Propiedades de sustancias

Transcripción

1 Propiedades de sustancias

2 Objetivos Entender conceptos clave... como fase y sustancia pura, principio de estado para sistemas simples compresibles, superfice p-v-t, temperatura de saturación y presión de saturación, mezcla de dos fases líquido-vapor, calidad, entalpía, y calores específicos. Aplicar el balance de energía a sistemas cerrados con datos de propiedades.

3 Objetivos Esquematizar diagramas T-v, p-v, así como diagramas de fase, y localizar estados en estos diagramas. Obtener datos de propiedades de tablas.

4 Fase Una cantidad de materia que es homogenea tanto en su composición química como en su estructura física. Homogenea en términos de la estructura física significa que la materia es toda solida, o toda líquida, o toda vapor (gas). Ejemplos: El aire que respiramos es una fase gaseosa constituída de una mezcla de gases. El agua con hielos tiene dos fases de agua: liquida y sólida.

5 Substancia Pura Una subtancia que es uniforme e invariable en su composición química. Una sustancia puede estar presente en más de una fase, pero su composición química debe ser la misma para cada fase. Ejemplos: El agua con hielos es un ejemplo sustancia pura dado que cada fase tiene la misma composición. Una mezcla de aire-combustible en el cílindro de un motor de un auto puede considerarse una sustancia pura en tanto ocurre la ignición.

6 Principio de estado para sistemas compresibles simples Los sistemas de sustancias puras con los que es posible tratar se denominan sistemas compresibles simples. Las propiedades de estas sustancias están registradas en tablas. El estado intensivo de un sistema compresible simple en equilibrio queda descrito por sus propiedades intensivas, como temperatura, presión, volumen específico, densidad, energía específica interna, y entalpía específica. Las propiedades como velocidad y elevación están excluídas pues sus valores pueden ser ambiguos debido a qué valor corresponde a su cero. Para el principio de estado, estas propiedades son irrelevantes.

7 Principio de estado para sistemas compresibles simples No todas las propiedades intensivas son relevantes (independientes). Algunas están relacionadas por definición por ejemplo, la densidad es 1/v y la entalpía específica es u + pv. Otras encuentran su relación a partir de funciones construidas de experimentos. Algunas propiedades intensivas pueden ser independentientes en una sóla fase, pero devienen dependientes cuando está presente más de una fase.

8 Principio de estado para sistemas compresibles simples Para un sistema compresible simple, los valores para cualesquiera dos propiedades intensivas independientes fijan los valores de todas las otras propiedades intensivas. Este es el principio de estado para sistemas compresibles simples. Entre las opciones de selección de estas dos propiedades intensivas, (T, v) y (p, v) son a menudo útiles. En breve se mostrará que la temperatura y la presión no siempre son independientes.

9 Superfice p-v-t Para sistemas compresibles simples puros, la presión puede quedar fija por la temperatura y el volumen. espcífico: p = p(t, v) La gráfica de esta relación para agua está representada por la superfice p-v-t que se ilustra. Las regiones de una sola fase en la superficie incluyen sólido, líquido y vapor. Las regiones de dos fases están localizadas entre regiones de una sola fase, en éstas dos fases coexisten en equilibrio : líquido-vapor, sólido-vapor, sólidolíquido.

10 Superfice p-v-t La región en forma de domo de los estados de dos fases líquido-vapor se llama domo vapor. Un estado al cual un cambio de fase inicia o termina se llama estado de saturación. Las líneas que delimitan al domo se llaman líneas de líquido y vapor saturado. En la parte superior del domo, en donde se juntan las líneas de líquido y vapor saturado, está el punto crítico. Temperatura crítica (T c ) es la temperatura máxima a la cual las fases de líquido y vapor pueden coexistir en equilibrio. Presión crítica(p c ) es la presión en el punto crítico.

11 Proyecciones de la superficie p-v-t La proyección de la superfice p-v-t en el plano presión temperatura es un diagrama de fase. Temperatura de saturación designa la temperatura a la cual un cambio de fase toma lugar a una presión dada. Presión de saturación designa la prsión a la cual un cambio de fase toma lugar a una temperatura dada En una región de dos fases la presión y temperatura no son independientes.

