Propiedades De Las Sustancias Puras

§ II. Propiedades de las sustancias puras.

En este capítulo se estudiarán a las sustancias puras, éstas resultan de interés debido a su amplia aplicabilidad en problemas técnicos de ingeniería; se definirán los procesos termodinámicos y se verán cuatro métodos para estudiarlos: 1) a través de las ecuaciones de estado para las sustancias puras en su forma diferencial, ecuaciones que resolveremos apoyándonos en propiedades térmicas y elásticas de las materia, por ello se definirán los coeficientes de compresibilidad isotérmica y de dilatación térmica, esto nos permitirá determinar los cambios de estado de las sustancias puras al someterse a un proceso cuasi-estático; 2) utilizando la ecuación de estado de los gases ideales, aplicable sólo a las sustancias puras en su estado gaseoso, a muy bajas presiones y/o altas temperaturas (conceptos que serán precisados); 3) se explicará la construcción de la gráfica del coeficiente de compresibilidad generalizado y se usará para determinar, de manera aproximada, los cambios de estado de los gases y que tan alejados se encuentran estos del comportamiento ideal; y 4) se aprenderá el uso de las llamadas tablas de vapor, lo que permitirá estudiar los procesos que sufren los gases reales. Finalmente se discutirán brevemente algunas ecuaciones de estado para los gases, mismas que representan aproximaciones teóricas al comportamiento de los gases reales.

II. 1. Concepto de sustancia pura

Una sustancia compresible simple es aquella que, cuando se le estudia, sus efectos de superficie y sus interacciones gravitacionales, magnéticas o eléctricas no son significativos; solo son relevantes los cambios en volumen o presión, p. ej., la expansión de un gas confinado en un recipiente cilíndrico dotado con un émbolo.

Un sistema compresible simple es aquel formado por una sustancia compresible simple. Estos sistemas se agrupan en las siguientes categorías:

1. Substancia pura. Es aquella que tiene una composición química homogénea e invariable y se encuentra en estado sólido, líquido, gaseoso o en una mezcla de dos cualquiera de ellos o los tres; p. ej., el agua líquida, una mezcla de hielo y vapor de agua, alcohol en cualquiera de sus fases o bien un gas noble.

2. Mezcla homogénea de distintos componentes. Son mezclas de sustancias puras químicamente estables, p. ej., una mezcla de gases inertes o químicamente activos pero que no reaccionan entre sí, una mezcla de líquidos o una disolución como por ejemplo el agua de azúcar o el agua de sal.

3. Mezcla heterogénea, p. ej., una mezcla de líquidos no miscibles como el agua y el aceite o una mezcla de gases distintos en contacto con una mezcla de diferentes líquidos o sólidos, etc.

Los sistemas compresibles simples son muy usuales en ingeniería, por lo que, a menos que se especifique lo contrario, nuestro estudio posterior versa sobre estos sistemas, en específico los constituidos por una substancia pura.

II. 2. Procesos y Diagramas de Estado

Como resultado de la interacción de un sistema con su medio circundante, el estado del sistema cambia, estos cambios se reflejan en la forma de agregación de las moléculas o átomos que constituyen al sistema; para darnos una idea de las formas de agregación que adopta la materia al efectuarse los cambios de estado, en la primera sección se analizan los cambios que sufren las sustancias puras, en cuanto a sus propiedades físicas, cuando interactúa con su medio circundante y en la segunda sección se describen los fundamentos matemáticos y se consolida la nomenclatura física necesaria para el estudio de estos cambios de estado.

II. 2. 1. Cambios de agregación de la materia

Efectuemos el siguiente experimento. Consideremos el siguiente sistema: 1 Kg de agua dentro de un cilindro dotado de un pistón, ver figura 2.1. Inicialmente el sistema se encuentra a 20 ºC de temperatura y, con la ayuda de un peso determinado sobre el pistón, se conserva la presión constante al interior del cilindro, digamos a 0.1 MPa.

(a) A continuación calentamos el agua con un mechero bunsen entonces, en la medida en que esto ocurre, la temperatura del agua se va elevando, así también aumenta ligeramente su volumen específico.

(b) Cuando la temperatura alcanza el valor de 99.6 ºC, inicia el cambio de fase, i. e., el líquido empieza a cambiar a vapor. Si continuamos calentando el líquido, se observa que la presión y la temperatura permanecen constantes, 0.1 MPa y 99.6ºC, pero en el sistema el cambio de fase se acentúa, hasta que todo el líquido se transforma en vapor, con los correspondientes cambios físicos, ya que el grado de cohesión de las moléculas cuando el agua se encuentra en su fase líquida es mayor que cuando es un gas. Durante esta etapa el volumen específico del sistema aumenta sensiblemente. Debe de notarse que durante la transición de fase, las variables p y T permanecen constantes, sólo varía v.

(c) De seguirse calentando el vapor, se observa que aún cuando la presión permanezca constante, p = 0.1 MPa, aumentan la temperatura T y el volumen específico v.

Se le llama temperatura de saturación a la temperatura a la que se efectúa el proceso de evaporación de una sustancia a una presión determinada. Asimismo, se conoce como presión de saturación a la presión a la que se efectúa la evaporación de la sustancia a una temperatura específica.

En el experimento realizado, p = 0.1 MPa es la presión de saturación del agua, a la temperatura de T = 99.6 ºC. De la misma forma, T = 99.6 ºC es su temperatura de saturación a la presión p = 0.1 MPa.

Se denotan como ps y Ts a la presión y temperatura de saturación de una sustancia específica y debe observarse que a diferentes valores de ps , le corresponden diferentes valores de Ts y viceversa. Por ejemplo, como se vio, cuando el agua se encuentra a una presión ps = 0.1 MPa, la correspondiente temperatura de saturación es Ts = 99.6 ºC, en tanto que cuando ps = 1 MPa, se encuentra que Ts = 179.9 ºC. A la relación funcional entre ps y Ts, para una sustancia pura; se le llama curva de presión de vapor. (Ver fig. 2.2.)

A una sustancia que se encuentra a la presión y temperatura: ps, Ts, se le llama líquido saturado. Asimismo, se dice que es un líquido sobre enfriado o líquido comprimido a una sustancia que se encuentra a una presión p y temperatura T < Ts, correspondiente a esa presión. La denominación se debe a que, se puede pensar al sistema, o bien como si la sustancia no ha alcanzado su temperatura de saturación, o bien que

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