TERMODINÁMICA DEL AGUA I SUSTANCIAS PURAS CURVAS DEL AGUA

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1 TERMODINÁMICA DEL AGUA I SUSTANCIAS PURAS CURVAS DEL AGUA ELABORÓ MSc. EFRÉN GIRALDO TORO REVISÓ PhD CARLOS A. ACEVEDO

2 Contenido Sustancia pura Fase Curvas del agua Curvas del agua: Tv, Pv,PT Calor sensible Calor latente 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 2

3 Sustancias Puras. Conceptos Poseen una composición fija o definida en cualquiera de sus partes. Además deben poseer la misma composición química en los diferentes estados físicos de la materia (Líquido, sólido y gaseoso) 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 3

4 Presentan propiedades características, como la temperatura de ebullición (específica y constante) o la densidad. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 4

5 Las sustancias puras pueden ser: elementos, compuestos químicos y aún mezclas. Las mezclas pueden ser sustancias puras pero tienen necesariamente que ser homogéneas por ejemplo el aire. El aire de una habitación en cualquier parte tiene el mismo % de N,O, etc. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 5

6 Una mezcla de dos o más fases de una sustancia pura puede ser a su vez sustancia pura si la composición química es la misma: agua + hielo 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 6

7 El aire líquido más aire gaseoso no es sustancia pura porque no es homogénea. Muchas sustancias puras están formadas por un solo tipo de sustancia o materia: El oro, el hierro, la sal, el agua 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 7

8 Las sustancias simples compresibles son aquellas en las cuales solo hay trabajo de expansión o de compresión. Este trabajo produce un incremento de la energía del sistema. Esto implica que la sustancia simple queda definida por dos de sus propiedades. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 8

9 Fases Una fase debe cumplir tres características: 1. Misma composición química 2. Misma estructura: cristalina o amorfa 3. Separada de otras fases por una interfase. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 9

10 Dos propiedades termodinámicas independientes bastan para establecer el estado termodinámico estable de una sustancia pura simple y compresible. (T,P), (P,V), Al conocer los valores de estas dos propiedades, todas las demás se pueden hallar relativamente fácil. LINC INTERESANTE 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 10

11 Las máquinas de combustión interna y externa se pueden estudiar en forma práctica aproximada, considerando que operan con sustancias puras simples compresibles como fluidos de trabajo. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 11

12 Algunas mezclas inertes de sustancias puras, como el aire seco, pueden tratarse como sustancias puras con un pequeño error. Las sustancias puras más conocidas y útiles son el agua y el aire. Se emplean en numerosas máquinas térmicas. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 12

13 Curvas del agua Al graficar las propiedades T,P,v se forma un diagrama tridimensional Figura 1 para una sustancia pura tal como el agua. Si se conocen dos de estas propiedades la tercera queda definida. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 13

14 a h Figura 1. Diagrama PT v, para el agua, sustancia que se expande al solidificar. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 14

15 De este diagrama salen las tres siguientes curvas bidimensionales del agua: 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 15

16 Existen 3 clases de curvas del agua: Isóbaras: a presión constante: T vs v (volumen específico) o curvas de calentamiento del agua. Isotermas: a temperatura constante: P vs v (volumen específico). Isocoras: a volumen constante: P vs T 16

17 Curvas del agua a b c Figura 1abc. Curvas del agua: a) T vs v. Isobaras, presión constante. b) P vs v. Isotermas, temperatura constante. c) P vs T. volumen constante, Isocoras también llamados diagramas de fase. (Cengel, 2009) 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 17

18 Curvas de calentamiento de la sustancia pura agua. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 18 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 18

19 Cuando a presión constante, se calienta una sustancia, se puede trazar la curva de calentamiento Tv: Temperatura vs volumen específico. La más conocida es a 1 atm. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 19

20 Al calentar el agua líquida, va absorbiendo calor y llega un momento donde cambia del estado líquido al gaseoso Figura 2. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 20

