TERMODINÁMICA DEL AGUA II SUSTANCIAS PURAS CURVAS DEL AGUA

Transcripción

1 TERMODINÁMICA DEL AGUA II SUSTANCIAS PURAS CURVAS DEL AGUA ELABORÓ MSc. EFRÉN GIRALDO TORO REVISÓ PhD CARLOS A. ACEVEDO Presentación hecha exclusivamente con el fin de facilitar el estudio.

2 SIMULACIÓN CALENTAMIENTO AGUA Solo agua saturada Aún una fase A 100 agua saturada 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 1. Agua comprimida y saturada, vapor saturado y vapor sobrecalentado. v

3 Vapor saturado Se puede decir que es saturado porque con un mínimo de energía que se le agregue deja de ser saturado y se convierte en sobrecalentado. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 3

4 El vapor está saturado de energía También porque está a punto de volverse a condensar. Si eventualmente se pierde una mínima cantidad de calor en el vapor saturado, se condensará (cambio de fase de vapor a líquido). 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 4

5 Vapor sobrecalentado C Si gana energía Vapor saturado 100 C, 1 atm Si pierde energía Agua saturada 100 C, 1 atm Figura 2. Si el vapor saturado gana E, pasa a vapor sobrecalentado, si la pierde pasa a agua saturada. De otra manera, si al agua saturada se le agrega E, pasa a vapor saturado, y luego a vapor sobrecalentado. 5

6 Si un líquido saturado se calienta en un recipiente cerrado, el espacio libre sobre el líquido se llena rápidamente de vapor. Llega un momento donde las moléculas de gas comienzan a condensarse de nuevo, a volverse líquidas. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 6

7 Cuando el número de moléculas que se convierten en gas, son iguales al número de las se condensan, se dice que se logrado el equilibrio. Para lograr que siga aumentando rápidamente la vaporización se requiere retirar el vapor producido. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 7

8 Esta es la razón por la cual un líquido se enfría muy pronto cuando se induce una corriente de aire sobre él. Las moléculas de aire retiran las moléculas de vapor de la superficie del líquido. Las nuevas moléculas de vapor extraen energía térmica del líquido. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 8

9 En otras situaciones, las moléculas de líquido sobre un líquido, o sobre el cuerpo humano que pasan a vapor lo hacen porque extraen energía térmica del líquido o del cuerpo. Por tanto lo enfrían. Esta es una de las bases de la refrigeración. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 9

10 Vapor sobrecalentado Inmediatamente que toda el agua saturada se ha transformado en vapor, si se continua agregando calor, aumenta de nuevo la temperatura en el vapor y este se denomina vapor sobrecalentado. Por tanto se tiene de nuevo una región de una sola fase. Pero esta es vapor sobrecalentado. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 10

11 En este punto, transferir más calor al vapor sobrecalentado da como resultado un aumento de temperatura y de volumen específico. Entre más calor agregado más energía térmica tendrá el vapor sobrecalentado y mayor capacidad de realizar un trabajo. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 11

12 Un vapor que no ésta a punto de condensarse, es decir no es vapor saturado, se denomina vapor sobrecalentado. Notar que la T del vapor sobrecalentado es mayor que la del vapor saturado. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 12

13 solo agua saturada T solo vapor saturado Agua saturada + Vapor saturado T y P son constantes: 100 C y 1 atm Figura 3. Agua líquida comprimida, mezcla de agua saturada y vapo saturado, vapor sobrecalentado a 1atm. 13

14 Figura 4. Curva completa de calentamiento general para una sustancia pura desde el estado sólido hasta el gaseoso. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 14

15 El agua podrá hervir a otras temperaturas y presiones? Observe que el agua hierve o comienza a pasar a vapor a 100 C cuando la presión es 1 atm. A 1 atm el agua hierve a 100 C. Si se aumenta la presión qué pasará con la temperatura a la cual hierve el agua? Se requerirá de mayor temperatura? ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 15

16 La respuesta es rotundamente si. El agua puede pasar a vapor a otras temperaturas y presiones. Si se aumenta la presión, también la temperatura aumentará. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 16

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18 Si se disminuye la presión, la temperatura a la cual el agua hierve también disminuirá. Para una P1 hay una T1 Para una P2 existe una T2 Estos pares (T, P) de valores se denominan temperaturas y presiones de saturación. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 18

19 . 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 19

21 LINC INTERESANTE 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 21

22 Tablas de saturación... 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 22

23 Los alimentos se cuecen más rápido a una temperatura mayor. A una presión más alta se logra más rápido una mayor temperatura. Por tanto a una mayor presión se logra una cocción más rápida. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 23

24 El calentamiento más rápido o una cocción más rápida, no implica necesariamente que sea a la temperatura de ebullición normal. Se puede cocer más rápido a 115 C sin ebullición, que a 100 C con ebullición. Esto lo logran las ollas a presión o las microondas. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 24

25 Ahttp://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/kinetic/vappre.html#c3 LINC INTERESANTE 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 25

28 Las sustancias puras se emplean en muchos sistemas de ingeniería, incluyendo las plantas de potencia, muchos sistemas de refrigeración y sistemas de distribución térmica que usan el agua o el vapor de agua para transportar la energía. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 28

29 Domo del agua 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 29

30 Líneas de líquido saturado y vapor saturado a diversas presión. Comienza a hevir a T mayor que 100 C Comienza a hervir a 100 C 100 C Puntos Puntos Figura 5. Diferentes curvas de calentamiento del agua a varias presiones. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO (Cengel, 2009) 30

