5 0_T_Sustancia_pura_y_gas_ideal EN1

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SUSTANCIA PURA :
VAPOR DE AGUA Y GAS IDEAL
ENERGÍA 1 2
Sustancia Pura
•Es aquella sustancia que tiene un composición química fija en cualquier parte.
Por ejemplo el agua, el nitrógeno, el helio y el dióxido de carbono.
•Una sustancia Pura necesariamente no esta conformada de un solo elemento.
Una mezcla de varios de estos también califica como una sustancia pura
siempre y cuando la mezcla sea homogénea.
•Una mezcla de dos o mas fases de una sustancia pura se sigue considerando
un sustancia pura, mientras la composición química de las fases sea la misma.
ENERGÍA 1 3
Fases de una Sustancia Pura
Las sustancias puras existen en fases diferentes, siendo las principales:
sólida, liquida y gaseosa.
•Las moléculas en un sólido están dispuestas en un patrón tridimensional
que se repite por todo el sólido, sus fuerzas de atracción son grandes
debido a las pequeñas distancias intermoleculares.
•El espaciamiento molecular en la fase líquida es parecido al de la fase
sólida, excepto que las moléculas ya no están en posiciones fijas entre sí
y pueden girar y moverse libremente.
•En la fase gaseosa, no existe un orden molecular, moviéndose al azar
con colisiones continuas entre si y con las paredes del recipiente que las
contiene.
ENERGÍA 1 4
Procesos de cambio de fase en Sustancias Puras
En esta parte analizaremos las distintas situaciones donde dos fases de
una sustancia Pura coexisten en equilibrio.
ENERGÍA 1 5
Líquido comprimido y líquido saturado
•El líquido comprimido o subenfriado es aquel donde el agua existe en fase
líquida, es decir que no está a punto de evaporarse.
•Un líquido que está a punto de evaporarse se denomina líquido saturado.
ENERGÍA 1 6
Vapor saturado y Vapor sobrecalentado
•Un vapor que esta a punto de condensarse se llama vapor saturado.
•Cuando las fases líquida y vapor coexisten en equilibrio se conoce como
vapor húmedo o mezcla saturada liquido – vapor.
•Un vapor que no está a punto de condensarse se denomina vapor
sobrecalentado.
ENERGÍA 1 7
Temperatura de Saturación y Presión de Saturación
¿Es correcto decir el agua hierve a
100°C? …
•A una determinada presión, la
temperatura a la que una sustancia pura
cambia de fase se denomina
temperatura de saturación.
•A una determinada temperatura, la
presión a la que una sustancia pura
cambia de fase se llama presión de
saturación.
ENERGÍA 1 8
Calor latente
Se denomina calor latente a la cantidad de
energía que es absorbida o liberada
durante un procesos de cambio de fase.
La cantidad de energía absorbida durante
la evaporación se llama calor latente de
evaporación, equivalente a la energía
liberada durante la condensación.
La cantidad de energía absorbida durante
la fusión se llama calor latente de fusión,
equivalente a la cantidad de energía
liberada durante la congelación.
ENERGÍA 1 9
Una gráfica de la temperatura de saturación en función de la de la
presión de saturación se denomina curva de saturacion de liquido –
vapor.
Curva de Saturación de Liquido – Vapor 
ENERGÍA 1 10
Diagrama de Propiedades para procesos de cambio 
de Fase
Diagrama T- v
Podemos concluir que:
A mayor presión, menor es la
línea de saturación, hasta llegar
al punto critico donde coexisten
los estados de liquido saturado y
vapor saturado.
Los estados de líquido saturado
se encuentran en la línea de
líquido saturado, así mismo los
de vapor saturado en la línea de
vapor saturado.
ENERGÍA 1 11
Diagrama T- v
ENERGÍA 1 12
Diagrama P – v
Podemos concluir que:
Este diagrama es similar al anterior, pero las líneas de T constantes presentan una
tendencia hacia abajo.
ENERGÍA 1 13
Diagrama P - T
Conocido como diagrama de fases,
porque las tres fases están separadas
entre si por las líneas de sublimación,
evaporación y fusión.
Estas tres líneas convergen en el punto
triple, donde las tres fases coexisten en
equilibrio.
La línea de evaporación finaliza en el
punto critico, donde no es posible
distinguir las fases liquida y de vapor.
ENERGÍA 1 14
Diagrama de Propiedades incluyendo la fase sólida
ENERGÍA 1 15
Superficie P- v - T
El estado de una sustancia simple compresible se denomina mediante cualquiera de dos
propiedades intensivas independientes, una vez fijadas, las demás propiedades se
vuelven dependientes.
Las superficies P – v – T presentan de inmediato una gran cantidad de información, pero
un análisis termodinámico es más conveniente trabajar con diagramas bidimensionales.
ENERGÍA 1 16
Ejemplo 5.1
Una masa de 200 gramos de agua liquida saturada
se evapora por completo a una presión constante
de 100 kPa. Determine el cambio de volumen y la
cantidad de energía transferida al agua.
Rpta: 0.3386m3 y 451.5 KJ
Tabla A-5
ENERGÍA 1 17
 
 
 
 
vapor
total
total líquido vapor f g
prom f fg
prom f
fg
prom f fg
m
x
m
m m m m m
v v xv
v v
x
v
u u xu

   
 


