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CAPÍTULO 6 Sustancia Pura

CAPÍTULO 6 Sustancia Pura. INDICE. Introducción Superficie P-v-T 7.1 Superficies Termodinámicas (P-v-T) -Diagramas T-v, P-v, P-T. -Puntos Críticos, Puntos Triple. 7.2 Cambios de fase y estados importantes 7.3 Calidad de Vapor (x) -Porcentaje de Humedad -Valor específico de una mezcla

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CAPÍTULO 6 Sustancia Pura

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Presentation Transcript

  1. CAPÍTULO 6Sustancia Pura

  2. INDICE Introducción Superficie P-v-T 7.1 Superficies Termodinámicas (P-v-T) -Diagramas T-v, P-v, P-T. -Puntos Críticos, Puntos Triple. 7.2 Cambios de fase y estados importantes 7.3 Calidad de Vapor (x) -Porcentaje de Humedad -Valor específico de una mezcla 7.4 Uso de tablas de vapor -Tablas de Vapor -Tablas de Vapor Sobrecalentado -Tablas de líquido subenfriado

  3. Al finalizar este capítulo ya podremos conocer todas las propiedades y estados de las sustancias. Trabajaremos con Tablas y Software.

  4. Superficie P - v - T

  5. SUSTANCIA PURA Es aquella que tiene una composición química homogénea e invariable que puede existir en más de una fase. Por ejemplo: el agua, una mezcla de hielo y agua; son sustancias puras porque para cada fase tienen la misma composición. En cambio el agua de mar no es sustancia pura porque al producirse la evaporación, el vapor tendría una composición química diferente a la de la fase líquida.

  6. 6.1 SUPERFICIES TERMODINÁMICAS (Diagrama P- v - T) Cambios = f ( P - v - T) Yo vivo dentro de este terreno, no puedo volar ni excavar dentro de el. Si se sale de esta superficie, ya no está en equilibrio y se muere.

  7. SUPERFICIE P - v T para la mayoría de las sustancias Las que se contraen al enfriarse

  8. La mayoría de las sustancias se comportan de esta forma.

  9. SUPERFICIE P - v T para el H2O Las que se expanden al enfriarse

  10. Por eso se rompen las botellas de vidrio en el freezer

  11. Cada sustancia tiene diferentes valores de sus puntos triples y puntos críticos

  12. La región que dice FLUIDO es una región inestable! MMM...!!

  13. Punto Crítico: (PC) Es el estado donde las fases líquida y gaseosa se confunden. Este punto varía dependiendo de la sustancia tratada y se define por: la presión crítica (Pc), la temperatura crítica (Tc), etc. En los procesos que se llevan a cabo a esta Pc y Tc, no se puede establecer un cambio de fase líquido a vapor y no pasan por un estado de equilibrio. Punto Triple: (PT) Es una propiedad característica de las sustancias, en el cual coexisten las tres fases, es decir coexisten los estados sólido líquido y gaseoso.

  14. Qué puede estar mal en estas historietas ?

  15. 6.2 Cambios de Fase y Estados Importantes Supongamos un recipiente cilíndrico, con un pistón móvil sin fricción, que contiene agua. Se le aplica calor hasta vaporizar completamente, la presión es constante (isobárico), y está en equilibrio en cada momento. Se muestran los siguientes estados del proceso:

  16. Para fijar un estado de una sustancia pura es necesario conocer por lo menos dos propiedades intensivas o específicas independientes. El término Temperatura de Saturación designa la temperatura a la cual se efectúa la evaporación a una presión dada, y esta presión se denomina Presión de Saturación. Las condiciones de presión y temperatura en que dos fases coexisten en equilibrio se denominan las condiciones de saturación. La temperatura de saturación depende de la presión, a mayor presión mayor es la temperatura de saturación y viceversa.

