Figura 1. Analista en Calidad de Alimentos- 1

Transcripción

1 FÍSICO - QUÍMICA: 2do año TEÓRICO 11 Vaporización 2.1 Propiedades de las sustancias puras. Una sustancia pura es aquella que tiene solaente una coposición quíica (hoogénea) y esta es invariable. Ejeplos: Agua H 2 O. Aire. Nitrógeno N 2 Helio He Dióxido de carbono C 2 O Aoniaco HN 3 Dióxido de Nitrógeno NO 2 Monóxido de carbono CO Una sustancia pura no tiene que estar conforada por un solo eleento o copuesto quíico, una ezcla de estos tabién califica coo una sustancia pura ejeplo: Una sola fase Aire (ezcla de varios gases) 2 fases hielo Agua Gasolina (ezcla hoogénea sustancia pura) C 8 H 18 Una ezcla de agua y aceite no es una sustancia pura. Fases de una sustancia pura El térino Fase se refiere a una cantidad de ateria la cual es hoogénea tanto en coposición quíica coo en estructura. Hoogeneidad en estructura significa que es toda sólida, toda liquida o todo vapor (o todo gas). Las sustancias existen en fases diferentes, por ejeplo a teperatura y presión abiente el cobre es sólido, el ercurio es líquido y el nitrógeno es gas, pero en condiciones diferentes cada uno podría aparecer en una fase diferente. Proceso de cabio de fases en una sustancia pura Asuaos un sistea de 1 kilograo de agua contenido dentro de un dispositivo cilindro ebolo coo se uestra en la figura 1.a: Figura 1 En donde la teperatura inicial es de 20 o C y 1 at (0,01 MPa) de presión, se transite calor al agua, la teperatura auenta apreciableente, el voluen especifico solo ligeraente peraneciendo la presión constante. Cuando la teperatura alcanza los 100 o C resultara una transisión de calor adicional, en el cabio de fase, coo se uestra en la figura 1.c. esto es que parte del liquido se evapora y durante este proceso la teperatura y la presión peranecen constante pero el voluen especifico auenta considerableente, cuando la últia gota de liquido se ha evaporado, la transisión de calor ulterior se traduce en un auento de la teperatura y del voluen especifico del vapor, figura 1.d. Este proceso lo podeos representar gráficaente ediante un grafico teperatura vs voluen específico coo se uestra en la figura 2: Analista en Calidad de Alientos- 1

2 Figura. 2 Teperatura de saturación es la teperatura en la cual se efectúa la vaporización a una presión dada y esta presión se llaa presión de saturación para la teperatura dada, el liquido que existe a esta teperatura y presión se llaa liquido saturado y el líquido que está por debajo de la teperatura de saturación se llaa liquido subenfriado o liquido copriido. Si la sustancia solo existe coo vapor a la teperatura de saturación se llaa vapor saturado. Cuando el vapor esta a una teperatura ayor a la teperatura de saturación se llaa vapor sobrecalentado. En la figura 2, A representa el estado inicial, B el estado del líquido saturado a 100 o C y a una atósfera de presión, La línea AB es el proceso durante el cual se calienta el liquido desde la teperatura inicial a la de saturación, la línea BC es el proceso a teperatura constante, en el cual tiene lugar un cabio de fase de liquido a vapor (ezcla saturada liquido-vapor, la fase liquida y de vapor están en equilibrio), la línea CD representa el proceso en el cual se sobrecalienta el vapor a presión constante, la teperatura y el voluen auentan en este proceso. Durante un proceso de cabio de fase resulta claro que la teperatura y la presión son propiedades dependientes y que hay una relación definida entre ellas, T sat = f(p sat ), Una grafica T sat en función de P sat se uestra en la figura 3 para el agua y se llaa curva de saturación liquido vapor, la cual es característica de todas las sustancias puras. En ella podeos observar que la T sat se increenta con la P sat y coo consecuencia una sustancia a ayor presión hervirá a teperaturas ás altas. Tanto la presión atosférica coo la teperatura de ebullición disinuyen con la altura. Diagraa T-v Figura 3 Anteriorente describios el proceso de cabio de fase del agua a una presión de 1 at (0,01 MPa), proceso que graficaos en la figura 2. Si repetios el proceso para varias presiones podeos elaborar el diagraa T-v. Si fijaos la presión a 1 MPa por ejeplo, el agua hervirá a una teperatura ucho as alta (179,9 o C) y segundo el voluen especifico del liquido saturado es as grande y el del vapor saturado as pequeño (ver Figura 4) que los valores correspondientes a 1at, es decir la línea horizontal que conecta los Analista en Calidad de Alientos- 2