21 T vs.v a P: constante T. C Comienza a hervir Incremento de T Curva a P cte. Incremento de T Cambio de estado T constante v Figura 2. Forma general de una curva de calentamiento T vs volumen específico v Para una sustancia pura. Al adicionar calor, inicialmente ocurre un calentamiento, luego un cambio de estado (T: constante) y posteriormente un incremento de nuevo de la temperatura. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 21

22 Zonas de T vs. v P constante Hierve a 100 C A 100 C el agua líquida se llama líquido saturado. (Líq comprimido + Vap saturado) Figura 3. Zonas de la curva de calentamiento a 1 atm: líquido comprimido, mezcla de líquido saturado y vapor saturado, vapor sobrecalentado. (Cengel, 2009) 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 22

23 Para cada presión existe una curva de calentamiento diferente. Si la presión es mayor que la atmosférica, la curva estará por encima de la curva atmosférica. Lo que significa que a mayor presión, el agua hierve mayor temperatura para hervir, Figura 2. Si es menor, estará por debajo. 23

24 Hierve a T mayor que 100 C Presión 1 atm. Hierve a 100 C 100 C Figura 4. Diferentes curvas de calentamiento del agua a varias presiones. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO (Cengel, 2009) 24

25 Gas Sólido Líquido Figura 5. Paso de un estado físico a otro según se adicione o se extraiga calor y sus respectivos nombres.

26 Líquido comprimido Figura 6. Agua comprimida Entre 0 y 100 C el agua existe en fase líquida y se denomina líquido comprimido o líquido subenfriado. Hay una solo fase y es líquida. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 26

27 Líquido comprimido significa simplemente que no está a punto de evaporarse. Que todavía le falta energía para volverse gas. No tiene que ver si se está haciendo presión adicional a la atmosférica sobre ella. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 27

28 Líquido comprimido o subenfriado CURVA SIMULACIÓN CALENTAMIENTO DEL AGUA T 100 C Agua líquida 0 C 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 28 v vaso-de-agua--liquido--mhttp:// Figura 7. El agua líquida comprimida: va desde un poco más de 0 C, hasta un poco menos de 100 C para una atmósfera de presión.

29 1 atm Figura 8. A 50 C el agua continua siendo un líquido comprimido Conforme se transfiere calor, la temperatura aumenta por ejemplo hasta alcanzar 50 C. Aún a esta temperatura el agua continua siendo un líquido comprimido o subenfriado porque aún no está a punto de evaporarse 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 29

30 Si se sigue transfiriendo calor al sistema la temperatura aumenta hasta un poco antes de alcanzar 100 C. Aún en este estado continua agua comprimida. El volumen aumenta ligeramente y si el agua está en un cilindro con un émbolo, este sube un poco, la presión sigue siendo la misma: 1 atm. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 30

31 Calor sensible El calor empleado para calentar el agua desde un poco más de 0 C hasta 100 C se denomina calor sensible. Es el calor que aumenta la temperatura de una sustancia. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 31

32 Agua saturada: agua a punto de evaporarse A 100 C el agua líquida está a punto de evaporarse. Deja de ser agua líquida comprimida y se le llama agua saturada. Saturada porque no soporta más calor sin transformarse a gas. Si le agrega un poco de calor deja de ser líquida y comienza a volverse vapor o gaseosa. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 32

33 El agua a 100 C y 1 atm, se llama agua saturada LINC CURVA SIMULACIÓN CALENTAMIENTO DEL AGUA T Acá solo agua saturada a 100 C : agua saturada Comienza a hervir Calor latente agua líquida comprimida Figura 9. A 100 C y 1 atm de presión el agua se denomina saturada. v ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 33

34 Líquido saturado Es decir, está a punto de iniciar un cambio de estado (también de fase) de líquido a vapor. Un líquido que está a punto de evaporarse se llama líquido saturado. A 100 C el agua comienza a evaporarse ( a nivel del mar y a 1 atm) 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 34

35 Este fenómeno se conoce como saturación y ocurre a una Temperatura y Presión constantes. Para 100 C la presión es de 1 atm Para 1 atm la temperatura es de 100 C 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 35