  17. ( 1 ) Líquido comprimido o sub enfriado:(LC o LSE) Es aquel que tiene una temperatura menor que la de saturación a una presión dada. ( 2 ) Líquido Saturado: (LS) Es cuando un estado es tal que empieza a cambiar de fase líquida a fase gaseosa, es decir se inicia la evaporación. Es aquel que se encuentra a la temperatura de saturación correspondiente a su presión. Todos estos estados constituyen la línea de líquido saturado. ( 3 ) Vapor Húmedo o mezcla líquido-vapor: (VH) Es aquel que contiene líquido más vapor en equilibrio

  18. ( 4 ) Vapor Saturado:(VS) Es cuando un estado es tal que el vapor comienza a cambiar de fase gaseosa a fase líquida (condensación). Como por ejemplo la lluvia o la formación de escarcha. Estos estados forman la línea de vapor saturado. ( 5 ) Vapor Sobrecalentado: (VSC) Es aquel que tiene una temperatura mayor que la de saturación pero a una presión dada

  19. Propiedades de un vapor húmedo 6.3 Calidad de Vapor (x) ó Título Para determinar el estado (1) ó (2) basta definir o comparar dos propiedades. Por ejemplo: P,T.

  20. m = mg + mf Subíndice g (gas): propiedad de vapor saturado. Subíndice f (fluido): propiedad de líquido saturado.

  21. Cómo haría Ud. para medir la calidad ? Cómo mide el Calorímetro ?

  22. La calidad solo sirve cuando trabajamos dentro de la campana Si un depósito está con la mitad de líquido y mitad vapor, entonces la calidad será 50 % ?

  23. 6.4 Uso de Tablas de Vapor Estudiaremos el caso del agua, por las siguientes razones: 1. El comportamiento es análogo en sustancias puras 2. Las tablas son similares en cuanto la forma de presentar los datos 3. La importancia del agua en los procesos térmicos

  24. Tablas de Vapor Saturado: • ( Tabla A.1.1 o Tabla A.1.2) • Dadas la presión o temperatura de saturación, se pueden encontrar las propiedades de líquido y vapor saturado. • Ejemplo: • Calcular T(°C) para P = 0.130 MPa. Las 2 tablas son las mismas, sólo es cuestión de escoger con cuál de ellas es más fácil trabajar...

  25. Tablas de Vapor Sobrecalentado: (Tabla A.1.3) Basta tener definida la P y T para definir el estado de la sustancia. En algunas tablas no se tiene u ó h como datos, en este caso se usa la fórmula:

  26. Ejemplo:Hallar el volumen específico (v), entalpía (h) y entropía (s) que corresponde a: A dicha presión la temperatura de saturación Ts = 89.95°C. Luego a T = 400°C nos encontramos en la zona de VSC. Debemos interpolar en las tablas de VSC. P = 0.7 bar, T = 400°C

  27. Tablas de Líquido sub-enfriado o comprimido : (Tabla A.1.4) • El uso de las tablas son similares a la anterior.

  28. 1. Indicar el nombre del estado correspondiente, si la sustancia es agua. • a) P=10bar T= 172.96°C _________________ • b) T=0°C s=-1.221kJ/kg-K _________________ • c) T=374.14°C P= 22.09MPa _________________ • d) T=290°C u= 1297.1kJ/kg _________________ • e) x=40% T= 420°C _________________ • f) P= 75kPa h= 2700kJ/kg _________________ • g) P= 1.2544MPa s= 2kJ/kg-K _________________ • h) T= -20°C u= 2721.6kJ/kg _________________ • i) P= 313kPa v= 0.6822m3/kg _________________ • j) h= 2500.6kJ/kg T= -10°C _________________ • k) P= 80kPa h= 2700kJ/kg _________________ • l) T= 1000°C u= 4045.4kJ/kg _________________ • m) x=0% T= 647.3K _________________ • n) P= 2MPa s= 6.4309kJ/kg-K _________________ • o) P= 40MPa h= 2512.8kJ/kg-K _________________ • p) P= 1.6MPa s= 8.2808kJ/kg-K _________________