3 estados liquido y vapor saturado es ás corta, de tal anera que a edida que auentaos la presión esta línea de saturación se acorta y se convierte en un punto a la presión de 22,06 MPa (para el caso del agua). Este punto se llaa punto critico y se define coo el punto en el que los estados de liquido saturado y de vapor saturado son idénticos. La teperatura, la presión y el voluen específico de una sustancia en el punto crítico se denoinan, respectivaente, teperatura critica T cr, presión critica P cr y voluen especifico critico v cr. Para el agua T cr = 373,95 o C, P cr = 22,06 MPa y el v cr = 0, /kg. Figura 4 A presiones superiores a la presión crítica no hay un proceso distinto de cabio de fase, pero el voluen específico auenta en fora continua y en todo oento hay una sola fase presente, arriba del estado crítico no hay línea que separe las regiones de líquido copriido y vapor sobrecalentado. Si conectaos los estados de liquido saturado ediante una línea llaada línea de liquido saturado y los de vapor saturado ediante la línea de vapor saturado, las cuales se unen en el punto critico (ver Figura 5), quedando en la región izquierda de la línea de liquido saturado la región de liquido copriido, en donde quedan todos los estados líquidos copriidos y los de vapor sobrecalentados se encuentran a la derecha de la línea de vapor saturado, en la región de vapor sobrecalentado. En estas dos regiones la sustancia existen en una sola fase, liquida o vapor. Todos los estados que abarcan abas fases en equilibrio es la llaada región de ezcla saturada de liquido-vapor o región húeda. Figura 5 Analista en Calidad de Alientos- 3

4 Diagraa P-v El diagraa P-v de una sustancia pura es siilar al diagraa T-v, pero las líneas de teperatura constante tienen una tendencia hacia abajo coo podeos observar en la figura 6. Para este caso asuaos agua liquida a 1 MPa de presión y a 150 o C, en este estado el agua existe coo un liquido copriido si quitaos presión al ébolo de anera que esta disinuya lentaente y se perite que el agua intercabie calor con el edio abiente de tal anera que la teperatura peranezca constante, a edida que disinuye la presión el voluen del agua auenta un poco, al alcanzarse la presión de saturación (0,4762 MPa) a la teperatura especificada el agua coienza a hervir. Durante este proceso de evaporación, tanto la teperatura coo la presión peranecen constantes, pero el voluen específico auenta. Cuando se evapora la últia gota de líquido, la reducción adicional de la presión produce un auento en el voluen específico. Cuando el proceso se repite para otras teperaturas se obtienen trayectorias siilares para los procesos de cabio de fases, al unir ediante una curva los estados de líquido saturado y vapor saturado se obtiene el diagraa P-v de una sustancia pura coo lo uestra la figura 6. Figura 6 Inclusión de la fase sólida en los diagraas En los diagraas ostrados hasta ahora solo están presentes los estados de equilibrio de las fases liquida y de vapor, al apliar estos diagraas de tal anera que incluyan la fase sólida, se ostraran las regiones sólido-liquido y sólido-vapor Figura 7 Los isos principios aplicados en los procesos de cabio de fase liquido-vapor se aplican a los sólidoliquido y sólido-vapor. En los procesos de solidificación (congelación) algunas sustancias se contraen y otras se expanden (coo el caso del agua) en la figura 7 se uestran los diagraas P-v para abas sustancias (el de la izquierda sustancia que se contraen al solidificarse), los diagraas T-v se ven uy siilares a los P-v. En estos diagraas podeos observar que las tres fases de una sustancia pura tabién coexisten en equilibrio, estos estados de tres fases foran una línea llaada línea triple. Diagraas P-T o diagraas de fases Se conocen coo diagraa de fases porque las tres fases están separadas entre si por tres líneas: la de subliación separa las regiones sólida y de vapor, la de evaporación separa las regiones liquida y de vapor y Analista en Calidad de Alientos- 4

