Propiedades de las sustancias puras Presión saturación Volumen específico Temperatura Líquido saturado Vapor saturado Presión de saturación Correspondiente a esa T Volumen específico de vapor saturado Volumen específico de líquido saturado sat

10. Tabla A-6 Vapor de agua sobrecalentado

11. Mezcla Saturada El valor de v de una mezcla saturada líquido-vapor está entre los valores v f y v g a T o P especificados % Líquido y % Vapor =Calidad x Mezcla Saturada Vapor Sobrecalentado T Estado  T sat . @ P P estado  P sat . @ T v Estado  v g Vapor saturado @ T o P Líquido comprimido T Estado  T sat . @ P P Estado  P sat . @ T v Estado  v f líquido saturado @ T o P Mezcla Saturada T Estado = Tsat. @ P P Estado = Psat. @ T

12. Mezcla Saturada Líquido – Vapor x = Calidad de la mezcla Se define como el porcentaje de vapor contenido en la mezcla

13. Relación de Propiedades con la Calidad de la Mezcla x

14. Gas Ideal Un gas ideal es un gas teórico compuesto de un conjunto de partículas puntuales con desplazamiento aleatorio que no interactúan entre sí. El concepto de gas ideal es útil porque el mismo se comporta según la ley de los gases ideales según una ecuación de estado simplificada. Gas

15. Diagramas Termodinámicos - Gases Ideales Al representar la ecuación de estado de un gas ideal ; Pv = RT en un sistema tridimensional P-v-T se obtiene que las líneas isotermas (T= cte ) ubicadas sobre la superficie tienen forma de hipérbolas, y esto se debe a que el producto Pv es constante , entonces las condiciones de presión y volumen se representan entonces mediante líneas rectas. P-v P-T V-T P v T=cte P T v = cte v T P=cte

16. ECUACIÓN DE ESTADO DE GAS IDEAL P v = R T PV = m R T Donde: P = Presión absoluta v = Volumen específico T = Temperatura absoluta (K o R) V = Volumen m = Masa R = Constante de los Gases R u R = (kJ/ kg.K o kPa.m 3 / kg.k ) M R u = Constante universal de los gases M = Masa Molar (o peso molecular) La Constante de los Gases R es diferente para cada gas, se determina a partir de:

17. Constante Universal de los Gases Ru

18. Relación entre la masa, m y la Masa molar, M Donde: m = masa M = Masa Molar o peso molecular N = número de moles Los valores de R y M están en las tablas

19. ENTALPIA (H) La entalpía es una propiedad que junto a la energía interna se utiliza para los balances de energía, y se define mediante la siguiente ecuación: H = U + PV Por unidad de masa: h = u + Pv ya que es casi imposible medir la entalpía y la energía interna, se desarrollan las siguientes ecuaciones en función de P, v y T

20. Se expresa u = f( T,v ) Donde: se le da el nombre de: Capacidad Térmica Específica a Volumen Constante Cv (cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de una masa unitaria contenida en un recipiente rígido en un grado) Unidades de Cv en (kJ/ kg.K ) (BTU/ lb.R ) ENERGÍA INTERNA (U)

21. Se expresa h = f( T,v ) ENTALPIA (H) Donde: se le da el nombre de: Capacidad Térmica Específica a Presión Constante Cp (cantidad de calor necesaria para cambiar la temperatura de una masa unitaria contenida en un recipiente rígido en un grado) Unidades de Cv en (kJ/ kg.K ) (BTU/ lb.R )

22. Al sustituir du y dh , se tiene: Para gases ideales la variación de la Entalpía y de la Energía Interna se Calcula: du = Cv dT = Cv (T 2 -T 1 ) dh = Cp dT = Cp (T 2 -T 1 ) La Energía Interna y la Entalpía Están función de la Temperatura entonces: Cp - Cv = R ENERGÍA INTERNA (U) Y ENTALPIA - GASES IDEALES

23. 1. Un tanque rígido bien aislado térmicamente contiene 5 kg. de una mezcla saturada líquido-vapor de agua a 100 KPa . Al inicio, tres cuartas partes de la masa están en la fase líquida. Una resistencia eléctrica localizada en el tanque se conecta a una fuente de 110 V (Voltios) y fluye una corriente de 8 A (Amperios) a través de la resistencia cuando el interruptor está encendido. Determine cuanto tiempo tomará vaporizar todo el líquido en el tanque. Además muestre el proceso sobre un diagrama T-v (Temperatura-Volumen) con respecto a las líneas de saturación. Respuesta: Tiempo = 153.1 minutos T 2 T 1 P 2 P 1 = 100 KPa Problemas Aplicados

24. Un muelle (resorte) está unido en su longitud natural a un émbolo (pistón), se suministra energía hasta que la presión en el cilindro es 400 Kpa . Calcúlese el trabajo realizado por el gas sobre el émbolo. Presión Atmosférica = 75 Kpa Respuesta: 0.2976 KJ K = 1 KN/m Q Gas Sin Fricción 50 mm d Problemas Aplicados

25. Un Sistema Cilindro-Pistón contiene dos kilogramos de agua a 300 °C; la sustancia pasa por un proceso a temperatura constante pero con un cambio de volumen de 0.02 a 0.17 m 3 . El trabajo que se produce es 889 KJ. Determinar: a) la presión final en Bares b) La transferencia de Calor en KJ. Además dibuje el proceso en un diagrama P-v (Presión-Volumen), relativo a las líneas de saturación. Respuesta: a) P = 28.91 Bares b) Q = 2685.72 KJ 1 2 P 1 P 2 V 1 V 2 Temperatura Constante T = 300 °C Problemas Aplicados