SUSTANCIA PURA

Es la que tiene una composición química homogénea e invariable puede

existir el mas de una fase, pero la composición química es la misma en todas

las fases. Así como el agua liquida una mescla de liquida y vapor de agua, una

de hielo y agua líquida son todas sustancia puras. Cada fase tiene la misma

composición química. Por otra parte una mescla de aire liquido y aire gaseoso

no es una sustancia pura, porque la composición de la fase liquida es diferente

a la de la fase vapor.

Algunas una mescla de gases, como el aire se considera como una

sustancia pura siempre y cuando no haya cambio de fase. Hablando en sentido

estricto esto no es cierto. Como se verá más tarde se debe decir que una

mescla de gases como el aire presenta algunas de la característica de una

sustancia pura en tanto no haya un cambio de fase.

En este texto se hará en énfasis sobre las sustancia comprensibles simples.

Este término se aplica a la sustancia cuyo efecto de superficie, efecto

magnético efecto eléctrico son insignificantes cuando se trata con ellas. Por

otra parte los cambios de volumen, como los asociados de la expansión de un

gas en un cilindro son muy importantes. Sin embargo se hará referencia a otra

sustancia para las cuales son importante los efectos de superficie magnéticos y

eléctricos. Un sistema formado por una sustancia comprensible simple se

considera como un sistema comprensible simple.

EQUIBRIO DE FASES

Sistema formado por 1kg de agua que esta contenido en un conjunto de pistón

cilindro como el mostrado en la figura 3.1. a. suponga que el pistón y el peso

mantienen una presión de 0.1 MPa en el cilindro y que la temperatura inicial es

de 20 ºc a medid que se transfiere calor al agua, la temperatura se eleva un

poco el volumen especifico aumenta ligeramente y la presión permanece

constante cuando la temperatura llega a 99.6 ºc, la transferencia adicional de

calor provoca un cambio de fase como se indica en la figura 3.1. b. es decir

algo de liquido se transforma en vapor y durante este proceso tanto la

temperatura como la presión permanece constante pero el volumen especifico

se incrementa. Cuando se ha evaporado la ultima gota de liquido, una

tranferencia posterior da como resultado u incremento de temperatura y de

volumen especifico del vapor como se muestra en la figura 3.1.c.

Figura 3.1

En términos de temperaturas de saturación designa a la cual se lleva a cabo la

evaporación dada. Hasta presión de saturación para la temperatura dada ‘así,

para el agua a 99.6 ºc, la presión de saturación es de 0.1 MPa y para el agua a

0.1 MPa la temperatura de saturación es 99.6 ºc. para una sustancia pura

existe una relación definida entre la presión de saturación y la temperatura e

saturación. En la figura 3.2 se muestra una curva representativa denominada

curva de presión de vapor.

Si una sustancia existe como liquido a la temperatura y presión de saturación,

se llama liquido saturado. Si la temperatura del liquido es menor que la

temperatura de saturación para la presión existe, se llama liquido sobreenfriado

o liquido comprimido. Se puede utilizar cualquiera de esto términos, pero en

este libro se utiliza el último.

Cuando una parte de una sustancia existe liquido y otro como vapor a la

temperatura de saturación, su calidad se define como el cociente de la masa de

vapor y masa total. Así como en la figura 3.1.b, si la masa del vapor es de 0.2

kg y la masa el liquido es de 0.8 kg, la calidad es de 0.2 o 20%. La calidad se

puede considerar como una propiedad intensiva y tiene el símbolo x. la calidad

solo tiene sentido cuando la sustancia se encuentra en un estado saturado, es

decir a la presión y temperatura de saturación

Figura 3.2

Si una sustancia existe como vapor a la temperatura, se llama vapor saturado

algunas veces se utiliza el término “vapor seco saturado” para enfatizar que la

saturación, se dice que existe como vapor sobrecalentado la presión y la

temperatura del vapor sobrecalentado son propiedades independientes, ya que

la temperatura puede aumentar mientras la presión permanece constante. En

realidad, la sustancia que llamamos gases son vapores altamente

sobrecalentados.

Propiedades independientes de una sustancia pura

Una razón importante para introducir el concepto de una sustancia pura es

que el estado de una sustancia pura, comprensible, simple (es decir una

sustancia pura en ausencia de movimiento, gravedad y efectos de superficie,

magnéticos o eléctricos) se define por dos propiedades independientes. Por

ejemplo, si se especifican la temperatura y el volumen especifico del vapor

sobre calentado, se determina el estado del vapor. Para comprender la

importancia del término propiedad independiente, considérese los estados de

líquido saturado y vapor saturado de una sustancia pura. Estos dos estados

tienen la misma presión y la misma temperatura, pero definitivamente no son el

mismo estado. Por lo tanto, en un estado de saturación, la presión y la

temperatura no son propiedades independientes. Para especificar el estado de

saturación de una sustancia pura se requieren dos propiedades independientes

como la presión y el volumen específico, o la presión y la calidad. Para una

masa de control difásica, la calidad varía desde 0, cuando la masa de control

está compuesta únicamente de líquido saturado, hasta 1, cuando está

constituida únicamente por vapor saturado. Con frecuencia, la calidad también

se expresa como un porcentaje. Obsérvese que la calidad sólo está definida

para la mezcla difásica constituida por líquido y vapor. El volumen del sistema a