12 Proyecciones de la superficie p-v-t La proyecciones de la superficie p- v-t en el plano de presiónvolumen específico resultan en un diagrama p-v. La proyecciones de la superficie p-v-t en el plano de temperatura-volumen específico resultan en un diagrama T-v

13 Cambio de fase Consideremos un sistema cerrado que consiste de una masa unitaria de agua líquida a 20 o C dentro de un conjunto pistón-cilíndro. Este estado se representa por l (resaltado por el punto azul). Los estados líquidos como este, donde la temperatura es menor que la correspondiente a la temperatura del estado de saturación, se denominan estados de líquido comprimido. l

14 Líquido saturado Conforme el sistema se calienta a p cte, la temperatura se incrementa sustancialmente mientras que v, aumenta poco. Finalmente, el sistema alcanza el estado representado por f (resaltado por el punto azul). Este es el estado de líquido saturado que corresponde a la p dada. f

15 Mezcla de dos fases líquido vapor Cuando el sistema está en el estado de líquido saturado la transferencia de calor adicional a p dada resulta en la formación de vapor sin cambio en la temperatura pero con un incremento considerable en el volumen específico como se ilustra por el movimeinto del punto azul. Con calor adicional a p dada, más vapor se forma y un incremento adicional en v ocurre ilustrado por el movimiento adicional del punto azul. En estos estados el sistema consiste de la mezcal de dos fases líquido f vapor.

16 Mezcla de dos fases líquido vapor Cuando una mezcla de líquido y vapor coexiste en equilibrio, la fase líquida es líquido saturado y la fase de vapor es vapor saturado. Para una mezcla de dos fases líquido vapor, el cociente de la masa de vapor presente entre la masa total de la mezcla es su calidad, x. mvapor x El valor de la mlíquido mvapor calidad va de 0 a 1. En los estados de líquido saturado, x = 0.

17 Vapor saturado Si el sistema se calienta hasta que la última pizca de líquido se evapora se alcanza el estado de vapor saturado. Este estadose representa por g (resaltado por el punto azul). En los estados de vapor saturado, x = 1. g

18 Vapor sobrecalentado Cuando el sistema está en el estado de vapor sturado, el calentamiento adicional a p dada da lugar al incremento tanto en temperatura como en volumen específico. Este estado está representado por s (resaltado por el punto azul). Los estado de vapor como este, donde la temperatura es mayor que la temperatura de saturación que corresponde a la presión del estado, se denominan estados de vapor sobrecalentado. s

19 Tablas de vapor Las tablas de las propiedades de diferentes sustancias suelen presentarse en un formato similar. las tablas para agua, llamadas las tablas de vapor, ejemplifican este formato. Tabla A-4 para agua en estados de vapor sobrecalentado. Tabla A-5 para agua en estados de líquido comprimido. Tablas A-2 y A-3 para agua en estados de dos fases, mezcla de líquido-vapor.

20 Regiones de una sola fase Como p y T son propiedades independientes en las regiones de una fase de líquido y vapor, éstas pueden usarse para fijar el estado en estos casos. Tablas A-4 (Vapor sobreclaentado) ya-5 (Líquido comprimido) proporcionan varias propiedades en función de p y T, como se ilustra a continuación. Table A-5 Table A-4

21 Temperatura (T) Presión (p) Vol específico (v) Energía interna esp. (u) Regiones de una sola fase Propiedades tabuladas en las Tablas A-4 y A-5 incluyen Entalpía esp. (h), que es una suma de términos que aparece en el análisis termodinámico: h = u + pv Table A-5 Table A-4 La entalpía es una propiedad pues está definida en términos de propiedades.

22 Regiones de una sola fase Ejemplo: propiedades asociadas con vapor sobrecalentado a 10 MPa y 400 o C se localizan en la Tabla A-4. v = m 3 /kg u = kj/kg Tabla A-4 h = kj/kg s = kj/kg K T o C v m 3 / kg u kj/ kg h kj/ kg s kj/ kg K v m 3 / kg u kj/ kg h kj/ kg s kj/ kg K p = 80 bar = 8.0 MPa (Tsat = o C) p = 100 bar = 10.0 MPa (Tsat = o C) Sat

