TERMODINÁMICA DEL AGUA III DIAGRAMAS 3D. ELABORÓ MSc. EFRÉN GIRALDO TORO. REVISÓ PhD CARLOS A, ACEVEDO-

Transcripción

1 TERMODINÁMICA DEL AGUA III DIAGRAMAS 3D ELABORÓ MSc. EFRÉN GIRALDO TORO. REVISÓ PhD CARLOS A, ACEVEDO-

2 Contenido Diagramas 3D Regiones monofásicas Regiones bifásicas o de mezcla Equilibrio líquido vapor Líneas de saturación de líquido y vapor Línea y punto triple Sublimación 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 2

3 USOS DEL AGUA Las sustancias simples compresibles se emplean en muchos sistemas de ingeniería, incluyendo las plantas de potencia, sistemas de refrigeración y sistemas de distribución térmica. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 3

4 La sustancia simple más comúnmente usada es el agua líquida (y otro de sus estados: el vapor de agua) para captar y transportar la energía y convertirla en otras fuentes energéticas como la eléctrica. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 4

5 El agua como agente de E Lo anterior debido a que el agua tiene la mayor capacidad de adsorber energía (a excepción del amoníaco) y cambia de un estado físico a otro en rangos prácticos de T. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 5

6 El agua tiene una calor específico de 4,18 kj/kg. Lo que significa que para elevar o variar la T a 1 kg de agua líquida en 1 C o en 1 K, se le debe suministrar 4,18 kj de energía 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 6

7 Centrales de Energía La mayor parte de la energía eléctrica mundial se genera a partir del agua, ya sea por centrales térmicas por medio de turbinas de vapor Figura 4, o por centrales hidroeléctricas Figura 5. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 7

8 Turbina Figura 4. Esquema de una central termoeléctrica: zona de combustión, caldera (paso de agua líquida a vapor), turbina, generador, líneas de transmisión de E eléctrica, condensador, torre de enfriamiento del agua. Tomado de: 8

9 En una central termoeléctrica Figura 4, la energía química de un combustible (gas, aceite, carbón) se convierte en energía térmica. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 9

10 La energía térmica convierte el agua líquida a vapor sobrecalentado a gran P y T, lo que a su vez mueve una turbina y esta, a un generador eléctrico. Es por tanto de suma importancia el conocimiento termodinámico del agua. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 10

11 Figura 5. Esquema de una central hidroeléctrica con sus principales componentes: represa en la parte alta, sistema de tubería de conducción del agua, turbina, generador, transmisión de E. Tomado de: 11

12 En la central hidroeléctrica la energía potencial del agua se convierte en energía cinética y esta en eléctrica. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 12

13 También se usa el vapor de agua como reactivo químico en la industria metalúrgica y petroquímica y el agua líquida como medio en la industria química en general. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 13

14 Muchos de los desarrollos más importante de la humanidad se han dado a partir de las propiedades del agua. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 14

15 Diagramas 3D Los diagramas de una sustancia también se pueden expresar como 3D. De hecho los diagramas 2D vistos anteriormente se pueden extraer de los 3D. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 15

16 LINC INTERESANTE 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 16

17 Gas Gas 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 17

18 Regiones monofásicas en un diagrama 3D En la Figura 1 se observan tres regiones monofásicas: sólido, líquido y gas. La región de líquido es costumbre llamarla líquido comprimido. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 18

19 La de gas vapor sobrecalentado. El estado del agua en estas regiones monofásicas viene determinado por dos cualesquiera de las tres propiedades que definen los tres ejes. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 19

20 Regiones bifásicas en un diagrama 3D 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 20

21 La temperatura y la presión no son propiedades independientes en una mezcla. La una depende de la otra. Si se conoce T automáticamente se conoce la P. Por lo tanto, estas dos propiedades intensivas no son suficientes para determinar el estado de una mezcla. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 21

22 Como ejemplo, el agua a 100 C tiene necesariamente una P de saturación de kpa. Ya la P está determinada por la T de saturación. Y puede ser un líquido saturado, vapor saturado, o una mezcla de los dos; no define un solo estado. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 22

23 Así que, aunque la temperatura y la presión de cada uno de estos estados sean idénticas, sus volúmenes específicos, energías internas, y entalpías para los diferentes estados son bastante diferentes y sólo pueden ser determinados si la calidad de la mezcla es conocida como se verá. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 23

