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TERMODINÁMICA DEL AGUA I

SUSTANCIAS PURAS

CURVAS DEL AGUA

ELABORÓ MSc. EFRÉN GIRALDO TOROREVISÓ PhD CARLOS A. ACEVEDO

Contenido

Sustancia pura

Fase

Curvas del agua

Curvas del agua: T𝑣, P𝑣,PT

Calor sensible

Calor latente

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Sustancias Puras. Conceptos

Poseen una composición fija o definida encualquiera de sus partes.

Además deben poseer la mismacomposición química en los diferentesestados físicos de la materia (Líquido,sólido y gaseoso)

Presentan propiedades características,como la temperatura de ebullición(específica y constante) o la densidad.

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Las sustancias puras pueden ser: elementos,

compuestos químicos y aún mezclas.

Las mezclas pueden ser sustancias puras perotienen necesariamente que ser homogéneaspor ejemplo el aire.

El aire de una habitación en cualquier parte tiene el mismo % de N,O, etc.

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Una mezcla de dos o más fases de unasustancia pura puede ser a su vezsustancia pura si la composición químicaes la misma: agua + hielo

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El aire líquido más aire gaseoso no essustancia pura porque no es homogénea.

Muchas sustancias puras estánformadas por un solo tipo de sustancia omateria: El oro, el hierro, la sal, el agua…

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Las sustancias simples compresibles son aquellas

en las cuales solo hay trabajo de expansión o de

compresión. Este trabajo produce un incremento

de la energía del sistema.

Esto implica que la sustancia simple queda

definida por dos de sus propiedades.

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Fases

Una fase debe cumplir tres características:

1. Misma composición química

2. Misma estructura: cristalina o amorfa

3. Separada de otras fases por una interfase.

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Dos propiedades termodinámicas independientes

bastan para establecer el estado termodinámico

estable de una sustancia pura simple y compresible.

(T,P), (P,V),…

Al conocer los valores de estas dos propiedades,

todas las demás se pueden hallar relativamente fácil.

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LINC INTERESANTE

Las máquinas de combustión interna yexterna se pueden estudiar en formapráctica aproximada, considerando queoperan con sustancias puras simplescompresibles como fluidos de trabajo.

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Algunas mezclas inertes de sustanciaspuras, como el aire seco, puedentratarse como sustancias puras con unpequeño error.

Las sustancias puras más conocidas yútiles son el agua y el aire. Se empleanen numerosas máquinas térmicas.

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Al graficar las propiedades T,P,𝑣 se forma un

diagrama tridimensional Figura 1 para una

sustancia pura tal como el agua. Si se conocen

dos de estas propiedades la tercera queda

definida.

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Curvas del agua

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a

h

Figura 1. Diagrama PT 𝑣, para el agua, sustancia que se expande al

solidificar. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/thermo/pvtsur.html

De este diagrama salen las tres siguientes

curvas bidimensionales del agua:

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Existen 3 clases de curvas del agua:

Isóbaras: a presión constante:

T vs 𝑣 (volumen específico) o curvas de

calentamiento del agua.

Isotermas: a temperatura constante:

P vs 𝑣 (volumen específico).

Isocoras: a volumen constante: P vs T16

Curvas del agua

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Figura 1abc. Curvas del agua: a) T vs 𝑣. Isobaras, presión constante. b) P vs 𝑣.

Isotermas, temperatura constante. c) P vs T. volumen constante, Isocoras también

llamados diagramas de fase.

a b c

(Cengel, 2009)

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Curvas de calentamiento de la sustancia pura agua.

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Cuando a presión constante, se calientauna sustancia, se puede trazar la curvade calentamiento

T𝑣: Temperatura vs volumen específico.

La más conocida es a 1 atm.

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Al calentar el agua líquida, vaabsorbiendo calor y llega un momentodonde cambia del estado líquido algaseoso Figura 2.

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T vs.𝑣 a P: constante

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Figura 2. Forma general de una curva de calentamiento T vs volumen específico 𝑣Para una sustancia pura. Al adicionar calor, inicialmente ocurre un calentamiento,

luego un cambio de estado (T: constante) y posteriormente un incremento de

nuevo de la temperatura.http://www.gifmania.com/Gif-Animados-Paisajes/Imagenes-Elementos-Naturales/Gotas-Agua/Ondas-En-El-Agua-64785.gif

T. °C

Curva a P cte.

