Propiedades De Los Fluidos Puros

Unidad II Propiedades de los Fluidos Puros

2.1Sustancias puras.

Una sustancia pura es una sustancia que tiene una composición química fija; es decir que también puede ser una mezcla de varias sustancias o elementos químicos media vez la composición no varíe o sea que sea una mezcla totalmente homogénea. O sea que puede ser aire, combustible búnker, etc., pero no puede ser una mezcla de aceite y agua ya que estos se separan y no forma una mezcla homogénea.

Una mezcla de dos o más fases de una sustancia pura sigue siendo una sustancia pura, siempre que la composición de las fases sea la misma, como agua en su fase de vapor y líquida o mezcla de hielo y agua líquida, pero aire en su fase de vapor y líquido no es una sustancia pura ya que tienen diferentes composiciones ya que se condensa solamente el vapor de agua, esto es debido a que los componentes del aire tienen diferentes puntos de condensación.

PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS

Liquido comprimido o liquido subenfriado: en una sustancia pura significa que está en estado líquido y que no está a punto de evaporarse sino que le falta una adicción de calor o un cambio negativo en la presión para hacerlo.

Liquido saturado: es aquel que está a punto de evaporarse. Es importante notar que cuando una sustancia pura está como liquido saturado está se halla totalmente en ese estado, como líquido, nada de vapor ya que está a punto de comenzar a crearse a partir del agua líquida saturada.

Vapor saturado o vapor saturado seco: es un vapor que está a punto de condenarse. En esta fase la sustancia está toda como vapor y es necesario retirar calor o aumentar la presión para provocar que se generen gotas de líquido.

Vapor sobrecalentado: es vapor que está a una temperatura más alta que la temperatura de vapor saturado, por lo cual la sustancia sigue estando toda como vapor pero ya no estará a punto de condensarse o de formar pequeñas gotas de liquido.

Calidad de Vapor: La calidad o título del vapor es la fracción molar del vapor en el estado de mezcla que se obtiene a la salida de la turbina. La llamada ley de la palanca de Maxwell determina su valor. En la línea de coexistencia se tiene que:

donde quiere decir cualquier propiedad extensiva --salvo la entalpía libre-- es el título de vapor. Los subíndices se refieren a las propiedades del vapor y del líquido, y el valor de sin subíndice se refiere al punto cuyo título de vapor deseamos conocer.

Si aplicamos esta fórmula a la entalpía no obtenemos resultados puesto que no conocemos la entalpía de b; sin embargo si la usamos con la entropía sí tenemos la respuesta puesto que la entropía de (b)es la entropía de (a). Así pues:

Usando los datos de la tabla de la Sección ``Diagrama '', se obtiene:

Equilibrio de fases

Es sabido que cualquier sistema evoluciona de forma espontánea hasta alcanzar el equilibrio, y que es posible determinar si un sistema está en equilibrio con su entorno si la Suniverso o si las funciones de estado del sistema U, H, A y G permanecen constantes con el tiempo. En caso contrario analizando como variarían estas funciones de estado se puede determinar en que sentido evolucionará el sistema, para lo cual se emplean las ecuaciones de Gibbs.

Así, la condición de equilibrio material en un sistema compuesto por varias fases y especies es:

∑_∝▒〖∑_i▒〖μ_i^α dn_i^α 〗=0〗

Condición que se cumple cuando no hay cambios macroscópicos en la composición del sistema, ni transporte de materia de una fase a otra del sistema.

¿Cómo se alcanza el equilibrio material entre fases?

Suponiendo que se tienen dos fases en equilibrio térmico y mecánico, y que ambas fases contienen el componente i. Si una cantidad dni moles de sustancia fluyen espontáneamente de la fase α a la fase β, debe ser porque con ese flujo G se minimiza:

dG=-SdT+VdP+∑_∝▒〖∑_i▒〖μ_i^α dn_i^α 〗≤0〗

Lo que aplicado a un sistema en equilibrio térmico y mecánico constituido por dos fases:

Como por otra parte, el flujo de ni moles entre las fases implica que

se tiene que:

Como dni se ha definido como un valor positivo, (cantidad de moles de sustancia i que llegan a la fase β, el flujo de materia se debe a que

alcanzándose el equilibrio material cuando los potenciales químicos de la sustancia son iguales en las dos fases:

Así, se puede decir: “En un sistema cerrado en equilibrio termodinámico, el potencial químico de un componente dado es el mismo en todas las fases en las que el componente está presente”.

