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TEMA 3. PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS 
Sustancia pura: 
Es aquella que tiene una composición y propiedades características que no cambian, sean 
cuales sean las condiciones físicas en las que se encuentre; es decir, su composición no 
depende de las transformaciones de fase que sufra (fusión, ebullición, etc.). Un ejemplo es 
el agua, cuya composición es la misma esté presente en fase sólida, líquida o gaseosa. 
 
CURVA DE CALENTAMIENTO DEL AGUA 
 
 
 
DIAGRAMA T - v 
 
DIAGRAMA P - v 
 
 
 
 
CORRESPONDENCIA ENTRE LOS DIAGRAMAS P – T Y P - v 
 
 
 
 
 
DIAGRAMA TRIDIMENSIONAL DEL AGUA 
 
 
 
Para el agua: 
Presión crítica: 220.9 bar ; temperatura crítica: 647.3 K 
Presión del punto triple: 0.0061 atm ; temperatura del punto triple: 0.010C 
 
Calidad y humedad de una mezcla. 
La calidad es la razón entre la masa del vapor en la mezcla y la masa total. Se denota con la 
letra x. La humedad (y), es la razón entre la masa del líquido y la masa total. 
x = 
𝑚𝑣
𝑚𝑣 + 𝑚𝑙
 ; y = 
𝑚𝑙
𝑚𝑣 + 𝑚𝑙
 → x + y = 1 ; 1 ≥ x ≥0 ; si x = 0 se trata de líquido saturado; si 
x = 1, se trata de un vapor saturado. 
 
EJERCICIO 
Dibuje los siguientes procesos para el agua en diagramas P-v y P-T: 
(a) Vapor sobrecalentado que se enfría a presión constante hasta que el líquido empieza a 
aparecer. 
(b) Una mezcla con una calidad del 60% se calienta a volumen constante hasta una calidad 
del 100%. 
(c) Una mezcla con una calidad del 50% se calienta a temperatura constante de 2000C hasta 
que su volumen es 4.67 veces el volumen inicial. 
(d) Refrigerante-12 a 8 bar es un líquido saturado. Se calienta isobáricamente hasta que su 
entalpia se duplica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TABLA DE VAPOR DE AGUA SATURADA (líq. sat., mezcla, vapor saturado, 1 propiedad) 
 
 
vf x 103 = 1.00 40 
𝑚3
𝑘𝑔
 ; vf = 1.0040x10-3 
𝑚3
𝑘𝑔
 ; ρ = 996.01 
𝑘𝑔
𝑚3
 
 
TABLA DE VAPOR DE AGUA SOBRECALENTADA (2 propiedades) 
 
 
 
 
 
 
 
 
¿CÓMO OBTENER EL VOLUMEN ESPECÍFICO, LA ENERGÍA INTERNA ESPECÍFICA, LA 
ENTALPÍA ESPECÍFICA Y LA ENTROPÍA ESPECÍFICA DE UN VAPOR HÚMEDO? 
 
 
Volumen total de una mezcla: 
Vw = V = Vf + Vg 
V = v m = vf mf + vg mg 
Donde v y m es el volumen específico y la masa total de la mezcla. 
Y ya que x = 
𝑚𝑔
𝑚 
 y la humedad, y, es igual a (1-x) e igual a 
𝑚𝑓
𝑚 
 ,se tiene que, 
v = 
𝑚𝑓
𝑚
 vf + 
𝑚𝑔
𝑚
 vg = (1-x) vf + x vg 
Así, 
v = vf + x (vg – vf) = vf + x vfg 
De la misma manera: 
u = uf + x (ug – uf) = uf + x ufg 
h = hf + x (hg – hf) = hf + x hfg 
s = sf + x (sg – sf) = sf + x sfg 
 
EJERCICOS SOBRE CARACTERIZACIÓN. 
Complete los datos faltantes para el agua. 
T, 0C P, kPa h, 
𝒌𝑱
𝒌𝒈
 x Fase 
120.21 200 2045.83 0.7 Mezcla 
140 361.53 1800 0.56 Mezcla 
177.66 950 752.74 0 Líquido 
saturado 
80 500 335.02 - Líq. comp. 
350 800 3162.2 - Vapor sob. 
 
