estados de saturación del agua

Laboratorio de Termodinámica
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ESTADOS DE SATURACIÓN DEL AGUA
Objetivos
Obtener algunos estados termodinámicos de saturación para el agua.
Dibujar un esquema aproximado de la campana de saturación para el agua con los
estados termodinámicos obtenidos.
Bases teóricas
Esta práctica introduce el concepto de sustancias puras y el análisis del cambio de fase de
líquido-vapor. Se pretende obtener algunos puntos que permiten realizar una representación
aproximada del diagrama de cambio de fase P-v.
Una sustancia pura simple y compresible, implica que sólo se considera la forma de trabajo
Pdv y que contiene únicamente un componente químico.
Repetidas observaciones y experimentos has mostrado que, para una sustancia pura simple
y compresible dos propiedades intensivas e independientes son necesarias y suficientes para
establecer el estado termodinámico del sistema. Esta observación no se deduce de otros
teoremas más fundamentales, así que se le asigna la misma categoría que a las otras leyes
termodinámicas.
Así, el comportamiento observado en una sustancia pura, simple y compresible se resume
en el postulado de estado, que se define como:
Dos propiedades termodinámicas intensivas e independientes bastan para
establecer el estado termodinámico estable de una sustancia pura simple y
compresible.
Las propiedades termodinámicas pueden ser la presión, temperatura, volumen, energía
interna, etc.; a estas propiedades no pertenecen las propiedades geométricas, como la forma
o la elevación, ni la velocidad. Estado estable significa un estado de equilibrio, el postulado
de estado no es aplicable a estado en desequilibrio.
Existe un número importante de excepciones para estas formas del postulado de estado.
Estos enunciados se aplican únicamente a sustancias simples compresibles; en
consecuencia, la única forma de trabajo posible es P dV. Si existe otra forma de trabajo casi
al equilibrio, el número de propiedades termodinámicas independientes necesarias para
determinar el estado es 1 más el número de formas de trabajo. Asimismo, para una masa o
volumen de control con más de una sustancia o en la que los componentes reaccionen
químicamente, se espera que se deban especificar más de dos propiedades independientes
para establecer el estado
El postulado de estado señala la información necesaria para especificar el estado de una
sustancia en un sistema particular. Ya antes se consideraron las propiedades P, v, T y U; en
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secciones posteriores se presentarán otras propiedades. El postulado de estado afirma que,
si dos de esas propiedades son independientes y conocidas, entonces todas las otras
propiedades quedan especificadas.
Si se conocen T y v para una sustancia pura y compresible, entonces P y u tienen valores
conocidos unívocamente. Matemáticamente, esto se expresa como:
P= P(T, v), u = u( T, v)
La elección de las variables independientes en la expresión es arbitraria mientras sean
independientes, por lo que otras opciones equivalentes son:
P=P(u,T) o P= P(u, v), u = u(P, T) o u = u(P, v)
Existen situaciones prácticas donde dos fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio.
Algunos ejemplos son: el agua existe como una mezcla de líquido y vapor en una caldera y
en el condensador de una planta termoeléctrica, y el refrigerante pasa de líquido a vapor en
el congelador de un refrigerador. La atención es esta práctica se centra en la líquida y
vapor, así como su mezcla. Como sustancia común, el agua se usa para demostrar los
principios básicos en los sistemas que se presentan cambios de fase.
Sustancias simples compresibles
Las sustancias simples y compresibles se emplean en muchos sistemas de ingeniería,
incluyendo las plantas de potencia, muchos sistemas de refrigeración y sistemas de
distribución térmica que usan el agua o el vapor de agua para transportar la energía.
Además, las máquinas de combustión interna y externa se pueden estudiar en forma
práctica considerando que operan con sustancias simples y compresibles como fluidos de
trabajo, aun cuando en la realidad no sea así. Finalmente, algunas mezclas inertes de
sustancias puras, por ejemplo, el aire seco, pueden tratarse como sustancias puras con un
pequeño error, lo que permite una extensión práctica considerable a la aplicación de las
relaciones entre propiedades que se desarrollarán para sustancias puras.