2.2 Calor latente y sensible

El calor latente es la energía absorbida por las sustancias al cambiar de estado, de sólido a líquido (calor latente de fusión) o de líquido a gaseoso (calor latente de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se devuelve la misma cantidad de energía. Latente en latín quiere decir escondido, y se llama así porque, al no cambiar la temperatura durante el cambio de estado, a pesar de añadir calor, éste se quedaba escondido. La idea proviene de la época en la que se creía que el calor era una sustancia fluida denominada Flogisto

Por el contrario, el calor que se aplica cuando la sustancia no cambia de estado, aumenta la temperatura y se llama calor sensible. Se denomina calor sensible al que aplicado a una sustancia hace subir su temperatura.

El nombre proviene de la oposición a calor latente. Éste es calor escondido, se suministra pero no se nota el efecto de aumento de temperatura sobre la sustancia, como un cambio de fase de líquido a vapor; en el calor latente, se nota.

2.3Propiedades volumétricas de los fluidos y sus diagramas PT ,PV y PVT

Las propiedades termodinámicas, como la energía interna y la entalpía, a partir de las cuales se calculan los requerimientos de calor y trabajo de los procesos industriales, a menudo se evalúan a partir de datos volumétricos. Por otra parte, las relaciones presión/volumen/temperatura (PVT) son en sí mismas importantes para algunos fines como medición de fluidos y determinación del tamaño de recipientes y tuberías. Normalmente los fluidos homogéneos se dividen en dos clases, líquidos y gases. Sin embargo, no siempre puede hacerse esta distinción tan abrupta debido a que ambas fases se vuelven indistinguibles en lo que se llama el punto critico.

Dentro de las porpiedades volumétricas de los fluidos influyen las siguiente:

Energía Cinética:(siglas en inglés K.E.) es la energía del movimiento. La energía cinética de un objeto es la energía que posee a consecuencia de su movimiento. La energía cinética* de un punto material m está dada por

KE=1/2mv2

La energía cinética es una expresión del hecho de que un objeto en movimiento, puede realizar un trabajo sobre cualquier cosa que golpee; cuantifica la cantidad de trabajo que el objeto podría realizar como resultado de su movimiento. La energía mecánica total de un objeto es la suma de su energía cinética y su energía potencial.

Energía interna

En física, la energía interna (U) de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala macroscópica. Más concretamente, es la suma de:

la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de

la energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades.[1]

La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo.

Si pensamos en constituyentes atómicos o moleculares, será el resultado de la suma de la energía cinética de las moléculas o átomos que constituyen el sistema (de sus energías de traslación, rotación y vibración) y de la energía potencial intermolecular (debida a las fuerzas intermoleculares) e intramolecular de la energía de enlace.

En un gas ideal monoatómico bastará con considerar la energía cinética de traslación de sus átomos.

En un gas ideal poliatómico, deberemos considerar además la energía vibracional y rotacional de las mismas.

En un líquido o sólido deberemos añadir la energía potencial que representa las interacciones moleculares

Entalpía: es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno.

Diagramas

Diagrama PVT

El diagrama PVT es la representación en el espacio tridimensional Presión - Volumen específico - Temperatura de los estados posibles de un compuesto químico. Estos estados configuran en el espacio PVT una superficie discontinua, debiéndose las discontinuidades a los cambios de estado que sufre el compuesto al variarse las condiciones de presión y temperatura, que son las variables que suelen adoptarse como independientes en los estudios y cálculos termodinámicos, principalmente por la relativa sencillez de su medida. Las superficies delimitan las zonas de existencia de la fase sólida, la fase líquida y la fase gaseosa.

En la figura 4, se puede notar que, para una fase

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