UNIDAD 2:
PROPIEDADES DE SUSTANCIAS PURAS
Ing. Mario Arrieta
Es una sustancia que tiene una composición química fija.
H2O, N2, He, CO2
Una sustancia pura no tiene que estar conformada por un solo elemento o
compuesto químico. Una mezcla de varios de estos también califica como una
sustancia pura siempre y cuando la mezcla sea homogénea. Ejemplo: el aire es
una mezcla de varios gases, que se considera como sustancia pura porque tiene
composición química uniforme.
Una mezcla de dos o mas fases de una sustancia pura se sigue considerando una
sustancia pura mientras la composición química de las fases sea la misma.
Ejemplo,
mezcla de hielo y agua liquida,
o mezcla de agua liquida y agua gaseosa.
@ Cond Ambientales T =60°F y P= 14,7 psia)
Cu(s)
Hg(l)
N2 (g)
H2O(l)
H2O @ 100 °C y 1 atm Cambio de fase (ebullición)
H2O @ 0 °C y 1 atm cambio de fase (congelamiento)
Solido
Liquido
Gaseoso
El valor de la energía interna u no es directamente mensurable. Para todas las
propiedades no directamente mensurables se necesita un método para evaluarlas
en función de propiedades directamente mensurables, tales como P, Ty v. Para
desarrollar estas relaciones debe conocerse el número de propiedades
independientes necesarias para fijar o especificar el estado de un sistema bajo
condiciones dadas.
Por lo general, las relaciones funcionales entre propiedades se expresan en función
de propiedades intensivas.
Yo = F(y1, y2, …….,yn)
Yo= variable dependiente
Y1…. Yn= Variables independientes
El número de propiedades independientes exigidas para especificar
completamente el estado intensivo e intrínseco de una sustancia es
igual a 1 más el número de posibles modos de trabajo cuasiestático
relevantes.
un sistema simple es aquel en el que para modificar su estado intrínseco
sólo es relevante un único modo de trabajo cuasiestático. Tomando como base
el enunciado anterior del postulado de estado, puede enunciarse como
postulado de estado para sistemas simples el siguiente:
El estado de equilibrio de una sustancia simple queda fijado especificando los
valores de dos propiedades intrínsecas independientes.
Un sistema simple compresible se define como aquel en
el que la única interacción de trabajo cuasiestático está
asociada con el cambio en su volumen (trabajo P dV).
Yo = F(y1,y2)
Los estados de equilibrio de una sustancia simple compresible pueden
representarse como una superficie en un espacio tridimensional.
•Las fases sólida, líquida y gaseosa (vapor)
aparecen sobre la superficie como regiones.
•El estado en esas regiones monofásicas se
especifica mediante los valores de dos
cualesquiera de las tres propiedades P, v yT.
•Regiones monofásicas están separadas,
en la superficie, por regiones bifásicas que
representan los cambios de fase.
•Cualquier estado representado por un punto
sobre la línea de separación de una región
monofásica de otra bifásica se conoce como
estado de saturación.
•La línea curva que separa la región líquida de
la región líquido-vapor, línea a-m-c, se conoce
como línea de líquido saturado.
•Los estados representados sobre la curva
c-n-b son estados de vapor saturado.
•El punto donde las líneas de líquido saturado
y de vapor saturado se juntan se llama punto
crítico. Las tres propiedades de interés
Pc, Vc,Tc.
(Una sustancia cuya temperatura sea mayor que su
temperatura crítica no será capaz de condensar a la
fase líquida, independientemente de cuán alta sea la
presión que se ejerce sobre ella.)
•Otro estado único de la materia. Está
representado por la línea paralela al plano Pv y
señalado como estado triple.
•Como el término implica, en este estado
coexisten en equilibrio las tres fases. El estado
triple, o punto triple en esta figura
corresponde al equilibrio entre un sólido
(estado d ), un líquido (estado a) y un gas
(estado b).
A la proyección de la superficie PvT sobre el plano PT se la conoce como diagrama de fase.