h = hf + x (hg – hf) = hf + x hfg = [504.71 + 0.7 (2201.6)] 
𝒌𝑱
𝒌𝒈
 = 2045.83 
𝒌𝑱
𝒌𝒈
 
 
A 1400C, hf = 589.16 
𝒌𝑱
𝒌𝒈
 ; hg = 2733.5 
𝒌𝑱
𝒌𝒈
 , el valor de la entalpía de tablas está entre los 
dos valores, por lo tanto, se tiene mezcla. 
Si h tablas < hf , se tiene líquido comprimido o subenfriado. 
 Si h tablas = hf , se tiene líquido saturado 
Si hf < h tablas < hg , se tiene una mezcla. 
Si h tablas = hg , se tiene vapor saturado saturado 
Si h tablas > hg , se tiene vapor sobrecalentado. 
h = hf + x (hg – hf) = hf + x hfg 
x = 
𝒉− 𝒉𝒇
𝒉𝒇𝒈
 = 
𝟏𝟖𝟎𝟎 − 𝟓𝟖𝟗.𝟏𝟔
𝟐𝟏𝟒𝟒.𝟑
 = 0.56 
 
A 500 kPa se busca la temperatura de saturación: 151.830C. La temperatura del fluido es 
menor que la de saturación. Se trata de un líquido comprimido o subenfriado. 
Para determinar propiedades de un líquido comprimido en las tablas de saturación, se 
busca por la temperatura, las propiedades rotuladas con el subíndice f. 
A 800 kPa se busca hf y hg y se comparan estos valores con la entalpía de la tabla. 
hf = 720.87 
𝑘𝐽
𝑘𝑔
 ; hg = 2768.3 
𝑘𝐽
𝑘𝑔
 , por lo tanto, se concluye que es un vapor sobrecalentado. 
 
EJERCICIO: 
Un tanque rígido de 4 L contiene 2 kg de un vapor húmedo de agua a 500C. A continuación, 
se calienta lentamente el agua, hasta que exista una sola fase. En el estado final, 
a) ¿Estará el agua en la fase líquida o vapor? 
b) Estime la temperatura del fluido en el estado final. 
c) ¿Cuál sería su respuesta si el volumen del tanque fuera de 400 L en lugar de 4 L? 
El estado inicial es una mezcla. 
v = vf + x (vg – vf) → x 
SOLUCIÓN: 
Condiciones iniciales: 
a) v = 
4 x 10−3 𝑚3
2 𝑘𝑔 
 = 2x10−3 
𝑚3
𝑘𝑔
 
x = 
𝑣− 𝑣𝑓
𝑣𝑓𝑔
 = 
2x10−3 
𝑚3
𝑘𝑔
 − 0.001012 
𝑚3
𝑘𝑔
 
(12.026 − 0.001012) 
𝑚3
𝑘𝑔
 = 8.216 x 10-5 
Ya que el tanque es rígido, el volumen específico es constante. 
Fase líquida (líquido saturado). 
v = vf 
b) Alrededor de 3650C 
¿Cuál es el valor del volumen crítico del agua? 
0.003155 
𝒎𝟑
𝒌𝒈
 
c) 𝑣 =
0.4 𝑚3
2 𝑘𝑔 
 = 0.2 
𝑚3
𝑘𝑔
 
x = 
𝑣− 𝑣𝑓
𝑣𝑓𝑔
 = 
0.2 
𝑚3
𝑘𝑔
 − 0.001012 
𝑚3
𝑘𝑔
 
(12.026 − 0.001012) 
𝑚3
𝑘𝑔
 = 0.01655 
Fase vapor. Se busca en tablas la temperatura para un valor de vg de 0.2 
𝑚3
𝑘𝑔
 . Alrededor de 
1800C. Se tendría una presión de alrededor de 1000 kPa. 
 
