Diagramas Termodinámicos

DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS

También se llaman diagramas de fase y describen el comportamiento de las sustancias. Las transiciones entre fases se presentan por fenómenos de vaporización, condensación, fusión, cristalización o sublimación. El diagrama más simple es aquél que relaciona los parámetros de presión y temperatura.

---Las sustancias existen en diversas fases. Estamos bienfamiliarizados con fases designadas como: sólida, líquida y vapor (o gaseosa). Sin embargo, una fase de una sustancia pura es materia homogénea, y sucede que la materia sólida sometida a altas presiones puede existir en varias fases diferentes.
Vapor es el nombre que se da a una fase gaseosa que está en contacto con la fase líquida o que está en la vecindad de un estado en el que parte del mismo puedecondensarse. Se trata de un gas imperfecto, de manera que la simple ecuación de estado pv=RT no representa su comportamiento, excepto cuando sus moléculas están lo suficientemente separadas para que ejerzan poca fuerza unas sobre otras y ocupen poco espacio (baja presión).

[pic]Figura 1.

Cambios de fase a presión constante. Para ver con más detalle las fases,imaginemos una sustancia (hielo) en su fase sólida bajo una cierta presión. En la figura 1, supongamos que el cilindro contiene 1 lb de hielo en (a) con la masa w tal que la presión sea, digamos, de 100 lb/in2. Admítase que el hielo está a una temperatura de 0 °F. A continuación añadamos calor continuamente. Primero, el hielo se calienta hasta que la temperatura es un poco menor que 32°F. Latemperatura de congelación del agua disminuye ligeramente con el aumento de la presión. Entonces, el hielo empieza a fundirse y la mezcla de las dos fases, de hielo y de agua, permanece a la misma temperatura hasta que todo el hielo se funde (esto suponiendo un proceso gradual de manera que se pueda retener el equilibrio térmico interno). El calor absorbido mientras no hay cambio de temperatura es elcalor de fusión. El punto de congelación es función de la presión. Cuando ya no hay hielo, la temperatura del agua (b) empieza a elevarse y continúa elevándose hasta que comienza a hervir. Nuevamente durante la ebullición, la temperatura permanece constante en un valor particular, que depende de la presión; esto es, la temperatura de ebullición es función de la presión. A 14.7 lb/in2 el agua hiervea 212 °F. A 100 lb/in2 el amoniaco hierve a 56.05 °F. Esta temperatura se llama temperatura de saturación para la presión de estado. En la figura (c), parte del líquido se ha vaporizado; se trata pues de un sistema de dos fases. Siempre que un vapor esté en contacto y en equilibrio térmico con su líquido, el vapor es vapor saturado y el líquido, líquido saturado. Si se conoce la temperatura o lapresión, el valor de la que se desconozca de estas dos puede determinarse con tablas o gráficas (previa información experimental). Como p y T no son variables independientes, estas dos propiedades no se pueden utilizar para definir el estado de un sistema de dos fases. El estado de una mezcla de líquido-vapor se define generalmente bien por p o por T y por la calidad, x, o bien por el porcentajede humedad, y. La calidad es el porcentaje, en peso, que es líquido. Por tanto, una mezcla particular puede tener una calidad de x = 75%, o sea 0.75, y un contenido de humedad de y = 25%, o sea 0.25, significando ambas indicaciones que 1 lb de mezcla contiene 0.75 kg de vapor y 0.25 kg de líquido.
Volviendo a la figura (c) recuérdese que la temperatura del agua se mantiene a 327.81 °F. En elpunto (d) en que se evapora la última gota de líquido (lentamente, para mantener el equilibrio interno), la temperatura del vapor es aún la temperatura de saturación; la calidad de vapor es de 100%. Todo vapor del que se diga que su calidad es de 100% es únicamente vapor saturado. Finalmente, si se le suministra más calor al vapor, se elevará su temperatura y aumentará su volumen, fig. (e),...