http://s3.amazonaws.com/lcp/victorunefatermodinamica/myfiles/tabla.pptSUSTANCIAS PURAS

Se considera una sustancia pura aquella que mantiene la misma composición química en todos los estados. Una sustancia pura puede estar conformada por mas de un elemento químico ya que lo importante es la homogeneidad de la sustancia. El aire se considera como una sustancia pura mientras se mantenga en su estado gaseoso, ya que el aire está conformado por diversos elementos que tienen diferentes temperaturas de condensación a una presión específica por lo cual al estar en estado líquido cambia la composición respecto a la del aire gaseoso.

Ejemplos de sustancias puras son: el agua, el nitrógeno, el helio y el dióxido de carbono.

Nota: recordar que es incorrecto hablar de estado sólido, líquido y gaseoso. Esas son "fases" de una sustancia. Podemos tener infinitos "estados" en una sustancia con el solo hecho de variar las propiedades intensivas independientes que lo determinan.

Conclusión: si una sustancia está como hielo está en "fase" sólida. Si una sustancia está a presión atmosférica, digamos agua, a una temperatura de -15ºC, tendremos que está en un estado 1, y si aumentamos la temperatura hasta -10ºC, aún a presión atmosférica, tendremos un estado 2 diferente al estado 1, y tendremos dos estados distintos para la misma fase ya que en ambos casos la sustancia se mantuvo como hielo, es decir, en fase sólida.

 

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

 

LIQUIDO COMPRIMIDO O LIQUIDO SUBENFRIADO

En una sustancia pura significa que está en estado líquido y que no está a punto de evaporarse sino que le falta una adición de calor o un cambio negativo en la presión para hacerlo.

Si hablamos de líquido subenfriado entendemos que la sustancia está como líquida a una temperatura menor que la temperatura de saturación ( T < Tsat) para una presión determinada.

Si hablamos de líquido comprimido entendemos que la sustancia está como líquida a una presión mayor que la presión de saturación (P > Psat) a una temperatura determinada.  

LIQUIDO SATURADO

Es aquel que está a punto de evaporarse. Es importante notar que cuando una sustancia pura está como líquido saturado ésta se halla totalmente en ese estado, como líquido, nada de vapor ya que está a punto de comenzar a crearse a partir del agua líquida saturada.

 

VAPOR SATURADO O VAPOR SATURADO SECO

Es un vapor que está a punto de condensarse. En esta fase la sustancia está toda como vapor y es necesario retirar calor o aumentar la presión para provocar que se generen gotas de líquido.

VAPOR SOBRECALENTADO

Es vapor que está a una temperatura más alta que la temperatura de vapor saturado, por lo cual la sustancia sigue estando toda como vapor pero ya no estará a punto de condensarse o de formar pequeñas gotas de líquido.

Si hablamos de vapor sobrecalentado entendemos que la sustancia está como toda vapor a una temperatura mayor que la temperatura de saturación ( T > Tsat) para una presión determinada. 

TEMPERATURA DE SATURACIÓN Y PRESIÓN DE SATURACIÓN

La forma más simple de entender estos conceptos es por medio de un ejemplo:

Siempre hemos sabido que el agua ebulle, o se comienza a evaporar, a 100ºC, pero lo hace a esa temperatura porque la presión a la que se encuentra es la presión atmosférica que es 1 atmósfera. Conclusión: la temperatura a la cual una sustancia pura comienza a cambiar de fase, bien sea comenzando a transformarse de agua a vapor (líquido saturado) o de vapor a líquido (vapor saturado), se llama temperatura de saturación, y esta temperatura de saturación siempre va a tener ligada una presión que se llamará presión de saturación.

Ahora, volviendo al ejemplo, si preguntan en una clase cual es la temperatura de saturación para el agua a una presión de 1 atm = 101.325 kPa, la respuesta correcta sería 100ºC. Y si preguntan sobre la presión de saturación para una temperatura de 100ºC la respuesta correcta sería 1 atmósfera.

En pocas palabras, presión de saturación es la temperatura de ebullición para una presión determinada y la presión de saturación es la presión de ebullición para una temperatura determinada.

 

VAPOR SATURADO + LIQUIDO SATURADO

Es un estado en donde dentro de un sistema tenemos líquido al mismo tiempo que tenemos vapor. Un ejemplo de esto es la preparación de una sopa en una olla a presión en donde al cabo de algunos minutos habrá agua y vapor dentro de ella a cierta presión única para ambas fases de la sustancia.

Cuando hablamos de líquido mas vapor se sobreentiende que existe la "CALIDAD". La calidad es la cantidad de masa de vapor con respecto a la cantidad de masa total de la sustancia. Es decir, si está como toda vapor, calidad = 1, si está como todo líquido, calidad = 0, porque no hay nada de masa en fase vapor debido a que toda la masa está como líquido.