Ya que tanto la temperatura como la presión permanecen constantes durante un cambio
de fase, las superficies que en la Figuras anteriores representan dos fases son paralelas al
eje v. Así pues, esas regiones bifásicas aparecen como líneas cuando la superficie se
proyecta sobre el plano PT.
• La línea t-d-f-c del diagrama PT que
representa la superficie líquido-vapor se llama
línea de saturación líquido-vapor. También se
la conoce como curva de vaporización.
•La presión y temperatura en cualquier estado
a lo largo de esta línea (tal como el d) se
conocen como la presión de saturación Psat y
la temperatura de saturación Tsat de ese
estado. La presión de saturación se conoce
también como presión de vapor.
“Debe resaltarse el rápido aumento de, la
presión de vapor con la temperatura, ya que
esto es una característica general de las
sustancias puras”
H2O empieza a hervir a 100 °C y 1 atm (101,325 Kpa)
Si la presión del cilindro aumenta a 500 KPa Añadiendo
pesas en la parte superior del embolo, el agua empezaria
a hervir a 151,8 °C.
A una determinda P, la T a la que una sustancia pura
cambia de fase se llama temperatura de
saturación Tsat.
(a una P = 101,325 Kpa, T sat= 100 °C)
A una determinda T, la P a la que una
sustancia pura cambia de fase se llama
presión de saturación.
(a una, T = 100 °C, Psat = 101,325 Kpa)
•Las superficies sólido-líquido y sólido-vapor
de se muestran como la curva de fusión (o
curva de congelación) y la curva de
sublimación, respectivamente.
•La línea a trazos representa la curva de fusión
(congelación) de una sustancia que, como el
agua, se expansiona al congelarse.
•Mientras que las regiones bifásicas aparecen
como líneas en un diagrama PT, las regiones
monofásicas lo hacen como áreas.
Para el estado a en la región de líquido, por
ejemplo, la temperatura Ta es menor que la de
saturación Tf del estado f para el mismo valor
de la presión. Tal estado del líquido se llama
líquido subenfriado, ya que, a una presión
dada, puede alcanzarse enfriando el líquido
por debajo de su temperatura de saturación.
La presión Pa del estado a se halla también
por encima de la presión de saturación Pd del
estado d a la misma temperatura. Por tanto, el
estado a se conoce también como líquido
comprimido, ya que puede alcanzarse, a una
temperatura dada, comprimiendo el líquido
por encima de su presión de saturación.
Un liquido que esta a punto de evaporarse
recibe el nombre de liquido saturado.
A una presión dada, la temperatura Tb del
estado b es mayor que la temperatura de
saturación Tf. Así, el estado b se conoce como
estado de vapor sobrecalentado.
Las dos regiones, monofásica y bifásica,
aparecen como áreas en este nuevo diagrama.
La línea de líquido saturado representa los
estados de la sustancia tales que: Al
suministrar una cantidad pequeña de energía
a la sustancia a presión constante una fracción
pequeña de líquido cambiará a vapor.
La extracción de energía de la sustancia en un
estado cualquiera que se halle sobre la línea
de vapor saturado da como resultado la
condensación parcial del vapor, mientras que
el suministro de energía origina el vapor
sobrecalentado.
Región central es región humedad.
Un estado representado por un punto en la
región líquido-vapor (región húmeda), tal
como el x, es una mezcla de líquido y vapor
saturados.
Se observa que durante la evaporación la P y T
son ctes pero el v aumenta.
X se denomina “Calidad”
X = mg/ (mg +mf)
X= 0 %
X= 100 %
Las regiones monofásicas y bifásicas
aparecen en posiciones similares a las
correspondientes al diagrama Pv
En el interior de la región líquido-vapor
(región húmeda), las líneas de presión
constante siguen las de temperatura
constante, ya que durante un cambio de
fase la presión y la temperatura no son
propiedades independientes.
Fuera de la región húmeda y a lo largo de
una línea de presión constante, la
temperatura crece al aumentar el volumen.
El agua es una sustancia anómala que se
expansiona al solidificar. Así, el volumen
específico de la fase sólida es mayor que
el de la fase líquida.
En la Figura se muestra la superficie PvT
modificada para tener en cuenta este
comportamiento.
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