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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
16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 2
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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
16/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO 1416/02/2016 ELABORÓ EFRÉN GIRALDO
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
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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