Incremento de T

Cambio de estado

Incremento de T

T constante

Comienza a hervir

𝑣

Zonas de T vs. v P constante

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Figura 3. Zonas de la curva de calentamiento a 1 atm: líquido comprimido,

mezcla de líquido saturado y vapor saturado, vapor sobrecalentado.

(Cengel, 2009)

Hierve a 100 °C

(Líq comprimido + Vap saturado)

A 100°C el agua

líquida se llama

líquido saturado.

Para cada presión existe una curva decalentamiento diferente.

Si la presión es mayor que la atmosférica, lacurva estará por encima de la curvaatmosférica. Lo que significa que a mayorpresión, el agua hierve mayor temperaturapara hervir, Figura 2.

Si es menor, estará por debajo.

23

16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 24(Cengel, 2009)

Figura 4. Diferentes curvas de calentamiento del agua a varias presiones.

Hierve a T mayor que 100 °C

Hierve a 100 °C

100 °C

Presión 1 atm.

http://corinto.pucp.edu.pe/quimicageneral/contenido/56-cambios-de-estado-diagramas-de-calentamiento-diagramas-de-fase.html

Figura 5. Paso de un estado físico a otro según se adicione o se extraiga

calor y sus respectivos nombres.

Sólido Líquido

Gas

Líquido comprimido

Entre 0 y 100 °C el agua existe en fase líquida yse denomina líquido comprimido o líquidosubenfriado. Hay una solo fase y es líquida.

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http://www.freepik.es/foto-gratis/burbujas--vaso-de-agua--liquido--medicina_296501.htm

Figura 6. Agua comprimida

http://3.bp.blogspot.com/-Emktp0VPqa0/VHJR15QG8iI/AAAAAAAAKXM/MYOU6cLxxRk/s1600/aguas%2Ben%2Bmovimiento.gif

Líquido comprimido significa simplementeque no está a punto de evaporarse.

Que todavía le falta energía paravolverse gas. No tiene que ver si se estáhaciendo presión adicional a laatmosférica sobre ella.

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Agua líquida

Líquido comprimido o subenfriado

T

𝑣

100 °C

0 °Cvaso-de-agua--liquido--mhttp://www.freepik.es/foto-gratis/burbujas--edicina_296501.htm

Figura 7. El agua líquida comprimida: va desde un poco más de 0°C, hasta un poco

menos de 100°C para una atmósfera de presión.

CURVA SIMULACIÓN CALENTAMIENTO DEL AGUA

Conforme se transfiere calor, latemperatura aumenta por ejemplo hastaalcanzar 50 °C.

Aún a esta temperatura el agua continuasiendo un líquido comprimido osubenfriado porque aún no está a puntode evaporarse

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1 atm

http://www.quimitube.com/videos/termodinamica-ejercicio-1-variacion-de-energia-interna-de-un-gas-dentro-de-un-cilindro-con-un-piston-de-5kn

Figura 8. A 50 °C el agua continua siendo un líquido comprimido

Si se sigue transfiriendo calor al sistemala temperatura aumenta hasta un pocoantes de alcanzar 100 °C. Aún en esteestado continua agua comprimida.

El volumen aumenta ligeramente y si elagua está en un cilindro con un émbolo,este sube un poco, la presión siguesiendo la misma: 1 atm.

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Calor sensible

El calor empleado para calentar elagua desde un poco más de 0 °Chasta 100 °C se denomina calorsensible.

Es el calor que aumenta latemperatura de una sustancia.

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Agua saturada: agua a punto de evaporarse

A 100 °C el agua líquida está a punto deevaporarse. Deja de ser agua líquidacomprimida y se le llama agua saturada.

Saturada porque no soporta más calor sintransformarse a gas. Si le agrega un pocode calor deja de ser líquida y comienza avolverse vapor o gaseosa.

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ELABORÓ EFRÉN GIRALDO3333

agua líquida

comprimida

Acá solo agua saturada

El agua a 100 °C y 1 atm, se llama agua saturada

T

a 100 °C : agua saturada

Figura 9. A 100 °C y 1 atm de presión el agua se denomina saturada.

LINC CURVA SIMULACIÓN CALENTAMIENTO DEL AGUA

Comienza a hervir

Calor latente

𝑣

Es decir, está a punto de iniciar uncambio de estado (también de fase) delíquido a vapor.

Un líquido que está a punto deevaporarse se llama líquido saturado.

A 100 °C el agua comienza a evaporarse

( a nivel del mar y a 1 atm)

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Líquido saturado

Este fenómeno se conoce comosaturación y ocurre a una Temperatura yPresión constantes.