El diagrama h-P 
En el año 1923, en la Thermodynamics Conference de los Ángeles, se decidió que cualquier 
gráfico que utilizara la entalpía (h) en uno de sus ejes se denominara diagrama de Mollier, 
en honor a Richard Mollier, que fue un profesor alemán destacado por sus aportaciones a 
la termodinámica. 
Richard Mollier (30 de noviembre de 1863, Trieste – 13 de marzo de 1935, Dresde) fue un 
profesor alemán de Física Aplicada y Mecánica en las universidades de Göttingen y Dresde, 
fue un pionero de la investigación experimental en termodinámica, particularmente del 
agua, el vapor y las mezclas de aire. 
El diagrama de Mollier presión-entalpía, es una representación del comportamiento de dos 
propiedades intensivas (P,h) por debajo del punto crítico. El punto crítico se caracteriza por 
una presión y una temperatura críticas, por encima de las cuales la densidad del vapor es la 
misma que la del líquido y desaparece la interfase entre ambos. Por encima de las 
condiciones críticas, existe una única fase denominada fluido supercrítico. Un líquido por 
debajo de la presión crítica, cuando se calienta, empezará a generar fase vapor. El diagrama 
de Mollier presión-entalpía tiene numerosas aplicaciones, entre ellas destaca su utilización 
para sistemas de refrigeración, motores o máquinas de vapor. 
 
Ciclo de refrigeración en un diagrama P-h 
 
https://es.wikipedia.org/wiki/Universidad_de_Gotinga
https://es.wikipedia.org/wiki/Universidad_T%C3%A9cnica_de_Dresde
 
 
El dispositivo intercalado entre el evaporador y el condensador es el compresor. 
 
CICLO DE REFRIGERACIÓN 
En el siglo XIX numerosos científicos estudiaron las leyes que rigen las mezclas frigoríficas, y 
las mezclas de hielo y sal común, que permiten disminuir la temperatura hasta -20ºC. Sin 
embargo, los métodos de refrigeración por estos productos, son discontinuos y de capacidad 
muy limitada, por lo que no se puede hablar de refrigeración hasta la invención de la 
refrigeración mecánica. 
La primicia de la obtención de frío por evaporación se adjudica a William Cullen, que hacia 1750 
consiguió producir hielo mecánicamente con agua como refrigerante. Pocos años después, en 
1754, Joseph Priestley descubrió el amoníaco y el dióxido de carbono, que mostraron poseer 
propiedades termodinámicas convenientes para ser usados en refrigeración. 
En 1834, Jacob Perkins utilizó éter sulfúrico (dietil éter) a baja presión como procedimiento de 
refrigeración en la primera máquina de compresión de vapor. 
R – O – R´ CH3 – CH2 – O – CH2 – CH3 
 
En 1859 Ferdinand Carré patenta su máquina de absorción con amoníaco.En 1872, Robert Boyle investiga las mezclas refrigerantes y patenta el primer compresor 
con amoníaco. Por las mismas fechas Thadeus S.C. Lowe introduce el CO2. Poco después, en 
1874, Raoul-Pierre Pictet patenta un compresor con SO2 y en 1878 el francés Vincent utiliza 
el cloruro de metilo, CH3Cl. 
Se puede ver cómo el éter, muy peligroso, dio paso al amoníaco, al dióxido de azufre, al cloruro 
de metilo y al dióxido de carbono. Pero estas sustancias tienen graves inconvenientes. El 
https://es.wikipedia.org/wiki/William_Cullen
https://es.wikipedia.org/wiki/Joseph_Priestley
https://es.wikipedia.org/wiki/Jacob_Perkins
https://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_compresi%C3%B3n
https://es.wikipedia.org/wiki/Refrigeraci%C3%B3n_por_absorci%C3%B3n
https://es.wikipedia.org/wiki/Amon%C3%ADaco
amoníaco es tóxico, inflamable y ataca al cobre, el cloruro de metilo es tóxico y explosivo en 
mezcla con el 10 a 15 % de aire, el dióxido de azufre es tóxico y agresivo con los metales. Por 
estos motivos continuó la búsqueda de refrigerantes más seguros y de mejor rendimiento. Esta 
búsqueda culminó en 1930 cuando Thomas Midgley de Dupont, anunció el 
primer fluorocarbono, el Freón-12, que condujo a la familia que ha dominado la refrigeración por 
compresión hasta finales de los 80. 
 
