Una sustancia que tiene una composición química fija recibe el nombre de sustancia pura.
Por ejemplo el agua, el nitrógeno, el helio y el dióxido de carbono son sustancias puras.
Una sustancia pura no tiene que ser de un solo elemento químico o compuesto la mezcla de diferentes elementos o compuestos químicos también es una sustancia pura siempre que la mezcla sea homogénea.
El aire por ejemplo es una mezcla de varios gases con frecuencia se considera como una sustancia pura por que tiene una composición química estable y uniforme.
Una mezcle de dos o mas fases de una sustancia pura sigue siendo sustancia pura siempre que la composición química de las fases sea la misma.
Ejemplo: una mezcla de hielo y agua es una sustancia pura porque ambas fases tienen la misma composición química.
El aire liquido y el aire gaseoso no es una sustancia pura
Fases de una sustancia pura.
Las sustancias en fases deferentes a temperatura y presión ambiente. El cobre es un solido, el mercurio es un liquido y el nitrógeno es un gas, en condiciones diferentes cada uno aparece en una fase diferente aunque hay tres fases principales. Solida, liquida y gaseosa. Una sustancia tiene varias fases dentro de una fase principal cada una con una estructura molecular diferente los enlaces moleculares mas fuertes se da en los sólidos y los mas débiles se da en los gaseosos.
Las moléculas de un solido se arreglan en un patrón tridimensional que se repite por todo el sistema
El espacio molecular en la fase liquida es parecido a la fase solida excepto que las moléculas no mantienen posiciones fijas entre si. En un liquido, un grupo de moléculas flotan unas con otras.
En la fase gaseosa las moléculas están bastante apartadas unas de otras y no hay un orden molecular las moléculas de gas se unen al azar en continuo choque entre si y con las paredes de resistentes por tanto el gas debe liberar una gran cantidad de energía antes de que pueda condensarse o congelarse.
Proceso de cambio de fase de sustancias puras:
El agua existe como una mezcla de liquido y vapor en la caldera y en el condensador de una caldera termoeléctrica.
El refrigerante pasa de liquido a vapor en el congelador de un refrigerador.
Liquido comprimido y liquido saturado
Consideremos un dispositivo embolo que tiene agua liquida a 20°c y una atmosfera de presión le llamamos estado 1, en estas condiciones el agua consiste en una fase liquida y se define como liquido comprimido o liquido sub-enfriado lo que significa que no esta apunto de evaporarse el calor se transfiere al agua hasta que su temperatura aumenta a 40°c a medida que aumenta la temperatura el agua liquida tendrá cierta expansión y por ello aumentara u volumen especifico.
Como respuesta a su expansión el embolo se moverá ligeramente hacia arriba durante este proceso el cilindro permanecerá constante en una atmosfera , ya que depende de la presión existente en el exterior y del peso del embolo que son constantes en este estado el agua sigue siendo un liquido comprimido puesto que no ha comenzado a evaporarse.
Conforme se transfiere mas color la temperatura aumentara hasta que alcance 100°c en este punto el agua sigue siendo liquido pero cualquier adición de calor no importa cuan pequeña sea ocasionara que u n poco de liquido se evapore.
esta por suceder un proceso de cambio de fase de liquido a vapor . Un liquido que esta apunto de evaporarse recibe el nombre de liquido saturado será el estado 2.
Vapor saturado o vapor sobrecalentado: una vez empieza la ebullición el aumento de temperatura se detendrá hasta un liquido se evapore por completo la temperatura permanecerá constante. Durante podo proceso de cambio de fase la presión se mantiene constante.
Es posible verificarlo con posibilidad colocando un termómetro dentro del agua que hierve sobre un horno, a nivel termal (presión una atmosfera) el termómetro siempre leerá 100°c aun si el recipiente esta cubierto o descubierto
Durante el proceso de evaporación (ebullición) el único cambio observable es un aumento de volumen y una disminución estable en el nivel del liquido y como resultado el liquido convertido en vapor. Cuando este ala mitad de la línea de evaporación estará en estado 3. El cilindro tendrá cantidades iguales de liquido y vapor. Conforme halla calor el proceso de evaporación continuara hasta que la ultima gota se evapore estado 4. En este punto se llena por completo con vapor que supero la frontera de la fase liquida en este momento cualquier perdida de calor cuan pequeña sea provocara que se condense un poco de calor.
CAMBIO DE FASE DE VAPOR A LIQUIDO:
un vapor apunto de condensarse recibe el nombre de vapor saturado por tanto el estado 4 es un estado de vapor saturado.
Una sustancia entre el estado 2 y 4 se conoce como mezcla saturada de liquido a vapor debido a que las fases liquidas coexisten en equilibrio de estos estados.
LIQUIDO COMPRIMIDO Y SATURADO.
Consideremos un dispositivo embolo que tiene agua liquida a 20°c y una atmosfera de presión le llamamos estado 1, en estas condiciones el agua consiste en una fase liquida y se define como liquido comprimido o liquido sub-enfriado lo que significa que no esta apunto de evaporarse el calor se transfiere al agua hasta que su temperatura aumenta a 40°c a medida que aumenta la temperatura el agua liquida tendrá cierta expansión y por ello aumentara u volumen especifico.