24 Puntos y líneas de saturación de líquido o líquido saturado Un punto como el b en la Figura 2, situado entre una región de una fase, en este caso líquido, y otra región de dos fases, en este caso (líquido + vapor), representa un estado de líquido saturado. El conjunto de puntos de saturación forma la línea de líquido saturado abcdf. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 24

25 comprimido f c d Línea de T constante Línea de Presión constante b g a saturados sobrecalentado h Figura 2. Puntos y líneas de saturación en un diagrama de fases 3D para líquido saturado abcf y para vapor saturado fdgh. Se aprecia también las regiones de líquido comprimido, la región bifásica o de mezcla líquido saturado + vapor saturado y vapor sobrecalentado. Tomado y modificado de: 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO

26 Es un líquido saturado de calor o sea que ya no soporta más energía calórica: Está a punto de comenzar a volverse vapor. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 26

27 Significa que el líquido está justo entre los dos estados. O sea, que con un pequeño aumento de E se vuelve vapor. O con una disminución de T se vuelve Liq comprimido. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 27

28 Línea de líquido saturado La unión de los puntos de saturación genera la línea de saturación abcf. Lo que significa que cualquier punto de la línea de saturación abcf es un líquido saturado o a punto de volverse vapor o a punto de convertirse en líquido comprimido. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 28

29 Región de mezcla o bifásica La región central entre la línea de líquido saturado abcf (exceptuando f) y la línea de vapor saturado fdgh representa la zona de mezcla de líquido saturado + vapor saturado. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 29

30 A medida que nos desplazamos hacia la izquierda en la línea ghdf, disminuye la cantidad de vapor saturado y aumenta la cantidad de líquido saturado. En esta zona es importante una propiedad denominada la calidad. La cual expresa la fracción de vapor existente en la mezcla. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 30

31 Puntos de saturación de vapor o de vapor saturado Al llegar al punto g todo el líquido saturado se ha convertido en vapor saturado. Este vapor saturado está a punto de convertirse en vapor sobrecalentado Por tanto en el punto dgh y similares sólo hay vapor saturado, nada de líquido saturado. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 31

32 La línea dgh de la Figura 2 representa el límite entre la región bifásica (líq sat + vapor sat) y la región monofásica de vapor sobrecalentado. Esta línea representa todos los puntos de vapor saturado. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 32

33 Estado de equilibrio líquido-vapor Figura 3. (Cengel,2004) Se dice que una sustancia está en un estado dado en equilibrio con otro estado de la misma, cuando las cantidades relativas de ambos estados permanecen constantes (además de las condiciones mencionadas antes). Si en un recipiente, el agua líquida está en equilibrio con vapor de agua, ambas cantidades permanecen constantes. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 33

34 Lo anterior no implica que no pase líquido a vapor o vapor a líquido. Se debe cumplir que la cantidad de moléculas que pasan de líquido a vapor sea igual a la cantidad de moléculas que pasa de vapor a líquido. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 34

35 Línea triple. Punto triple Figura 4. Estado sólido, líquido y gaseoso en equilibrio. (Cengel,2004) La línea horizontal ah triple state o estado triple, significa la línea donde a una T y P dadas, llamadas triples, existen simultáneamente los tres estados físicos de la materia en equilibrio. Tomado de: Young, University Physics, 8ª Ed., Tabla 16-3ble 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 35

36 a h 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO

37 También se denomina punto triple porque cuando el diagrama 3D se proyecta en 2D a uno PT, la línea triple se convierte en un punto triple. Para el agua la T triple= 273,16 K (0,01 C) y la P triple= 0,6167 kpa, siendo el volumen variable. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 37

38 Por debajo del punto triple ninguna sustancia puede existir en fase líquida en equilibrio a bajas presiones, como se aprecia en la Figura 5. Así, el agua no existe en forma líquida bajo 0 C a presiones alrededor de 1 atm (Cengel, 2004) 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 38

39 Pero si pueden existir sustancias líquidas bajo la T triple (0.001 C) a altas presiones. El agua a -20 C existe en forma líquida a presiones de 200 MPa 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 39

40 Figura 6. Sublimación. (Cengel,2004) 5 (Cengel, 2004) 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 40

41 Bibliografía Cengel, Y., y Boles, M. (2007). Termodinámica. Mc Graw Hill. 5 ed. México. Sala, A. (2014). Rompiendo la segunda ley de la termodinámica. Diaphoros Magazine. Año 1 no 1, Enero Tomado el día 24 de Junio de 2014 de: pdf Piñero, R. (2014). Volúmenes de control. Tomado el 22 Junio de 2014 de: 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 41

42 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 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 42