31 d e f h i 180 c j 100 C b a k L Figura 6. Si se unen los puntos de sólo líquido saturado abcdef (donde comienza a hervir el agua) con todos los de sólo vapor saturado fhijkl, se obtiene una curva abcdefhijkl de propiedades para el agua a diferentes presiones. Tiene forma de campana o domo. Cengel, 2009)

32 De la Figuras 5 y 6 se deduce que: A 1 atm (0,1 GPa) el agua hierve a 100 C A 1 Mpa el agua hierve a 180 C Entre más presión el agua hierve a T mayor. El volumen específico del agua saturada (cuando comienza a hervir) es mayor mientras mayor sea la presión. (los puntos abcde agua saturada se van corriendo a la derecha). 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 32

33 El volumen específico del vapor saturado es menor a mayor presión. Lo anterior porque los puntos Lkjih de solo vapor saturado se van corriendo a la izquierda a medida que la presión aumenta. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 33

34 Línea de líquido saturado. La línea izquierda abcdef que une los puntos donde el agua comienza a hervir o puntos de saturación del agua, se denomina línea de líquido saturado. (puntos de solo agua saturada) Figura 7. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 34

35 T Línea de líquido saturado f b e d c a Línea de líquido saturado Figura 7. La línea abcdef es la unión de todos puntos donde el agua comienza a hervir a diferentes presiones o puntos de líquido saturado total. Es por tanto la línea de líquido saturado. 35

36 Línea de vapor saturado La línea derecha fhijkl que une los puntos donde solo existe vapor saturado se denomina línea de vapor saturado. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 36

37 T Línea de vapor saturado f h i j k L Línea de vapor saturado Figura 8. La línea fhijkl es la unión de todos los puntos de vapor saturado total. Es por tanto la línea de vapor saturado. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 37

38 T Región de líquido comprimido f Líquido comprimido Líquido comprimido Líquido comprimidob a c d e h i j k L Figura 9. Toda la región azul a la izquierda de la línea abcdef es la unión de todas las diferentes líneas de líquido comprimido. Es por tanto la Región de Líquido comprimido. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 38

39 TRegión de saturación líquido vapor f Líquido comprimido Líquido comprimido c d e Región de saturación líquido y vapor h Región de saturación líquido y vapor Región de saturación líquido y vapor i j Líquido comprimidob Región de saturación líquido y vapor k L a Figura 10. La región interior naranja entre las líneas abcdef y hijkl es la unión de todas las líneas saturadas de líquido y vapor o de mezcla líquido saturado y vapor saturado. Es por tanto la Región de saturación líquido vapor.

40 T Región de vapor sobrecalentado f Región de vapor sobrecalentado e d c b a h Región de vapor sobrecalentado i Región de vapor sobrecalentado j Región de vapor sobrecalentado k Región de vapor sobrecalentado L Figura 11. La región a la derecha de la línea fhijkl es la Región de vapor sobrecalentado 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 40

41 T Líquido comprimido Líquido comprimido Líquido comprimidob a c d e f Región de saturación líquido y vapor h Región de saturación líquido y vapor Región de saturación líquido y vapor Región de saturación líquido y vapor Región de vapor sobrecalentado i Región de vapor sobrecalentado Región de vapor sobrecalentado j Región de vapor sobrecalentado k Región de vapor sobrecalentado L 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 41

42 Punto crítico En f la línea se vuelve un punto. Este punto se llama punto crítico porque es él ya no hay diferencia entre los estados líquido y gaseoso. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 42

43 Es el punto en que los estados de líquido saturado y vapor saturado coinciden: son los mismos Arriba del punto crítico el agua líquida pasa directamente a vapor sin formarse mezcla de agua líquida saturada y vapor saturado. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 43

45 En el punto f La presión, la temperatura y el volumen específico se denominan: Presión crítica Temperatura crítica Volumen específico crítico. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 45

46 Punto crítico del agua En el libro de Gengel, aparacen las propiedades críticas para varias sustancias en el apéndice A-1 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 46

47 A presiones superiores a la crítica hay cambio directo de fase líquida a vapor con el consiguiente aumento de volumen específico. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 47

48 También son comunes. Son similares pero ya no con isóbaras, sino con isotermas. Además la isotermas van hacia abajo. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 48

50 Hasta ahora en los diagramas vistos solo se ha trabajado con regiones líquidas y vapor. Es posible que estén involucrados los tres estados. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 50

51 En él se aprecian tres regiones, S, L, G, en las cuales el sistema se encuentra en las fases, sólida, (hielo), líquida, (agua), y gaseosa, (vapor). En cada una de estas regiones monofásicas el estado del sistema viene determinado por dos cualesquiera de las tres propiedades que definen los ejes. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 51

56 TABLAS DE SATURACIÓN Y CALIDAD : TABLAS DE SATURACIÓN, MEZCLAS Y CALIDAD, LÍQUIDO COMPRIMIDO, VAPOR SOBRECALENTADO. Las propiedades sobre las líneas de líquido saturado y vapor saturado se listan en las tablas de saturación para una sustancia dada. El subíndice f hace referencia al líquido saturado y el subíndice g hace referencia al vapor saturado. El subíndice fg es la resta entre los dos valores. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 56

57 MEZCLAS Y CALIDAD Una mezcla es parte líquido saturado y parte vapor saturado. Se pueden calcular las propiedades de la mezcla si se conoce cuánto de cada fase está presente. Esto se expresa por la calidad (x) de la mezcla, que es la fracción de masa de vapor. 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 57

58 Con objeto de poder evaporarse, una masa de agua, debe recoger una gran cantidad de calor de vaporización, lo cual produce enfriameinto, de modo que la evaporación es un potente mecanismo de enfriamiento 02/09/2015 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 58