CALIDAD

Como habíamos dicho, es la cantidad de masa de vapor presente con respecto a la cantidad de masa total dentro del volumen de control. Estas son ecuaciones para hallar la calidad de una sustancia pura.

 

Donde  vprom: volumen específico promedio.  vf: volumen específico del líquido.

vg: volumen específico del vapor.

    CALOR LATENTE

Calor necesario para que se de el cambio de fase. A esta temperatura, que se mantiene fija, el sistema pasa de tener solo agua a tener solo vapor pasando por infinitos estados de líquido + vapor. El calor latente es, digamos, la cantidad de calor que una llama de estufa tiene que transferir a una olla para que el agua dentro cambie totalmente de fase líquida a fase vapor.

Existe el calor latente de fusión, que es la cantidad de energía en forma de calor que se absorbe durante la fusión, que equivale a la energía liberada durante la congelación, y el calor latente de evaporación, que es la cantidad de energía absorbida durante la evaporación y equivale a la energía liberada durante la condensación.

  PUNTO CRÍTICO

Líquido + Vapor en equilibrio con sus valores de presión y temperatura máximos. Se da en la punta superior de la campana de líquido + vapor en un diagrama T-v (Temperara vs. Volumen específico).

 

SUSTANCIAS PURAS

Se considera una sustancia pura aquella que mantiene la misma composición química en todos los estados. Una sustancia pura puede estar conformada por mas de un elemento químico ya que lo importante es la homogeneidad de la sustancia. El aire se considera como una sustancia pura mientras se mantenga en su estado gaseoso, ya que el aire está conformado por diversos elementos que tienen diferentes temperaturas de condensación a una presión específica por lo cual al estar en estado líquido cambia la composición respecto a la del aire gaseoso.

Ejemplos de sustancias puras son: el agua, el nitrógeno, el helio y el dióxido de carbono.

Nota: recordar que es incorrecto hablar de estado sólido, líquido y gaseoso. Esas son "fases" de una sustancia. Podemos tener infinitos "estados" en una sustancia con el solo hecho de variar las propiedades intensivas independientes que lo determinan.

Conclusión: si una sustancia está como hielo está en "fase" sólida. Si una sustancia está a presión atmosférica, digamos agua, a una temperatura de -15ºC, tendremos que está en un estado 1, y si aumentamos la temperatura hasta -10ºC, aún a presión atmosférica, tendremos un estado 2 diferente al estado 1, y tendremos dos estados distintos para la misma fase ya que en ambos casos la sustancia se mantuvo como hielo, es decir, en fase sólida.

 

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

 

LIQUIDO COMPRIMIDO O LIQUIDO SUBENFRIADO

En una sustancia pura significa que está en estado líquido y que no está a punto de evaporarse sino que le falta una adición de calor o un cambio negativo en la presión para hacerlo.

Si hablamos de líquido subenfriado entendemos que la sustancia está como líquida a una temperatura menor que la temperatura de saturación ( T < Tsat) para una presión determinada.

Si hablamos de líquido comprimido entendemos que la sustancia está como líquida a una presión mayor que la presión de saturación (P > Psat) a una temperatura determinada.  

LIQUIDO SATURADO

Es aquel que está a punto de evaporarse. Es importante notar que cuando una sustancia pura está como líquido saturado ésta se halla totalmente en ese estado, como líquido, nada de vapor ya que está a punto de comenzar a crearse a partir del agua líquida saturada.

 

VAPOR SATURADO O VAPOR SATURADO SECO

Es un vapor que está a punto de condensarse. En esta fase la sustancia está toda como vapor y es necesario retirar calor o aumentar la presión para provocar que se generen gotas de líquido.

VAPOR SOBRECALENTADO

Es vapor que está a una temperatura más alta que la temperatura de vapor saturado, por lo cual la sustancia sigue estando toda como vapor pero ya no estará a punto de condensarse o de formar pequeñas gotas de líquido.

Si hablamos de vapor sobrecalentado entendemos que la sustancia está como toda vapor a una temperatura mayor que la temperatura de saturación ( T > Tsat) para una presión determinada. 

TEMPERATURA DE SATURACIÓN Y PRESIÓN DE SATURACIÓN

La forma más simple de entender estos conceptos es por medio de un ejemplo:

Siempre hemos sabido que el agua ebulle, o se comienza a evaporar, a 100ºC, pero lo hace a esa temperatura porque la presión a la que se encuentra es la presión atmosférica que es 1 atmósfera. Conclusión: la temperatura a la cual una sustancia pura comienza a cambiar de fase, bien sea comenzando a transformarse de agua a vapor (líquido saturado) o de vapor a líquido (vapor saturado), se llama temperatura de saturación, y esta temperatura de saturación siempre va a tener ligada una presión que se llamará presión de saturación.