36 Paso de agua líquida saturada a vapor saturado Para que el agua pueda pasar de un estado de líquido saturado a uno de vapor saturado total (todo vapor) se requiere de un tiempo de transición y agregarle cierta cantidad de energía que se llama calor latente. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 36

37 Calor latente: calor necesario para un cambio de estado físico o de fase. Este proceso no es instantáneo. Si se hierve agua, se nota que el recipiente queda vació al cabo de cierto tiempo. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 37

38 > E < E Vapor saturado 100 C, 1 atm Si gana energía Agua saturada 100 C, 1 atm Si pierde energía Agua comprimida menos de 100 C, 1 atm > E > E Figura 10. Si el agua saturada gana E, pasa a vapor saturado, si la pierde, pasa a agua líquida comprimida. Al ganar E se pasa de agua comprimida a agua saturada y vapor saturado de agua. 38

39 Líquido saturado y vapor saturado A medida que transcurre el tiempo, va pasando más cantidad de líquido saturado a vapor saturado. Por tanto a 100 C coexisten 2 fases diferentes del agua (y dos estados diferentes). 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 39

40 Región bifásica: agua líquida saturada + vapor saturado Una vez que se inicia la vaporización o ebullición, la temperatura permanece constante a 100 C hasta que todo el líquido se evapora o pasa al estado gaseoso. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 40

41 SIMULACIÓN CALENTAMIENTO AGUA solo agua saturada T Aún una fase A un poco menos de 100 : solo agua comprimida. solo vapor saturado Región de 2 fases Mezcla de agua saturada + vapor saturado a100 C T y P son constantes: 100 C y 1 atm 25 C Figura 11. Agua comprimida, agua saturada, vapor saturado. v

42 Siempre que ocurre un cambio de estado o de fase: T y P= constantes Es decir, si la Presión se mantiene constante, durante el proceso de cambio de estado o de fase, la Temperatura también lo hará. Durante un proceso de ebullición, el único cambio observable es un aumento en el volumen del gas y una disminución del volumen del líquido. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 42

43 La temperatura se mantiene constante porque el calor suministrado se emplea en el cambio de estado. El estado gaseoso tiene mayor energía que el líquido. Por tanto hay que suministrar energía para que pueda ocurrir. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 43

44 Cuando el proceso se encuentra a la mitad de la evaporación, el cilindro contiene cantidades iguales de líquido y vapor. Conforme continúa la transferencia de calor, el proceso de evaporación continuará hasta evaporarse la última gota de líquido. En ese punto el cilindro esta llenó vapor saturado. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 44

45 Existen situaciones prácticas donde dos fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. Algunos ejemplos son: el agua existe como una mezcla de líquido y vapor en una caldera y en el condensador de una planta termoeléctrica, y el refrigerante pasa de líquido a vapor en el congelador de un refrigerador 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 45

46 El vapor está saturado de energía También se puede decir que está saturado de energía porque con un mínimo de energía que se agregue deja de ser saturado y se convierte en sobrecalentado. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 46

47 Si eventualmente se pierde una mínima cantidad de calor en el vapor saturado, se condensará (cambio de fase de vapor a líquido). Saturado también porque tiene el calor mínimo para ser vapor. Un vapor que está a punto de volverse a condensar, se llama vapor saturado. 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 47

48 Vapor sobrecalentado C Si gana energía Vapor saturado 100 C, 1 atm Si pierde energía Agua saturada 100 C, 1 atm Figura 12. Si el vapor saturado gana E, pasa a vapor sobrecalentado, si la pierde pasa a agua saturada. Si el agua saturada gana E, pasa a vapor saturado, y luego a vapor sobrecalentado 48

49 Bibliografía UPM: Página de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) España: a/termo1p/sistema.html Laplace. Departamento de Física aplicada III. Universidad de Sevilla: 1micos_(GIE)#Sistemas_termodin.C3.A1micos 0/1157/html/11_sistemas_termodinmicos.html 16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO

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