lo largo de la línea difásica es: V= Vliq+ Vvap. Si consideramos una masa m

que tiene una calidad x. La expresión anterior definirá el volumen o sea la

suma del volumen del líquido y el volumen del vapor. En términos de la masa,

la ecuación anterior se puede escribir en la forma mv = m liq v liq + m vap v

vap. Ya se había definido v f, para referirnos al volumen especifico del liquido

saturado y v g, para el volumen especifico del vapor saturado, ahora bien la

diferencia entre estos dos v g - v f, representa el incremento en volumen

especifico cuando el estado cambia de liquido saturado a vapor saturado y se

identifica como v fg.

DEFINICIÓN DE TRABAJO Y CALOR

Son intercambios energéticos que tienen lugar como consecuencia de las

interacciones que pueden experimentar los sistemas termodinámicos. Tanto el

calor como el trabajo son manifestaciones externas de la energía y únicamente

se evidencian en las fronteras de los sistemas y solamente aparecerán cuando

estos experimenten  cambios en sus estados termodinámicos. En las

interacciones que experimentan los sistemas, estos pueden recibir o ceder

energía. La energía se considera como una magnitud algebraica

estableciéndose el siguiente criterio: trabajo que proporciona el sistema positivo

y el que recibe negativo. Así mismo, el calor suministrado al sistema se

considera positivo y el cedido por él negativo.

Fig. 2.1 Criterio de signos para el intercambio energético

TRABAJO

Definición mecánica de trabajo: Es el producto de una fuerza por la distancia

recorrida en la dirección de la fuerza.

                                                       

En Termodinámica esta definición no enlaza los conceptos de sistema,

propiedad y proceso. Por tanto es necesario definir trabajo

termodinámicamente.

DEFINICIÓN TERMODINÁMICA DE TRABAJO.

Un sistema realiza trabajo durante un proceso si el único efecto en el medio

exterior pudiese ser el levantamiento de un peso. Ejm: un sistema formado por

una batería y un motor. En los límites del sistema se observa el trabajo

entregado por el motor a la rueda de paletas. Si se sustituye la rueda de

paletas por un conjunto de peso-polea,  el único efecto externo a la frontera del

sistema será el levantamiento de un peso, Figura 2.2.

     

Fig. 2.2  Ilustración del trabajo de la rueda de paletas.

TRABAJO DE UN SISTEMA

Consideremos un arreglo cilindro-pistón que encierra una cierta masa de

gas que ejerce presión sobre la cara del pistón de superficie A. Si el pistón se

desplaza hacia la izquierda debido a la aplicación de una fuerza F externa se

dirá que los alrededores ejercen trabajo sobre el gas y su valor infinitesimal

será:

Diciéndose en este caso que el gas ha sido comprimido. Figura 2.3

Fig. 2.3 Trabajo mecánico

El trabajo se puede expresar como:

                                          

                                          

                                                

El trabajo total se calcula como:

                                                                 

Para lo cual se hace preciso el conocimiento de la función  P = P(V) que

relacione la presión con el volumen a lo largo de todo el proceso de interacción.

Fig.  2.4 El trabajo de la frontera realizado durante un proceso depende de la trayectoria

seguida y de los estados extremos.

      Los estados de equilibrio 1 y 2 pueden conectarse por curvas diferentes

que representan a su vez transformaciones distintas. En la Figura 2.4 se

pueden visualizar des trayectorias diferentes que conectan los estados de

equilibrio 1 y 2. Como las superficies encerradas por cada una de las líneas

son diferentes entonces también lo serán los trabajos termodinámicos

correspondientes. Esto comprueba que el trabajo no es función de estado sino

de trayectoria por lo que su diferencial se representa como d W (diferencial

inexacta) en lugar de dW.

CALOR

Es la forma de energía que se transmite a través del límite de un sistema

que está a una temperatura a otro sistema (o al medio exterior) a una

temperatura mas baja debido a la diferencia de temperatura entre los dos

sistemas.

             El calor es una función de trayectoria y su diferencial es inexacta, luego

                                                           

      La cantidad de calor transmitida cuando el sistema queda sometido a un

cambio de estado del estado 1 al estado 2, depende de la trayectoria que siga

el sistema durante el cambio de estado.

COMPARACION  ENTRE CALOR Y TRABAJO

Calor y trabajo son, ambos, fenómenos transitorios. Los sistemas nunca

tienen calor o trabajo, pero cualquiera o ambos cruzan los límites del sistema,

cuando éste sufre un cambio de estado.

