Propiedades De Las Sustancias Puras

Propiedades de las sustancias puras.

Guía de problemas resueltos y propuestos.

1. ¿Como resolver problemas?

Si se pudiera explicar como resolver problemas (o al menos problemas de termodinámica) en unas cuantas páginas, podrían Uds. arrancar esas páginas de esta guía, quedárselas y botar a la basura el resto de la guía. Afortunadamente esto no ocurre. En esta disciplina, como en muchas otras, todos los problemas son distintos y no hay ni puede haber una “receta” de solución. En otras palabras, con este material solo se intenta dar una guía metódica de cómo debe uno afrontar los problemas de termodinámica (en este material solo atacaremos los problemas asociados a las propiedades de las sustancias puras).

Antes de intentar resolver un problema se debe tener (o creer tener) claros los aspectos teóricos. El hacer problemas sin estudiar la teoría es una pérdida de tiempo, pues al reconocer que “no se pueden hacer”, irán a estudiar la teoría para volver, desde el comienzo, a resolver el problema. Por otro lado, el estudiar la teoría sin resolver problemas generalmente resulta en una instrucción incompleta y una falsa sensación de seguridad, pues solo al enfrentarse a un problema se confirman si los conocimientos se dominan o no. Conclusión: Se debe estudiar primero la teoría y luego se debe intentar resolver problemas.

De todas formas, el tener una metodología sistemática para resolver problemas hace que la solución sea más fácil de hallar. Es común ver a los estudiantes perder tiempo valioso (aún más valioso durante un examen) llenando paginas y paginas con todas las ecuaciones y modelos que conocen (recuerda que son ecuaciones no fórmulas OK) y/o calculando todo lo que saben calcular aun cuando no les útil en lo más mínimo para responder satisfactoriamente una pregunta.

Para resolver los problemas termodinámicos asociados a las propiedades de las sustancias puras es útil seguir los siguientes pasos:

1. Entender la situación física

Es el paso más importante para la resolución del problema ya que sino se tiene claro lo que ocurre en el proceso por supuesto no se podrá resolver con éxito la situación que se le plantea. Leer con cuidado el enunciado del problema e ir describiendo, analizando y representando la situación en un esquema ayuda a la comprensión del mismo. Las interrogantes que hay que plantearse en esta etapa son: ¿por que ocurre el proceso?¿que estados y/o sistemas cambian y cómo? ¿Cuántas y cuales fases están presentes? por último, esta etapa se te hará más fácil si sacas a relucir tu sentido común y recuerda “tomar la foto” a cada uno de los instantes del proceso en donde el sistema defina un estado.

2. Hallar las restricciones.

Estas vienen dadas por el problema y la situación física. . Las interrogantes que hay que plantearse en esta etapa son: ¿Es un sistema abierto o cerrado? ¿Qué tipo de proceso ocurre, isotérmico, isobárico, etc?¿cuáles y cuántos estados están definidos?

3. Escoger los modelos

Se debe tomar una decisión sobre los modelos aplicables (estos son las ecuaciones, tablas, gráficos y procedimientos discutidos en la teoría).Recuerda que cada uno de ellos tiene condiciones para ser aplicados. . Las interrogantes que hay que plantearse en esta etapa son:

¿Qué ecuación de estado se puede usar? ¿Que tabla de propiedades debo usar (tipo de sustancia)?, ¿en que sistema de unidades?,¿en que zona ( saturación, líquido subenfriado o comprimido o vapor sobrecalentado? ¿Que gráficos debo usar para leer datos o para representar fácilmente el proceso ocurrido, P vs V, T vs V, P vs T, etc? ¿Cuál es el sistema que voy a estudiar?, recuerda que tu eres el observador y por lo tanto lo defines según tus intereses.

4. Identificar los datos

Reconocer (no es necesario calcular) las variables y/o propiedades conocidas y/o que se puedan calcular a partir de los datos iniciales y las propiedades volumétricas. Por ejemplo, si en un estado se conoce como dato la presión (P) y el volumen especifico ( ) sabemos que las otras propiedades (T,u,h,s,etc) son calculables usando el modelo escogido en el paso anterior. Recuerda aplicar las reglas de las fases de Gibbs para saber cuales son esos datos que están implícitos en el problema (condición de estado).

5. Plantear los principios o las leyes termodinámicas.

Para el modelo y sistema seleccionado aplicar los principios termodinámicos sobre el comportamiento de las sustancias puras y sus cambios por los efectos sometidos durante el proceso.

6. Cálculo y análisis.

Aquí viene la parte interesante de los problemas. Una vez planteadas tanto las variables conocidas como las desconocidas se deben tratar de ver como “encajan” unas con otras. Es recién en este paso que se debe intentar usar números y cálculos. De fallar este paso (¡Horror!) se debe repasar el planteamiento para tratar de observar las restricciones o simplificaciones que aún faltan.

Vamos a resolver varios problemas siguiendo la metodología recomendada en esta guía, así que, síganme de espacio y lean cuidadosamente para entender.

Problema Nº 1.

Un tanque rígido de 100 L contiene volúmenes iguales de líquido y vapor de freón-12 a 35ºC . Se añade freón al tanque hasta que su masa sea 80 Kg. Si la temperatura se mantiene constante.

a) ¿Cual es el volumen final que ocupa el líquido?

b) ¿Cuanta masa de freón entró al tanque?

Apliquemos la metodología planteada a la solución de este problema.

1. Entender la situación física:

Se tiene un tanque rígido de 100 L con volúmenes iguales de líquido y vapor, es decir, ya define el estado inicial como una mezcla liquido-vapor.

Se inyecta freón 12 al tanque a través de una válvula hasta que la masa dentro del tanque sea 80 Kg. (estado final) a priori se desconocen las fases presentes en este estado. Aunque la pregunta dice el volumen ocupado por el líquido en el estado final, eso hay que verificarlo.

2. Hallar las restricciones.

El sistema es abierto porque entra freón 12, es decir, la masa no es constante. Hay más masa de freón 12 en el estado final.

El proceso es isotérmico y se lleva a cabo a 35 ºC.

Ambos estados están definidos, en el estado inicial se conoce la temperatura y el volumen del sistema pero como se sabe que esta en equilibrio liquido-vapor

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