23 Interpolación lineal Cuando un estado no corresponde a las entradas de una tabla de propiedades, se emplea la interpolación lineal entre valores adyacentes. Ejemplo: El vol específico (v) asociado con vapor sobrecalentado a 10 bar y 215 o C se encuentra por interpolación lineal entre valores adyacentes en la Tabla A-4. ( ) m 3 /kg (v ) m 3 /kg pendiente = = v = m 3 /kg ( ) o C ( ) o C Tabla A-4 T o C v m 3 / kg u kj/ kg h kj/ kg s kj/ kg K p = 10 bar = 1.0 MPa (Tsat = o C) Sat

24 Región de dos fases líquido vapor Tablas A-2 (Tabla de Temperatura) y A-3 (Tabla de Presión) proporciona Datos líquido saturado (f) Datos vapor saturado (g) Nota tabla : El v para líquido saturado, es v f Tabla A-2 Temp o C Press. bar Specific Volume m 3 / kg Sat. Sat. Liquid Vapor Internal Energy kj/ kg Sat. Sat. Liquid Vapor Sat. Liquid Enthalpy kj/ kg Evap. Sat. Vapor Sat. Liquid Entropy kj/ kg K Sat. Vapor vf 10 3 vg uf ug hf hfg hg sf sg Temp o C

25 Región de dos fases líquido vapor El v de una mezcla de dos-fases líquidovapor se se puede determinar a partir de las tablas de saturación y la calidad, x. El volumen total de la mezcla es la suma de los volumenes: de las fases de líquido y vapor V = V liq + V vap Dividiendo por la masa total del sistema, m, un v específico promedio de la mezcla es: V V V v Con V liq = m liq v f, V vap = m vap v g, m vap /m = x, y : v = (1 x)v f + xv g = v f + x(v g v f ) m liq m vap m m liq /m = 1 x

26 Región de dos fases líquido vapor Como la presión y la temperatura NO son propiedades independientes en la región líquidovapor, éstas no pueden ser usadas para fijar el estado. La propiedad, calidad (x), definida solo en la región de dos fases, así como temperatura o presión se pueden usar para fijar el estado en esta región. v = (1 x)v f + xv g = v f + x(v g v f ) u = (1 x)u f + xu g = u f + x(u g u f ) h = (1 x)h f + xh g = h f + x(h g h f )

27 Región de dos fases líquido vapor Ejemplo: Un sistema consiste de una mezcla de dos fases de líquido y vapor a 6 o C y una calidad de 0.4. calcula v, en m 3 /kg, de la mezcla. Solución: de v = v f + x(v g v f ) Al sustituir valores de la Tabla A-2: v f = m 3 /kg y v g = m 3 /kg: v = m 3 /kg + 0.4( ) m 3 /kg v = m 3 /kg Tabla A-2 Temp o C Press. bar Specific Volume m 3 / kg Sat. Sat. Liquid Vapor Internal Energy kj/ kg Sat. Sat. Liquid Vapor Sat. Liquid Enthalpy kj/ kg Evap. Sat. Vapor Sat. Liquid Entropy kj/ kg K Sat. Vapor vf 10 3 vg uf ug hf hfg hg sf sg Temp o C

28 Uso de propiedades en el balance de energía de sistemas cerrados Ejemplo: Un conjunto de pistón cilíndro contiene 2 kg de agua a 100 o C y 1 bar. El agua se compime a un estado de vapor saturatdo donde la presión es 2.5 bar. Durante la compresión, la transferencia de energía por calor, del agua a sus alrededores, tiene una magnitud de 250 kj. Despreciando los términos de energía potencial y cinética, calcula el trabajo, en kj, para este proceso. Estado 1 T 1 = 100 o C p 1 = 1 bar 2 kg de agua Estado 2 Vapor saturado p 2 = 2.5 bar T T 1 = 100 o C p 2 = 2.5 bar 2 1 p 1 = 1 bar Q = 250 kj v

29 Uso de propiedades en el balance de energía de sistemas cerrados Solución: El balance de energía para un sistema cerrado es 0 0 DEK + DEP +DU = Q W donde los cambios de energía potencial y cinética se desprecian. Por tanto W = Q m(u 2 u 1 ) El estado 1 está en la región de vapor sobrecalentado p 1 = 1 bar y T 1 = 100 o C. De la Tabla A-4, u 1 = kj/kg. El estado 2 es vapor saturado a p 2 = 2.5 bar. De la Tabla A- 3, u 2 = u g = kj/kg. W = 250 kj (2 kg)( ) kj/kg = 311 kj El signo negativo implica que el trabajo se hizo sobre el sistema como se espera en un proceso de compresión.