Ahora, volviendo al ejemplo, si preguntan en una clase cual es la temperatura de saturación para el agua a una presión de 1 atm = 101.325 kPa, la respuesta correcta sería 100ºC. Y si preguntan sobre la presión de saturación para una temperatura de 100ºC la respuesta correcta sería 1 atmósfera.

En pocas palabras, presión de saturación es la temperatura de ebullición para una presión determinada y la presión de saturación es la presión de ebullición para una temperatura determinada.

 

VAPOR SATURADO + LIQUIDO SATURADO

Es un estado en donde dentro de un sistema tenemos líquido al mismo tiempo que tenemos vapor. Un ejemplo de esto es la preparación de una sopa en una olla a presión en donde al cabo de algunos minutos habrá agua y vapor dentro de ella a cierta presión única para ambas fases de la sustancia.

Cuando hablamos de líquido mas vapor se sobreentiende que existe la "CALIDAD". La calidad es la cantidad de masa de vapor con respecto a la cantidad de masa total de la sustancia. Es decir, si está como toda vapor, calidad = 1, si está como todo líquido, calidad = 0, porque no hay nada de masa en fase vapor debido a que toda la masa está como líquido.

CALIDAD

Como habíamos dicho, es la cantidad de masa de vapor presente con respecto a la cantidad de masa total dentro del volumen de control. Estas son ecuaciones para hallar la calidad de una sustancia pura.

 

Donde  vprom: volumen específico promedio.  vf: volumen específico del líquido.

vg: volumen específico del vapor.

    CALOR LATENTE

Calor necesario para que se de el cambio de fase. A esta temperatura, que se mantiene fija, el sistema pasa de tener solo agua a tener solo vapor pasando por infinitos estados de líquido + vapor. El calor latente es, digamos, la cantidad de calor que una llama de estufa tiene que transferir a una olla para que el agua dentro cambie totalmente de fase líquida a fase vapor.

Existe el calor latente de fusión, que es la cantidad de energía en forma de calor que se absorbe durante la fusión, que equivale a la energía liberada durante la congelación, y el calor latente de evaporación, que es la cantidad de energía absorbida durante la evaporación y equivale a la energía liberada durante la condensación.

  PUNTO CRÍTICO

Líquido + Vapor en equilibrio con sus valores de presión y temperatura máximos. Se da en la punta superior de la campana de líquido + vapor en un diagrama T-v (Temperara vs. Volumen específico).

 

 

 

EJERCICIOS PROPUESTOS CON RESPUESTAS COLOCADAS

1.2.      Un depósito cerrado contiene 0.5 m3 de vapor de agua saturado a una presión manométrica de 899 kPa. ¿Cual es su temperatura? ¿Que masa de vapor hay en el depósito? Considere que, en el momento de la  medida, la presión atmosférica era de 101 kPa.

                                                                    Re: 179.9ºC, 2.57kg

 1.3. Un kilogramo de agua a una presión de 1,500 kPa y temperatura de 80 °C se transforma en vapor a 340 °C mediante un proceso is6baro. Calcule la variación de entalpía del agua.

Re: 2,790kJ

 1.4. Un deposito cerrado y rígido contiene 0.17 m3 de vapor de agua a una presión de 480 kPa y temperatura de 340 °C. Se deja que el depósito disipe calor hacia el entorno hasta que el agua alcanza los 90 °C. ¿Que masa de vapor hay finalmente en el deposito? ¿cual es la presión final? ¿A que temperatura comenzara el proceso de cambio de fase?

                                                                          Re: 0.07kg, 70.14kPa, 135°C

 

  • 1.5. Un depósito contiene 50 kg de Helio a 900 kPa y 50 °C. Determine la masa de Helio que se habrá fugado si, al alcanzarse el equilibrio térmico con el ambiente exterior a 25 °C, el sistema se encuentra a una presión de 400 kPa.

Re: 25.9kg

 

  • 1.6. Un depósito rígido contiene 10 kg de metano a 1,500 kPa y 30 °C. Calcule el volumen del depósito; Si la temperatura disminuye hasta 0 °C. ¿Cual seria la nueva presión?

Re: 1.05m3, 1,350kPa

 

1.7.      Un gas desconocido tiene una masa de 1.5 kg y ocupa 2 m3 a una temperatura de 30 °C y una presión de 200 kPa.  Determine la constante de gas ideal del gas.