 
Mezcla Saturada de Líquido - Vapor
En un proceso de evaporación se encuentra una sustancia que existe como
una parte líquida y otra de vapor. Para analizar dicha mezcla es
indispensable conocer en que proporción se hallan las fases líquida y vapor.
Esto se consigue definiendo una nueva propiedad llamada calidad o titulo,
definida como:
ENERGÍA 1 18
Ejemplo 5.2
Un recipiente rígido contiene 10 kg de agua a
90°C. Si 8 kg del agua están en forma liquida y el
resto como vapor, determine la presión en el
recipiente y el volumen del recipiente.
Rpta: 70.183kPa y 4.73 m3
Tabla A-4
ENERGÍA 1 19
Ejemplo 5.3
Determine la temperatura del agua en un
estado de P= 0.5MPa y h=2890 kJ/kg.
Rpta: 216°C
Tabla A-6
ENERGÍA 1 20
Ejemplo 5.4
Determine la energía interna del agua líquida comprimida a 80°C
y 5 MPa, con: datos de la tabla para líquido comprimido y datos
para líquido saturado. ¿Cuál es el error en el segundo caso?
Rpta: 333.82kJ/kg – 334.97kJ/kg – 0.34%
Tabla A-7 y Tabla A-4
ENERGÍA 1 21
Estado de referencia y valores de referencia
•Los valores de u, h y s no se pueden medir directamente y se calculan a partir de
propiedades medibles mediante las relaciones entre propiedades termodinámicas.
•Sin embargo con estas relaciones se obtienen CAMBIOS en las propiedades y no sus
valores específicos. Por eso es necesario elegir un estado de referencia y asignar un
valor cero para una o más propiedades convenientes en ese estado.
•Generalmente las tablas muestran distintos valores para algunas propiedades en el
mismo estado por usar un estado de referencia distinto.
•Pero la termodinámica se interesa en los CAMBIOS de las propiedades, por lo que el
estado de referencia es indiferente de los cálculos siempre y cuando que los valores
empleados sean de un solo conjunto congruente de tablas o diagramas.
ENERGÍA 1 22
Ejercicio 
Para el agua determinar las propiedades faltantes y las descripciones de fase en la
siguiente tabla:
ENERGÍA 1 23
Ecuación de estado del Gas Ideal
Cualquier ecuación que relacione la presión, la temperatura y el volumen específico
de una sustancia se denomina ecuación de estado.
La mas sencilla y mejor conocida para sustancias en fase gaseosa es la ecuación del
gas ideal, la cual predice el comportamiento P - v- T de un gas con bastante
exactitud.
 
 
 
 R: constante del gas R= / . M:masa molar 
 T: temperatura absoluta 
 P: presión absoluta 
 
uRPv RT KJ Kg K
M
K
KPa
  


3 : volumen específico /v m Kg   
ENERGÍA 1 24
Tabla A-1
ENERGÍA 1 25
¿El vapor de agua es un gas ideal?
•El vapor se puede considerar
como un gas ideal a presiones
inferiores a 10kPa sin importar su
temperatura, con un error
insignificante.
•Sin embargo a presiones
superiores, suponer que es un gas
ideal produce errores
inaceptables , sobre todo en la
línea del punto critico y la línea de
vapor saturado.
ENERGÍA 1 26
Factor de Compresibilidad
•Como hemos visto en la anterior gráficalos gases se desvían de manera
importante del comportamiento del gas ideal en estados cercanos a la región de
saturación y del punto critico.
•Esta desviación se toma en cuenta con exactitud mediante un factor de corrección
denominado factor de compresibilidad.
 1 (gases ideales)actual
ideal
Pv ZRT
V
Z Z
V

  
•Los gases se comportan de manera diferente a determinadas temperatura y
presión, pero de manera parecida a temperaturas y presiones normalizadas
respecto a sus temperaturas y presiones críticas. Así tenemos a la presión y
temperatura reducida respectivamente.
R T =R
cr cr
P T
P
P T

ENERGÍA 1 27
•El factor Z para todos los gases es aproximadamente el mismo a igual presión y
temperatura reducidas, esto se denomina principio de estados correspondientes.
•Gracias a esto obtenemos la carta de compresibilidad generalizada, que puede
emplearse para todos los gases.
ENERGÍA 1 28
De lo dicho anteriormente podemos
concluir:
•A presiones muy bajas (PR<<1), los
gases se comportan como un gas
ideal sin considerar la temperatura.
•A temperatura altas (TR>>2), es
posible suponer con buena precisión
el comportamiento de gas ideal,
independientemente de la presión
(excepto cuando PR>>1)
•La desviación de un gas respecto al
comportamiento de gas ideal es
mayor cerca del punto crítico.
ENERGÍA 1 29
Determine el volumen especifico del refrigerante
134a a 1MPa y 50°C con la ecuación de estado de gas
ideal. Compare los valores obtenidos con los de
tablas.
Tabla A-1
Ejemplo 5.5 
ENERGÍA 1 30
Otras ecuaciones de Estado …
Ecuación de Vander Waals
Ecuación de Beattie – Bridgeman
Ecuación de Benedic Webb Rubin
2
( )( )
a
P v b RT
v
  
2 23
(1 )( )u
R T c A
P v B
vTv v
   
2
/0
0 0 2 3 6 3 22 2
1
( ) (1 ) vuu
C bR T aRuT a c
P B R T A e
Tv v v v v T v
         
ENERGÍA 1 31
a) Determinar el cambio de energía interna específica del aire, si éste es
calentado desde 35°C hasta 150°C
b) Un recipiente rígido de 1m3 de volumen contiene 500 gramos de nitrógeno a
una presión de 150kPa. Se comienza a aumentar la presión hasta alcanzar los
250kPa. Determinar el cambio de entalpía en el gas.
La energía interna y la entalpía específica de una gas ideal dependen
únicamente de la temperatura.
Ejemplo 5.6