  29. 2. Determinar el valor de la propiedad indicada: • a) Mercurio P= 2.8MPa hfg= 287.54kJ/kg v= _____________ • b) Freón 12 T= 60°C h= 225.488kJ/kg s= _____________ • c) Freón 12 T= -50°C v= 350dm3/kg s= _____________ • d) Freón 12 T= -30°C s= 0.7165kJ/kg-K x= _____________ • e) Freón 12 T= 30°C h= 209.16kJ/kg s= _____________ • f) Freón 12 P= 2.0872MPa sf= 0.3851kJ/kg-K vf= _____________ • g) Freón 12 T= 100°C h= 180kJ/kg v= _____________ • h) Amoniaco T= 30°C P= 150kPa h= _____________ • i) Amoniaco P= 246.51kPa v= 0.4168m3/kg T= _____________ • j) Amoniaco T= 30°C v= 1.68cm3/g s= _____________ • k) Amoniaco T= 40°C v= 1.2107m3/kg h= _____________ • l) Amoniaco P= 1800kPa s= 4.9715kJ/kg-K T= _____________ • m) Amoniaco P= 190.22kPa v= 0.2168m3/kg T= _____________

  30. n) Oxígeno P= 0.54339MPa s= 3.2823kJ/kg-K T= _____________ • o) Oxígeno T= 225°C h= 204.007kJ/kg P= _____________ • p) Oxígeno P= 8MPa v= 9.351 dm3/kg T= _____________ • q) H2O T= 124°C v= 0.7933m3/kg P= _____________ • r) H2O T= 260°C u= 1470.6kJ/kg P= _____________ • s) H2O P= 7MPa T= 300°C s= _____________

  31. 3. Determinar el valor de la propiedad indicada y el nombre del estado correspondiente, si la sustancia es agua: • a) T= 172.96°C P=10bar h=_____________ ESTADO: ________ • b) P= 200kPa h=2706.7kJ/kg v=_____________ ESTADO: ________ • c) T= 250°C s=3.2802kJ/kg-K u=_____________ ESTADO: ________ • d) P= 1.6MPa v=0.14184m3/kg T=_____________ ESTADO: ________ • e) P=30.6bar u=1009.89kJ/kg h=_____________ ESTADO: ________ • f) T=162°C h=2500kJ/kg v=_____________ ESTADO: ________ • g) P=0.5MPa s=9.4224kJ/kg-K u=_____________ ESTADO: ________ • h) T=124°C v=0.7933m3/kg P=_____________ ESTADO: ________ • I) T=300°C P=15bar v=_____________ ESTADO: ________ • j) P=10Mpa T=120°C h=_____________ ESTADO: ________

  32. 4.Determine los estados en que se encuentra el sistema constituido por agua y ubíquelos en los diagramas P-v y T-v para las condiciones siguientes: • a) P=500kPa T= 200°C • ESTADO: ___________ • b) P=5Mpa T=264°C • ESTADO: ___________ • c) P=0.9MPa T=180°C • ESTADO: ___________ • d) P=20MPa T=100°C • ESTADO: ___________ • e) P=1kPa T=-10°C • ESTADO: ___________ • 5.Determine el título de las mezclas bifásicas siguientes (líquido-vapor) • a) H2O T=200°C v=0.1m3/kg x= ____________ • b) R12 P=2bar v=0.7m3/kg x= ____________ • c) R134a T=-40°C v=0.3569m3/kg x= ____________

  33. 6. Completar el cuadro de datos si la sustancia es agua:

  34. 7.Para el Nitrógeno: Determine el título de 22 kg de mezcla bifásica líquido-vapor a 100K en un tanque de 0.5m3, sabiendo que: • vf= 1.452 10-3m3/kg y vg=31.31 10-3m3/kg

  35. 8.Determine el volumen en m3, ocupado por 2kg de H2O a 4MPa y 420°C.

