Propiedades de las sustancias puras


§ II. Propiedades de las sustancias puras.

En este capítulo se estudiarán a las sustancias puras, éstas resultan de interés debido a su amplia aplicabilidad en problemas técnicos de ingeniería; se establecerá la ecuación de estado para las sustancias puras en su forma diferencial, así como el método para resolverla haciendo uso de los coeficientes de compresibilidad isotérmica y dedilatación térmica, lo que nos permitirá determinar los cambios de estado de las sustancias puras al someterse a un proceso cuasi-estático; asimismo se deducirá la ecuación de estado de los gases ideales y con ella, se estudiarán los cambios de estado termodinámico de los gases, cuando estos pueden ser considerados como gases ideales; más adelante se expone el uso de las llamadas tablas de vapor, locual nos permitirá estudiar procesos en los que intervienen sustancias puras. Finalmente se discutirá, de manera breve, algunas ecuaciones de estado para los gases, mismas que representan aproximaciones teóricas al comportamiento de los gases reales.

II. 1. Concepto de sustancia pura y ejemplos

Una sustancia compresible simple es aquella que, cuando se le estudia, sus efectos de superficie ysus 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 émbolo.

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

1.Substancia pura. Es aquella que tiene una composición química homogénea e invariable y 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 de gases inertes o químicamenteactivos pero que no reaccionan entre sí, una mezcla de líquidos o una disolución como por ejemplo el agua de azúcar o el agua 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 en ingeniería, por lo que, amenos que se especifique lo contrario, nuestro estudio posterior versa sobre estos sistemas, en específico los constituidos por una substancia pura.


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 determinadosobre el pistón, conservamos la presión 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 cambiar en 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 lapresión permanezca constante, p = 0.1 MPa, 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...