Sustancias Puras

TERMODINÁMICA.

TEMA II: SUSTANCIA PURA

CONTENIDO

1. Sustancia pura. Definición
2. Equilibrio de fases. Vapor, líquido, sólido, en una sustancia pura.
3. Propiedades independientes de una sustancia pura.
3.1. Ecuaciones de estado para la fase vapor.
3.2. Tablas de propiedades termodinámicas
3.3. Superficie termodinámica

1. Sustancia pura: Una sustancia pura sedefine como una sustancia homogénea e invariable en su composición química. Cuando existe en una mezcla multifásica, su composición es la misma en todas las fases. Por ejemplo: el hielo, una mezcla de hielo y agua líquida, y el vapor de agua son todas sustancias puras. Por otra parte, consideremos una sustancia inicialmente pura, que es una mezcla uniforme de oxígeno y nitrógeno gaseosos y queexperimenta un proceso de enfriamiento. Si algo de la mezcla gaseosa se licúa, la porción de líquido tendría una composición diferente de la mezcla de gas restante, y el conjunto ya no sería una sustancia pura.
Al estudiar la sustancia pura se deben incluir dos propiedades adicionales: entalpia y entropía a las cuatro propiedades conocidas como son: presión, temperatura, volumen y energía interna.2. Fases
En general, una sustancia pura puede existir en una cualquiera de tres fases, o en una mezcla de ellas: la fase sólida, la fase líquida y la fase gaseosa o de vapor. La fusión es el cambio de fase de sólido a líquido. El cambio en sentido contrario se llama solidificación (o congelación en el caso del agua). El cambio de fase de líquido a gas se denomina vaporización y se dice quela sustancia líquida se vaporiza (o se evapora, en el caso del agua). El cambio de vapor (o fase gaseosa) a líquido se conoce como condensación y durante el proceso se dice que el vapor se condensa.
No todas las sustancias pasan por estas tres fases; algunas normalmente van directo de la fase sólida a la gaseosa (o viceversa), un cambio denominado sublimación. Además, muchas sustancias queordinariamente pasan por las tres fases durante el calentamiento de la fase sólida, pueden sublimarse en ciertas condiciones. Por ejemplo, un trozo de hielo expuesto a la atmósfera a temperaturas inferiores a 0 °C se sublimará y, si transcurre el tiempo suficiente, pasará enteramente a la atmósfera como vapor de agua. En su estado sólido a la presión de 1 atm, el dióxido de carbono sólido ("hielo seco")se sublima cuando absorbe calor y produce así enfriamiento.

Cambio de fases:

Existen en la naturaleza muchas situaciones en que dos fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. El agua existe como líquido y vapor dentro de una olla de presión. El agua sólida o hielo a la temperatura y presión normales del ambiente comienza su proceso de condensación. A pesar de que todas las fasesde las sustancias son importantes, solo se estudiarán las fases líquido y vapor y su mezcla. En el estudio de la sustancia pura se toma como ejemplo el agua por ser una sustancia muy familiar.

Superficies termodinámicas

Una superficie se define por una función como z = z(x, y), que relaciona las coordenadas. Puesto que las propiedades son un equivalente matemático de las coordenadas, sepueden utilizar cualesquiera tres propiedades si es posible hallar una función apropiada. La ecuación de la superficie de un gas ideal es pv = RT. Además, si abundan las propiedades de equilibrio de una cierta sustancia, tres cualesquiera de ellas, como p, v y T, pueden emplearse como coordenadas para obtener una superficie termodinámica en el espacio, como se indica en los diagramas de fases acontinuación.

Diagramas de estado y diagrama de fase

        Los diagramas de estado permiten representar los distintos cambios de estado que experimentan las sustancias. Estos son los diagramas P-v y T-v. El diagrama de fase únicamente representa las tres fases para cualquier sustancia.

Diagrama T-v

El diagrama T-v se obtiene de la proyección de la superficie PvT (Figura 1) en el  plano...