5 la de fusión separa las regiones sólida y liquida, estas tres líneas convergen en el punto triple, donde las tres fases coexisten en equilibrio, la línea de evaporización finaliza en el punto critico ya que por encia de esta es no es posible distinguir la fase liquida y de vapor, en la figura 8 ostraos este tipo de diagraa, las sustancias que se contraen y se expanden difieren solo de la línea de fusión. Figura 8 El paso directo de la fase sólida a la fase de vapor se llaa subliación Fluido: es una sustancia que se defora continuaente, cuando se le aplica una fuerza tangencial, por uy pequeña que esta sea. En esta definición no se hace diferencia entre un liquido y un gas, aunque la diferencia entre un liquido y un gas es uy clara a presiones inferiores a la critica, el liquido toa la fora del recipiente que lo contiene y tiene un superficie libre; el gas lo llena todo copletaente y no tiene una superficie libre, a presiones superiores a la critica no hay diferencia arcada entre líquidos y vapores. Copresibilidad es una propiedad de la ateria a la cual se debe que todos los cuerpos disinuyan de voluen al soeterlos a una presión o copresión deterinada anteniendo constantes otros paráetros. En terodináica se define la copresibilidad de un sistea hidrostático coo el cabio relativo de voluen frente a una variación de la presión. Los fluidos encajan dentro de dos categorías que en general requieren un trataiento diferente: los fluidos copresibles y los fluidos incopresibles. Un fluido es copresible cuando al variar la presión su voluen tabién varía notableente ientras que es incopresible cuando sucede lo contrario. Sistea siple es aquél en el que sólo hay un odo por el que la energía del sistea puede alterarse significativaente ediante trabajo cuando el sistea describe un proceso cuasiestático. El estudio de un gran núero de sustancias y su coportaiento en diferentes procesos revela que a ayor núero de sustancias presentes en un sistea, con ás foras de intercabio de energía entre el sistea y sus alrededores, ás propiedades se requerirán para describir el equilibrio en estado estable de un sistea. Por lo que el estudio se liitará a sustancias puras, siples y copresibles. El térino siple y copresible iplica que solo se está considerando la fora de trabajo cuasiestático por cabio de voluen (trabajo PdV); en tanto que pura iplica que las sustancias tienen una coposición quíica hoogénea e invariable. De en adelante nos referireos a una sustancia pura siple y copresible solo coo sistea siple copresible. Dos propiedades terodináicas intensivas e independientes bastan para establecer el estado terodináico estable de un sistea siple copresible. Esto se conoce coo postulado de estado para un sistea siple copresible. El postulado de estado afira que, si dos de esas propiedades son independientes y conocidas, entonces todas las otras propiedades quedan especificadas en fora única. Si se conocen T y v para una sustancia pura y copresible, entonces P y u (energía interna especifica) tienen valores conocidos únicos. Mateáticaente, esto se expresa coo: P = f(t, v) y u = f(t, v). Analista en Calidad de Alientos- 5

6 Calidad de un sistea saturado Durante un proceso de evaporación, una sustancia existe coo una parte liquida y otra de vapor, es una ezcla de liquido saturado y vapor saturado, figura 9, para analizar esta ezcla de anera apropiada, es necesario conocer en que proporciones se encuentra la fase liquida y de vapor. Esto se consigue definiendo una nueva propiedad llaada calidad x y es la razón entre la asa de vapor y la asa total de la ezcla: x vapor total total liquido vapor f g La calidad tiene significado para ezclas saturadas, de ahi que las regiones de liquido copriido o vapor sobrecalentado no lo tengan, y su valor esta entre 0 y 1; la calidad de un sistea copuesto por liquido saturado sea de es 0 (0%) y la de uno copuesto por vapor saturado es de 1(1%).en estas ezclas saturadas, la calidad puede servir coo una de las dos propiedades intensivas independientes necesarias para describir un estado. Figura 9 Las propiedades del liquido saturado son las isas ya sea que este exista solo o en una ezcla con vapor saturado. Durante el proceso de vaporización solo cabia la cantidad de líquido saturado, no sus propiedades, lo iso sucede con el vapor saturado. Analista en Calidad de Alientos- 6