Como respuesta a su expansión el embolo se moverá ligeramente hacia arriba durante este proceso el cilindro permanecerá constante en una atmosfera , ya que depende de la presión existente en el exterior y del peso del embolo que son constantes en este estado el agua sigue siendo un liquido comprimido puesto que no ha comenzado a evaporarse.
Conforme se transfiere mas color la temperatura aumentara hasta que alcance 100°c en este punto el agua sigue siendo liquido pero cualquier adición de calor no importa cuan pequeña sea ocasionara que u n poco de liquido se evapore.
esta por suceder un proceso de cambio de fase de liquido a vapor . Un liquido que esta apunto de evaporarse recibe el nombre de liquido saturado será el estado 2.
VAPOR SATURADO O SOBRECALENTADO.
una vez empieza la ebullición el aumento de temperatura se detendrá hasta un liquido se evapore por completo la temperatura permanecerá constante. Durante podo proceso de cambio de fase la presión se mantiene constante.
Es posible verificarlo con posibilidad colocando un termómetro dentro del agua que hierve sobre un horno, a nivel termal (presión una atmosfera) el termómetro siempre leerá 100°c aun si el recipiente esta cubierto o descubierto.
Durante el proceso de evaporación (ebullición) el único cambio observable es un aumento de volumen y una disminución estable en el nivel del liquido y como resultado el liquido convertido en vapor. Cuando este ala mitad de la línea de evaporación estará en estado 3. El cilindro tendrá cantidades iguales de liquido y vapor. Conforme halla calor el proceso de evaporación continuara hasta que la ultima gota se evapore estado 4. En este punto se llena por completo con vapor que supero la frontera de la fase liquida en este momento cualquier perdida de calor cuan pequeña sea provocara que se condense un poco de calor.
MEZCLA SATURADA LIQUIDO VAPOR.
Durante un proceso de evaporación una sustancia existe como parte liquida y como parte vapor. Esto es una mezcla de liquido y vapor saturado para analizar esta mezcla de manera apropiada es necesario conocer las propiedades de la fase liquida, vapor en la mezcla.
Esto se obtiene al definir una nueva propiedad llamada CALIDAD (X). Como la razón entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla.
Mt= mliq.+ mvapor. mt= mf + mg.
La calidad tiene importancia solo para mezclas saturadas, su valor se encuentra entre 0 y 1 la cantidad de u n sistema compuesto por liquido saturado es (0) cero, (0%), y la calidad de un sistema compuesto por vapor saturado es (1) un, (100%), en mezclas saturadas la cantidad puede servir como una de dos propiedades intensivas independientes necesarias para descubrir un estado.
Se debe tener encuentra que las propiedades del liquido saturado son las mismas siempre que el exista solo o en una mezcla con vapor saturado.
Durante el proceso de evaporización solo cambia la cantidad de liquido saturado no sus propiedades lo mismo sucede con el vapor saturado.
Una mezcla saturada puede tratarse como una combinación de dos subsistemas el liquido saturado y el vapor saturado sin embargo la cantidad de masa en cada fase suele desconocerse. En ese caso las propiedades de mezcla serán las propiedades promedio de esta mezcla liquido – vapor considerada.
Esto se ejemplifica a continuación:
Considere un tanque que contiene una mezcla saturada de Liquido – vapor. El volumen ocupado por el liquido saturado es Vf y el volumen que contiene vapor saturado Vg.
El volumen total V es la suma de ambos tenga en cuenta el análisis que se hace por cada uno de los procesos de acuerdo a las variables en cada ejercicio de trabajo.
FORMULAS:
V= Vf + Vg.
V= mv m1Vav= mfVf + mgVg.
Mf= mt – mg mtVav= (mt – mg)Vf + mgVg/mt.
Vav= (1 – X) Vf + Xvg.
Vav= Vf + XVfg.
X= Vav – Vf/Vfg.
Uav= Uf + Xufg.
Hav= Hf + XHfg.
EJERCICIOS CON TABLAS.
1. Con una entropía de mezcla 5,3021 Kj/(KgxK) y una energía interna de vapor 2543,6 Kj/Kg, halle:
Presión= 300 Kpas.
Temperatura= 133,35 ºC.
Volumen especifico= 0,6058 m3/Kg.
Energía interna= 2543,6 Kj/Kg.
2. Con una presión 30 Mpas y una entalpia de 1229
Kj/Kg, halle:
Volumen especifico= m3/Kg.
Energía interna= 1190,7 Kj/Kg.
Entropía= 2,9986 KJ/(KgxK).
3. a 2000 PSIA con volumen 0,019191 pie3/lbm, halle:
Temperatura= 450 ºF.
Energía interna= 424,04 Btu/lbm.
Entalpia= 431,14 Btu/lbm.
Entropía= 0,62313 Btu/(lbmxR).