FÓRMULA QUÍMICA DEL FREÓN-12 
 
 
 
CARACTERÍSTICAS DE LOS REFRIGERANTES 
• Presión de evaporación superior a la atmosférica para evitar infiltraciones de aire 
en el sistema. 
• Presión de descarga no muy alta. Para evitar la necesidad de un equipo robusto, 
y desde luego por debajo de la presión crítica. 
• Relación de compresión baja. La potencia del compresor aumenta con la relación 
de compresión. 
• Temperatura de descarga no muy alta. Para evitar la descomposición del aceite 
lubricante o del refrigerante o la formación de contaminantes. 
• Calor latente de vaporización lo más alto posible. Cuanto mayor, mejor producción 
frigorífica específica y menor caudal másico. 
• Temperatura de ebullición, por debajo de la temperatura ambiente a presión 
atmosférica, fácilmente controlable y por encima de la temperatura de congelación. 
• Volumen específico.- Debe ser lo más bajo posible para evitar grandes tamaños 
en las líneas de aspiración y en el desplazamiento de compresor 
• Capacidad térmica específica. Debe ser lo más alto posible en el vapor, para que 
absorba una gran cantidad de calor y lo más bajo posible en estado líquido para 
reducir el vapor en la vaporización súbita 
• Punto de congelación. Debe ser inferior a la temperatura mínima del sistema, para 
evitar congelamientos en el evaporador. 
• Densidad. Debe ser elevada para requerir pequeñas dimensiones en las líneas 
líquido. 
ASPECTOS DE SEGURIDAD 
• Estabilidad química dentro de la gama de temperaturas de trabajo. 
• Inactividad química: que no reaccione con ninguno de los materiales con los que 
pueda tener contacto. 
• No deben ser líquidos inflamables, corrosivos ni tóxicos. 
https://es.wikipedia.org/wiki/Punto_cr%C3%ADtico_(termodin%C3%A1mica)
https://es.wikipedia.org/wiki/Calor_latente
https://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_ebullici%C3%B3n
https://es.wikipedia.org/wiki/Volumen_espec%C3%ADfico
https://es.wikipedia.org/wiki/Calor_espec%C3%ADfico
https://es.wikipedia.org/wiki/Punto_de_congelaci%C3%B3n
https://es.wikipedia.org/wiki/Densidad
• Dado que deben interaccionar con el lubricante del compresor, deben 
ser miscibles en fase líquida y no nocivos con el aceite. 
• No tendencia a las fugas. Los refrigerantes con bajo peso molecular escapan 
con mayor facilidad. 
• Los refrigerantes, se aprovechan en muchos sistemas para refrigerar también el 
motor del compresor, normalmente un motor eléctrico, por lo que deben 
ser buenos dieléctricos, es decir, tener una baja conductividad eléctrica. 
Amoníaco: NH3 
Punto de ebullición: -33,34 °C 
 
Densidad: 0,73 kg/m³ 
 
Punto de fusión: -77,73 °C 
Temperatura crítica: 405,5 K (132 °C) 
 
Presión crítica: 111.52 atm 
Capacidad térmica específica: 4700 
𝐽
𝑘𝑔 𝐾
 
 
Gracias a las propiedades de vaporización del amoníaco, es útil como un refrigerante. Era usado 
comúnmente antes de la popularización del empleo de los compuestos clorofluorocarbonados. 
El amoníaco anhídrido es usado incansablemente en la industria de la refrigeración y para las 
pistas de hockey por su alta eficiencia de conversión de energía y bajo costo. No obstante, tiene 
la desventaja de ser tóxico, lo que le restringe su uso doméstico y a pequeña escala. Junto con 
su uso moderno de refrigeración por compresión de vapor, se utilizó junto con hidrógeno y agua 
en refrigeración de absorción. 
 
EJEMPLO 
Un dispositivo de cilindro-émbolo contiene inicialmente vapor de agua a 200 kPa, 2000C y 
0.5 m3. En este estado, un resorte lineal toca el émbolo, pero no ejerce fuerza sobre él. Se 
transfiere calor lentamente al vapor de agua, haciendo que aumenten su presión y su 
volumen, hasta 500 kPa y 0.6 m3, respectivamente. 
 