Para 100 °C la presión es de 1 atm

Para 1 atm la temperatura es de 100 °C

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Paso de agua líquida saturada a vapor saturado

Para que el agua pueda pasar de unestado de líquido saturado a uno devapor saturado total (todo vapor) serequiere de un tiempo de transición yagregarle cierta cantidad de energía quese llama calor latente.

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Calor latente: calor necesario para uncambio de estado físico o de fase.

Este proceso no es instantáneo. Si se hierve agua, se nota que el recipiente queda vació al cabo de cierto tiempo.

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3838

Agua saturada100 °C, 1 atm

Vapor saturado

Agua comprimida

menos de 100 °C, 1 atm

Si gana energía

Si pierde energía

Figura 10. Si el agua saturada gana E, pasa a vapor saturado, si la pierde, pasa a

agua líquida comprimida. Al ganar E se pasa de agua comprimida a agua saturada y

vapor saturado de agua.

100 °C, 1 atm> 𝑬

< 𝑬> 𝑬

> 𝑬

Líquido saturado y vapor saturado

A medida que transcurre el tiempo, vapasando más cantidad de líquidosaturado a vapor saturado.

Por tanto a 100 °C coexisten 2 fasesdiferentes del agua (y dos estadosdiferentes).

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Región bifásica:agua líquida saturada + vapor saturado

Una vez que se inicia la vaporización oebullición, la temperatura permanececonstante a 100 °C hasta que todo el líquidose evapora o pasa al estado gaseoso.

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25 °C

A un poco menos de 100 ° :

solo agua comprimida.

Mezcla de agua saturada

+ vapor saturado a100 °C

Región de 2 fases

solo agua saturada

solo vapor

saturado

T y P son constantes:

100 °C y 1 atm

T

v

Aún una fase

Figura 11. Agua comprimida, agua saturada, vapor saturado. http://www.gifetgif.com/gif_anime/Science/Gifs%20Anim%E9s%20Science%20(12).gif

SIMULACIÓN CALENTAMIENTO AGUA

Siempre que ocurre un cambio de estado o de fase: T y P= constantes

Es decir, si la Presión se mantieneconstante, durante el proceso de cambiode estado o de fase, la Temperaturatambién lo hará.

Durante un proceso de ebullición, elúnico cambio observable es un aumentoen el volumen del gas y una disminucióndel volumen del líquido.

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La temperatura se mantiene constanteporque el calor suministrado se empleaen el cambio de estado.

El estado gaseoso tiene mayor energíaque el líquido.

Por tanto hay que suministrar energíapara que pueda ocurrir.

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Cuando el proceso se encuentra a lamitad de la evaporación, el cilindrocontiene cantidades iguales de líquido yvapor.

Conforme continúa la transferencia decalor, el proceso de evaporacióncontinuará hasta evaporarse la últimagota de líquido. En ese punto el cilindroesta llenó vapor saturado.

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Existen situaciones prácticas donde dosfases de una sustancia pura coexisten enequilibrio.

Algunos ejemplos son: el agua existecomo una mezcla de líquido y vapor enuna caldera y en el condensador de unaplanta termoeléctrica, y el refrigerantepasa de líquido a vapor en el congeladorde un refrigerador16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 45

El vapor está saturado de energía

También se puede decir que estásaturado de energía porque con unmínimo de energía que se agregue dejade ser saturado y se convierte ensobrecalentado.

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Si eventualmente se pierde una mínima cantidad de calor en el vapor saturado, se condensará (cambio de fase de vapor a líquido).

Saturado también porque tiene el calormínimo para ser vapor.

Un vapor que está a punto de volverse acondensar, se llama vapor saturado.16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 47

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Vapor saturado100 °C, 1 atm

Vapor sobrecalentado

Agua saturada

100 °C, 1 atm

Si gana energía

Si pierde energía

Figura 12. Si el vapor saturado gana E, pasa a vapor sobrecalentado, si la pierde

pasa a agua saturada. Si el agua saturada gana E, pasa a vapor saturado, y luego

a vapor sobrecalentado

+ 100 °C

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Bibliografía

UPM: Página de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) –España:

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/termo1p/sistema.html

Laplace. Departamento de Física aplicada III. Universidad de Sevilla:

http://laplace.us.es/wiki/index.php/Sistemas_termodin%C3%A1micos_(GIE)#Sistemas_termodin.C3.A1micos

http://e-ducativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1157/html/11_sistemas_termodinmicos.html