propiedades de la sustancias puras

|§ II. Propiedades de las sustancias puras.

En este apartado se estudiarán a las sustancias puras, las que resultan importantes debido a su amplia aplicabilidad en problemas técnicos de ingeniería; también se establecerán los métodos para determinar el estado termodinámico de los sistemas de esta naturaleza, por una parte, a través de las ecuaciones de estado y; por otra, haciendo uso delas llamadas tablas de vapor. En particular se estudiará la ecuación de estado de los gases ideales, ecuación que interrelaciona las variables termodinámicas: volumen, presión y temperatura, así como la interrelación de estas con los coeficientes de compresibilidad y de expansión térmica

II. 1. Concepto de sustancia pura y ejemplos

Una sustancia compresible simple es aquella que, cuando sele 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 embolo.

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

1. Substancia pura. Es aquella que tiene una composición química homogénea e invariable. Y que se encuentra en estado sólido, líquido o 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, p. ej., una mezcla degases 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 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, etc.

Los sistemas compresibles simples son muy usuales eningeniería, por lo que, a menos que se especifique lo contrario, nuestro estudio posterior versa sobre estos sistemas.


II. 2. Estados y cambios de agregación de la materia


Efectuemos el siguiente experimento. Considere 1 Kg de agua dentro de un cilindro dotado de un pistón, ver figura 2.1. Con las condiciones iniciales siguientes: con un peso determinado sobre el pistón, conservamos lapresión constante al interior del cilindro, digamos a 0.1 MPa; y establecemos la temperatura inicial a 20ºC.

(a) Calentamos el agua con un mechero bunsen. En la medida de 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 99.6ºC inicia el cambio de fase, i. e., el líquido empieza a cambiaren 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. Durante esta etapa el volumen específico aumenta sensiblemente.

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

Se le llama temperatura de saturación a la temperatura a la que se efectúa la 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 depresión de saturación del agua, a la temperatura de T = 99.6ºC. De la misma forma, T = 99.6ºC 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.

A diferentes valores de ps , le corresponden diferentes valores de Ts y viceversa. Por ejemplo, como se vio, cuando el agua se encuentra...