Determine: 
https://es.wikipedia.org/wiki/Diel%C3%A9ctricos
https://es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_el%C3%A9ctrica
https://www.google.com/search?rlz=1C1NHXL_esMX685MX685&q=amon%C3%ADaco+punto+de+ebullici%C3%B3n&stick=H4sIAAAAAAAAAOPgE2LXz9U3KDCL19LNTrbST85Izc0sLimqhLCSE3Pik_NzC_JL81KskvIzczLz0hUK8jPzShaxyiXm5ucdXpuYnK9QUJpXkq-QkqqQmlSak5OZnHl4cx4AGiWGllsAAAA&sa=X&ved=2ahUKEwiagZKwteTsAhUJCc0KHfOFBPAQ6BMoADAhegQIOBAC
https://www.google.com/search?rlz=1C1NHXL_esMX685MX685&q=amon%C3%ADaco+densidad&stick=H4sIAAAAAAAAAOPgE2LXz9U3KDCL11LPTrbST85Izc0sLimqhLCSE3Pik_NzC_JL81KsUlLzijNLKhexCiXm5ucdXpuYnK8AFktJTAEAApCvl0kAAAA&sa=X&ved=2ahUKEwiagZKwteTsAhUJCc0KHfOFBPAQ6BMoADAiegQIMxAC
https://www.google.com/search?rlz=1C1NHXL_esMX685MX685&q=amon%C3%ADaco+punto+de+fusi%C3%B3n&stick=H4sIAAAAAAAAAOPgE2LXz9U3KDCL19LNTrbST85Izc0sLimqhLCSE3Pik_NzC_JL81KsclNzSjLz0hUK8jPzShaxSiXm5ucdXpuYnK9QUJpXkq-QkqqQVlqceXhzHgDkn3NVVwAAAA&sa=X&ved=2ahUKEwiagZKwteTsAhUJCc0KHfOFBPAQ6BMoADAjegQINRAC
a) La temperatura final. 
b) El trabajo efectuado por el vapor de agua. 
c) El calor transferido en el proceso. 
Lluvias de ideas: 
Q = mc∆T 
Caracterizar 
Sistema cerrado 
∆U = Q + W 
Tipo proceso 
W a partir de la ley de Hooke 
Conocer la energía interna específica en cada estado 
Caracterizar el estado 1: 200 kPa, 2000C y 0.5 m3 
A 200 kPa en TABLAS DE SATURACIÓN se busca la T de saturación. Tsat = 120.210C, 
entonces en el estado inicial se tiene vapor sobrecalentado, ya que el fluido tiene una mayor 
temperatura. 
u1 = 2654.6 
𝑘𝐽
𝑘𝑔
 
v1 = 1.08049 
𝑚3
𝑘𝑔
 , por lo tanto, la masa es igual a, m = 
𝑉1
𝑣1
 = 0.463 kg 
Estado final: 500 kPa y 0.6 m3, v2 = 
𝑉2
𝑚
 = 1.2958 
𝑚3
𝑘𝑔
 
A 500 kPa se busca en tablas de saturación vf y vg y se comparan estos valores con v2 y se 
concluye. 
vf = 0.001093 
vg = 0.37483 
Entonces en el estado 2 se tiene vapor sobrecalentado. 
Hay que entrar a las tablas de sobrecalentado a: 
500 kPa y v2 = 1.2958 
𝑚3
𝑘𝑔
 
A continuación, se requiere interpolar. 
 
T v u 
11000C 1.2672 4256.3 
12000C 1.3596 4466.8 
A 1.2958 
𝑚3
𝑘𝑔
 , 
a) T = 1130.950C ; u2 = 4321.45 
𝒌𝑱
𝒌𝒈
 
b) Usar la ley de Hooke: 
El cálculo que aparece a continuación representa el área del trapecio que se muestra en la 
figura. 
W = 
(200+500)𝑘𝑃𝑎
2
 (0.6 – 0.5) m3 = 35 kJ (trabajo total contra la atmósfera y contra el resorte) 
 
 
 500 
P (kPa) 
 200 Wres 
 Watm 
 0.5 0.6 V (m3) 
Watm = 20 kJ 
Wresorte = 15 kJ 
F = -KX; P = F/A = -KX/A = - K´ X = - K´ V/A = - K´´ V 
La presión del resorte es directamente proporcional al volumen. 
c) ∆U = Q + W 
Q = m (u2 – u1) – W = 0.463 kg(1666.85) 
𝒌𝑱
𝒌𝒈
 - (- 35 kJ) = 806.75 kJ 
¡Cuidado con el signo del trabajo! 
 
 
FIN TEMA 3!