  36. 9.Un recipiente cerrado de 0.018m3, contiene 1.2kg de Freón 12 a 10bar. Determine T,u,v,h,s,x.

  37. 10.Calcúlese el volumen en m3, ocupados por 2kg de una mezcla líquido-vapor de Freón 12 a –10°C cuyo título es de 80%.

  38. 11.Una mezcla líquido-vapor de agua tiene una temperatura de 300°C y un título de 75%. • La mezcla ocupa un volumen de 0.05m3. Determine las masas de liquido y vapor de agua presentes en kg.

  39. 12.Vapor de agua sobrecalentado se encuentra a 460°C y 1.25MPa. Hallar: v, h y u.

  40. 13.Vapor de agua sobrecalentado se encuentra a 260°C y 4.2MPa. Hallar: v, h y u.

  41. 14. En un recipiente rígido y hermético se tiene vapor de agua a 5 bar y 40% de calidad, • dicho proceso realiza un proceso hasta que en el recipiente sólo exista vapor saturado. • Se puede afirmar que la temperatura de la sustancia permaneció constante durante el proceso? • Estará el proceso bien dibujado en el diagrama ? Explique. Observando la curva P -v (o la T-v), veremos que el proceso se realiza dentro de la campana El volumen total permanece constante (rígido) entonces V = mv V1 = m1 v1 = V2 =m2 v2 mf1 vf1 + mg1 vg1 = mf2 vf2 + mg2 vg2 mf2 = 0 (sólo queda vapor saturado) por lo que m2 = mg2, calculamos vg2 = V2/m2, pero m2 = m1 , y m1 es Vi//v1 y vi se calcula de la fórmula con la calidad x1., etc, etc v1 = 0.001093 + 0.4 x 0.373993 = 0.1507 m3/kg O de forma m{as simple:V1 = V2 (rígido), y como la masa total también se mantiene m1 = ma, entonces v1 = v2 =vg2 = 0.1507 m3/kg Por lo tanto en el diagrama dibujado el punto 2 deber{a ser igual a v1, entoces ESTARA MAL DIBUJADO !!!, de 1 a 2 deber{a ser una vertical hasta que choque con la curva de vapor saturado.

  42. 15.El tanque rígido mostrado contiene inicialmente 100kg de líquido y vapor de agua en equilibrio a 200 bar, el vapor ocupa el 80% del volumen del tanque y el líquido el 20% restante. Se extraen a través de la válvula A, 40kg de vapor y al mismo tiempo, por la válvula B, se introducen 80kg de líquido. Si durante el proceso se ha mantenido constante la temperatura dentro del tanque, mediante una adecuada transferencia de calor, se pide determinar: • a) La calidad inicial en % • b) El volumen del tanque en m3. • c) La masa del líquido en el estado final, en kg.

  43. 16.En la figura mostrada el pistón es sin fricción y el resorte es perfectamente elástico cuya constante es de 306.35 kN /m. El agua se encuentra inicialmente a 110°C y 14.32% de calidad. Se transfiere calor al agua hasta que la temperatura sea de 300°C. Si la masa de agua contenida en el recipiente es de 0.5kg, se pide: • a) La presión del agua en el estado final, en kPa. • b) La temperatura del agua en °C, en el instante en que el pistón alcance los topes.c) La temperatura del agua en °C en el instante en que exista sólo vapor saturado dentro del recipiente. • d)Graficar los procesos en el diagrama P-v

  44. 17.Un sistema consiste en dos kg de agua. Se realiza un ciclo compuesto por los siguientes procesos: • 1-2: expansión con Pv=cte; donde el vapor saturado está desde 10bar hasta 100bar. • 2-3:proceso a P=cte hasta que v1=v3 • 3-1:calentamiento a volumen constante. • Represente el ciclo en los diagramas P-v y T-v.

  45. 18.Un recipiente rígido contiene agua, habiendo 12kg de líquido y 2kg de vapor, en equilibrio a 2MPa. • Hallar el volumen del recipiente.

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