Diagrama De Vapores

Curso de Termodinámica: IMA

Diagramas y Propiedades Termodinámicas:

7.1 Introducción:

Hasta el momento solo hemos trabajado con las ecuaciones de estado de los gases perfectos. Si bien esto es adecuado para estudiar sistemas simples, el tratar de aplicar estas ecuaciones a sistemas de mayor complejidad conduce a errores.

Lo usual es, entonces, trabajar con diagramas termodinámicos.

Estos representan en forma gráfica las propiedades termodinámicas de sustancias reales.

Los diagramas más comunes que se emplean son:

• Diagrama p-V (diagrama de Clapeyron):

• Este es uno de los más comunes. Tiene las siguientes propiedades de interés: el área bajo la curva representa el trabajo sin trabajo de flujo

• En un ciclo cerrado, si el ciclo se recorre a favor de los punteros del reloj, el trabajo intercambiado es positivo (ciclo motriz).

• Si se recorre en contra de los punteros del reloj, el trabajo intercambiado es negativo (ciclo que absorbe trabajo).

• Diagrama T-S (temperatura-entropía o Diagráma Entrópico):

• es muy empleado, pues (si las evoluciones son reversibles) el área encerrada por el ciclo o bajo la curva representa los calores intercambiados.

• Diagrama H-S (entalpía-entropía o Diagrama de Mollier):

• También es diagrama común, pues permite representar con facilidad evoluciones reales y estudiar las variaciones de entalpía. Esto último es clave al momento de estudiar intercambios de calor y trabajo basándose en el primer principio.

Si, para un diagrama dado, se escogen las variables principales en forma adecuada, es posible deducir todas las variables termodinámicas de importancia a partir de las propiedades que aparecen en el diagrama.

En los próximos párrafos presentaremos en cierto detalle cada uno de estos diagramas.

El estudio de ellos se hará vía el análisis de lo que ocurre en centrales térmicas.

7.2 Diagramas Termodinámicos:

7.2.1 Diagrama de Clapeyron:

En este ejemplo (compresión de 1 a 2), el trabajo de compresión será el área V1-1-2-V2 si no hay trabajo de flujo y el área p1-1-2-p2 en el caso con trabajo de flujo.

En ambos casos está el supuesto de compresión sin roce.

En el caso de un sistema con cambio de fase la representación p-V es un poco más compleja. Esta la podemos ver ilustrada en la siguiente figura.

La curva de cambio de fase está en negro. Se define una campana celeste que es la zona donde se produce el cambio de fase. A la izquierda (en azul) está la zona de líquido saturado y a la derecha la zona de vapor sobrecalentado (color damasco). Las líneas que aparecen son isotermas. De ellas destaca la isoterma crítica. Cuando el vapor de agua está sobre esa temperatura crítica (K), por mucho que se comprima el vapor, este no condensa. Esto define la zona amarilla de Gas.

También se debe tener claro que en la fase líquida, las isotermas son casi verticales. Esto se debe a que el agua es un fluido casi incompresible.

En rigor la ecuación de estado de un fluido es una superficie entre sus variables principales. En un diagrama p-V la ecuación de estado de un gas perfecto se puede representar por una sucesión de hipérbolas pV = Cte, que corresponden a isotermas.

7.2.2 Diagrama T-S:

El diagrama T-S tiene varias propiedades interesantes que lo hacen util para visualizar procesos y ciclos. A continuación ilustraremos algunas de estas propiedades importantes.

En un diagrama T-S un ciclo de Carnot queda representado por dos horizontales (isotermas) y dos verticales (isentrópicas).

Por lo tanto un ciclo de Carnot es un rectángulo ( Ver próxima figura).

.

Además el área encerrada dentro de un ciclo (o bajo la curva) representa los calores intercambiados con el exterior o en cada evolución.

Lo anterior se debe a que si la evolución es reversible, se cumple que dQ = T•dS.

En el ejemplo que se ilustra, el calor absorbido es el área S1-2-3-S2 y el calor cedido es el área S1-1-4-S2.

Un concepto interesante que surge de este diagrama es el de Ciclo de Carnot correspondiente. Si en un diagrama T-S se traza un ciclo cualquiera, el rectángulo que circunscribe al ciclo es el ciclo de Carnot correspondiente.

La diferencia de área entre ambos ciclos representa la pérdida de eficiencia entre el ciclo real y el Carnot correspondiente.

Este concepto nos será de mucha utilidad al estudiar los ciclos típicos de Centrales Térmicas.

7.3.1 Aspectos Generales:

De los fluidos termodinámicos de importancia a estudiar, sin duda el agua y vapor de agua es uno de los esenciales. El agua es un excelente fluido desde el punto de vista de que es abundante, no tóxico, barato y además transporta importantes cantidades de energía si hay cambio de fase.

Debemos distinguir varias zonas de importancia para el estudio termodinámico de las propiedades del agua. Estas son:

o Zona del Sólido: es la zona que corresponde a las propiedades del hielo.Veremos un diagrama de fase que muestra las diferentes zonas y tipos de hielo que existen

o Zona del líquido: incluye la interfase sólido líquido. Hablaremos un poco de estos cambios de fase.

o Zona de vapor: estudio elemental de la campana de cambio de fase y zona de vapor sobrecalentado.

o Zona de gas: es la zona en que estamos sobre la temperatura

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