Re: 880J/kg.ºK

 

1.8.      Un deposito rígido de 0.5 m3 contiene inicialmente mezcla saturada a 100 °C. Calentándose el agua, se alcanza un estado final cuyas condiciones son las del punto crítico. Determine la masa de agua que inicialmente se encontraba en estado líquido.

Re: 158.28kg

 

1.9.      Un depósito rígido de 1 m3 contiene aire a 25 °C y 500 kPa y esta conectado con una válvula a otro deposito con 5 kg de aire a 35 °C y 200 kPa. Se abre la válvula y cuando se alcanza el equilibrio térmico la temperatura es de 20 °C. Calcule el volumen del segundo depósito y la presión de equilibrio.                                   

                      Re: 2.21m3, 284kPa

 

1.10.    Un dispositivo cilindro-embolo contiene 0.1 m3 de agua liquida y 0.9 m3 de vapor de agua en equilibrio a 800 kPa. El sistema se calienta hasta alcanzar una temperatura de 350 °C. Determine la temperatura y masa inicial del agua, y su masa y volumen final. Dibuje el proceso en los diagramas termodinámicos P-v   y   T-v       

 Re: 170.43°C, 93.44kg, 33.1m3

 

1.11.    Calcule la masa de aire contenida en el aula donde se imparte la clase. Suponga una temperatura de 20 °C y una presión de un bar. Si la temperatura fuese de 0 °C, ¿la masa de aire seria mayor o menor? Calcule la variación.   

Re: Entre 500 y 600kg, Aproximadamente 50kg más

 

1.12.    Un dispositivo cilindro-embolo de disposición vertical y de 20 cm de diámetro interior contiene agua. El pistón tiene una masa de 4 kg y la presión atmosférica es de 101 kPa. Determine la temperatura de ebullición del agua en el cilindro.               

Re: 100.28°C

 

  • 1.13. Un compresor isotérmico comprime agua desde un estado definido por 400 °C y 100 kPa hasta una presión de 10 MPa. Calcule la variación de entalpía específica del agua en el proceso.

Re: -182kJ/kg

 

  • 1.14. Una vasija de 0.03 m3 contiene vapor saturado seco a 17 bar. Calcular la masa de gas en la vasija, y la entalpía de esta masa.

Re: 0.257kg: 718kJ

 

1.15.    Vapor a 7 bar y 250 °C entra a una tubería y fluye a presión constante. Si la corriente elimina calor a los alrededores, a que temperatura se forma la primera gota de agua?  Utilizando la ecuación de energía y despreciando los cambios de velocidad en la corriente, calcular el calor eliminado por kilogramo de vapor fluyendo.            

Re: 165°C; 191 kJ/kg

 

1.16.    0.05 kg de vapor a 15 bar son contenidos en una vasija rígida de 0.0076 m3 de volumen. Cual es la temperatura del vapor. Si la vasija es enfriada, a que temperatura deberá estar el vapor en condiciones de saturación? Se continúa el enfriamiento hasta que la presión en la vasija sea de 11 bar; calcular la fracción final del vapor seco (fracción), y el calor rechazado entre el estado inicial y final.               

Re: 250°C; 191.4°C; 0.857; 18.5kJ

 

1.17     Utilizando las tablas para el amoniaco calcular: a) La entalpía específica y volumen específico del amoniaco a 0.7177 bar y la fracción seca (fracción).  b)  La entalpía especifica y volumen especifico del amonio a 13 °C saturado. c)  La entalpía especifica del amonio a 7.529 bar y 30 °C.    

             Re: l,251kJ/kg; 1.397m3/kg; l,457kJ/kg; 0.1866m3/kg; l,496.5kJ/kg

 

  • 1.18. Calcular la energía interna y entalpía de 1 kg de aire ocupando 0,05 m3 a 20bar. Si la energía interna se incrementa por 120 kJ como aire comprimido a 50 bar, calcular el nuevo volumen ocupado por 1 kg de aire.

Re: 250.1 kJ/kg; 350.1 kJ/kg; 0.0296 m3

 

  • 1.19. O2 a 200 bar es almacenado en una vasija de acero a 20 ºC. La capacidad de la vasija es 0.04 m3. Asumiendo que el O2 es un gas perfecto, calcular la masa de oxigeno que debe ser almacenada en la vasija.

Re: 10.5 kg; 78.6ºC

 

1.20.    En un compresor de aire la presión de entrada y de salida son 1 bar y 5 bar respectivamente. La temperatura del aire a la entrada es 15 °C y el volumen al inicio de la compresión es 3 veces mayor que la compresión final. Calcular la temperatura del aire a la salida y el incremento de energía interna del aire.                     

          Re: 207°C; 138 kJ/kg

 

MUCHO ESFUERZO  Y SUERTE MUCHACHOS

HAGN ESTOS EJERCICIOS