71842546 Cap 4

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Equilibrio entre fases
El deseo de conocimiento, com o la
sed de riqueza, aumenta a medida
que se va adquiriendo.
L AU RENCE STER NE

Hasta ahora sólo hemos estudiado algunas propiedades termodinámicas . A continuación se hará un
estudio básico acerca del comportamiento y propiedades de las sustancias. El análisis se limitará a
sustancias puras, es decir, sustancias físicamente homogéneas yfijas en composición química; por
ejemplo, agua, nitrógeno, dióxido de carbono, etcétera.
Toda sustancia pura puede existir en equilibrio como sólido, líquido o vapor. ~n algunas circunstancias, también pueden coexistir varias fases en equilibrio, por ejemplo : líquido y vapor, líquido y
sólido. Comprender todos estos fenómenos es básico para la determinación de las diferentes propiedadestermodinámicas, así como para la selección apropiada de una sustancia como medio de trabajo
en un proceso o aplicación dada. También es fundamental para la selección de propiedades que
determinen, de una manera única, el estado de una sustancia dada . Como se anotó en la sección 2 .5 ,
dos propiedades intensivas independientes son suficientes para determinar con precisión el estado
termodinámico de unasustancia pura.
Dado que una de las sustancias puras más comunes es el agua, se hará referencia a ella con
frecuencia. Empero, las deducciones que se obtengan serán completamente generales y válidas para
cualquier sustancia pura.

4.1 Equilibrio líquido-vapor
El agua, como cualquier sustancia pura, puede existir en la fase líqUida a distintas presiones y temperaturas. Así, a una presión absoluta de1 bar dicha sustancia se encuentra en su fase líquida en un
amplio rango de temperaturas. Sin embargo, a esta presión y a una temperatura de 99.63 oC, el agua

72 Termodinámica

puede encontrarse como líquido, como vapor o como una mezcla de líquido y vapor. Y a temperaturas mayores de 99.63 oc sólo puede existir como vapor si la presión se mantiene constante en 1 bar.
De manera análoga, a unapresión arbitraria de 10 bar, el agua también se encuentra en su fase
líquida a distintas temperaturas. Sin embargo, a una temperatura de 179.91 oC la fase de líquido y la
de vapor pueden coexistir en equilibrio, esto es, el agua puede encontrarse como líquido, como vapor
o como líquido y vapor. A temperaturas mayores únicamente puede existir como vapor si la presión
se mantiene constante.
De loanterior se desprende que hay una correlación entre la presión y la temperatura para la
coexistencia de dos fases en equilibrio, esto es: a una presión dada corresponde una temperatura única,
donde las fases de líquido y vapor pueden coexistir en equilibrio. En consecuencia, la presión y la
temperatura no son propiedades independientes, puesto que una depende de otra, y existe ambigüedad
en ladeterminación del estado termodinámico. Es decir, este par de propiedades no especifica si la
sustancia se encuentra como líquido, como vapor o como una mezcla de líquido y vapor.

4.1.1 Diagrama presión-temperatura
Las condiciones de presión y temperatura en que coexisten dos fases en equilibrio se llaman cond iciones de saturación, y la presión y temperatura correspondientes se denominan presiónde saturación y temperatura de saturación, respectivamente. Cualquier fase que exista en estas condiciones
se conoce como fase saturada. En la figura 4.1 se presenta la curva de saturación líquido-vapor para
el agua. En todos los estados termodinámicos a lo largo de esta curva, también conocida como línea
de vaporización, coexisten la fase de líquido y la de vapor. Los estados que se ubican a laizquierda de
esta línea corresponden a los estados de líquido, y los que se sitúan a la derecha de la curva de saturación corresponden a la fase de vapor. En la figura citada se observa que el agua, en este caso,
puede vaporizarse a lo largo de esta línea en un rango de presiones y temperaturas muy extenso.
En la figura 4.2 se presentan diferentes curvas de saturación líquido-vapor para otras...