Ambos, calor y trabajo, son fenómenos de límite. Ambos se observan

solamente en los límites del sistema y ambos representan la energía que cruza

el límite del sistema.

Ambos, calor y trabajo, son funciones de trayectoria y diferenciales inexactas.

Por convección +Q representa calor transferido al sistema y, que por tanto, es

energía añadida en él, y +W representa trabajo efectuado por el sistema y esto

representa energía que sale de él.

                          

Fig. 2.5 Ilustración para indicar diferencia entre calor y trabajo

TRANFERENCIA DE ENERGIA

 

Al calentar un cuerpo, evidentemente se está gastando energía. Las

partículas que constituyen el cuerpo incrementan su actividad aumentando su

movimiento, con lo cual aumenta la energía de cada una de ellas y, por tanto,

la energía interna del cuerpo. Se sabe, que al poner en contacto dos cuerpos,

uno caliente y otro frío, el primero se enfría y el segundo se calienta. Esta

transferencia de energía desde el primer cuerpo hasta el segundo se lleva a

cabo de la manera siguiente: las partículas del cuerpo más caliente, que se

mueven más rápidamente por tener más energía, chocan con las partículas del

segundo que se encuentran en la zona de contacto, aumentando su

movimiento y, por tanto su energía. El movimiento de estas partículas se

transmite rápidamente a las restantes del cuerpo, aumentando la energía

contenida en él a costa de la energía que pierde en los choques las partículas

del primer cuerpo. La energía que se transfiere de un cuerpo a otro se

denomina calor. No es correcto afirmar que el calor se encuentra almacenado

en los cuerpos, lo que está almacenado en ellos es la energía, es decir, calor

es la energía que se transfiere de un cuerpo a otro o de un sistema a otro. Los

cambios en el proceso de transferencia de energía se llevan a cabo en una

dirección, desde el que suministra dicha energía hasta el que la recibe.

Manifestaciones de la energía. La energía, en su proceso de transformación y

transferencia, va manifestándose de una forma a otra, originando así lo que

hoy en día constituye nuestro desarrollo científico y tecnológico,

comprendiéndose que ella desempeña un papel primordial en la vida del

hombre. Cuando encendemos la hornilla de la cocina de gas y ponemos a

calentar agua en un recipiente de metal, se lleva a cabo el siguiente proceso: el

combustible, que en éste caso es el gas, al quemarse libera la energía interna

que poseía y la transforma en energía calórica que es absorbida por el

recipiente y éste por el proceso de conducción la transmite al agua que hierve

para luego convertirse en vapor. Ese calor obtenido por el agua no es más que

la energía de las moléculas contenidas en ella. Se ha dicho y se dirá siempre

que el sol es la principal fuente de energía en la tierra, tanto es así, que sin él

sería casi imposible la subsistencia en nuestro planeta. Las reacciones

nucleares originadas en el interior del sol, debido a las grandes temperaturas,

dan como resultado una liberación de energía que llega hasta la tierra en forma

de radiación electromagnética. Esto trae como consecuencia el calentamiento

del agua contenida en los ríos, lagos y mares, la que a su vez se evapora

condensándose en las nubes. Estas a su vez se desplazan en diferentes

direcciones por efecto de los vientos, precipitándose luego en forma de lluvia.

Las precipitaciones se encargan de alimentar los ríos quienes a su vez fluyen

hacia los mares y océanos, cumpliéndose así el ciclo constante del agua,

gracias a la energía solar. El agua proveniente de las montanas es almacenada

en represas en forma de energía potencial. Al abrir las compuertas, el agua se

pone en movimiento, se dice que ha adquirido energía cinética- Esta energía

de movimiento hace rotar una turbinas, que a su vez son capaces de generar

energía eléctrica que posteriormente será transferida a las ciudades y

viviendas. En éstas últimas, la energía eléctrica es usada para obtener, energía

luminosa en los fluorescentes y bombillos, energía mecánica al encender la

licuadora o la lavadora, energía térmica al encender una plancha o la hornilla

de una cocina eléctrica. Por otro lado, también las plantas son capaces de

realizar sus funciones a través de la energía radiante proveniente del sol,

radiación que es absorbida a través de las hojas de tas plantas verdes para

realizar el proceso de la fotosíntesis. Al alimentarnos de plantas, utilizamos la

energía química extraída de esos alimentos para múltiples propósitos:

transmisión de impulsos nerviosos, crecer, realizar trabajos musculares etc. La

otra forma de energía acumulada en las plantas dala de millones de años atrás,

cuando una parte de organismos biológicos se fueron enterrando, originándose

en ellos una serie de transformaciones hasta convertirse en combustibles

fósiles (carbón, petróleo) que hoy en día constituyen fuente energéticas

importantes y de los cuales dependemos en gran parte. Estas fuentes de

energía han ido agolándose y de continuar así ya no tendremos recursos

energéticos.