Fases líquidas
Supóngase que se tiene un conjunto de valores de dos variables independientes para una
sustancia pura y simple en particular y se desea determinar el valor de una variable
dependiente. Como ejemplo, considérese una sustancia conocida, el agua fría. Ésta se
introduce en un cilindro y se le saca todo el aire (recuérdese la limitación de sustancia
pura). A continuación se coloca un pistón en contacto con la superficie del agua (Fig. 1). Se
escoge el agua como la masa de control y se mide su presión con un manómetro, así como
su temperatura mediante un termómetro. En esta forma se obtienen dos propiedades
independientes: la temperatura y el volumen específico (el cual se encuentra al dividir la
medida del volumen total contenido en el arreglo cilindro-pistón entre la masa de agua
colocada en el sistema). La propiedad dependiente (la presión) que resulta para los valores
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dados del volumen específico y de la temperatura, se determina con el manómetro. Por
consiguiente, en ese estado se pueden medir las tres propiedades P, v y T.
Líquido comprimido y líquido saturado.
Dispositivo para medir presiones.
Consideremos un dispositivo de cilindro-émbolo que contiene agua líquida a 20 °C y 1 atm.
En estas condiciones el agua existe en fase líquida y se denomina líquido comprimido o
líquido subenfriado. Si se transfiere calor al agua hasta aumentar su temperatura a, 40 °C a
medida que aumenta la temperatura, el agua líquida se expande un poco y por consiguiente
aumenta su volumen específico, debido a esta expansión el émbolo sube ligeramente, la
presión el cilindro permanece constante en 1 atm durante este proceso porque depende de la
presión barométrica externa y el peso del émbolo, que son constantes. El agua es aún un
líquido comprimido en este estado puesto que no ha comenzado a evaporarse. Conforme se
transfiere más calor, la temperatura aumenta hasta alcanzar 100 °C punto en el que el agua
todavía permanece líquida, pero cualquier adición de calor hace que se evapore un poco de
agua; es decir, está a punto de iniciar un cambio de fase de líquido a vapor. Un líquido que
está a punto de evaporarse se llama líquido saturado, este estado termodinámico
corresponde al de dicho nombre.
Vapor saturado y vapor sobrecalentado
Una vez que se inicia la vaporización o ebullición, la temperatura permanece constante
hasta que todo el líquido se evapora. Es decir, si la presión se mantiene constante, durante
el proceso de cambio de fase la temperatura también lo hará. Durante un proceso de
ebullición, el único cambio observable es un aumento en el volumen y una disminución del
fluido líquido.
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Cuando el proceso se encuentra a la mitad de la evaporación, el cilindro contiene
cantidades iguales de líquido y vapor. Conforme continúa la transferencia de calor, el
proceso de evaporación continuará hasta evaporarse la última gota de líquido. En ese punto
el cilindro esta llenó vapor. Cualquier cantidad de calor que pierda este vapor hará que se
condense (cambio de fase de vapor a líquido). Un vapor que está a punto de condensarse se
llama vapor saturado, cuando en el proceso se tiene una fracción de fluido líquido y
vapor, se conoce como mezcla saturado de líquido y vapor, debido a que en estos estados
las fase líquidas y de vapor coexisten en equilibrio.
Una vez completado, el proceso de cambio de fase termina y se alcanza una región de una
sola fase (únicamente vapor). En este punto, transferir más calor da como resultado un
aumento de temperatura y de volumen específico. Un vapor que no ésta a punto de
condensarse, es decir no es vapor saturado, se denomina vapor sobrecalentado
Diagramas de cambio de fase
Diagrama termodinámico T-v
Este diagrama está conformado por algunas líneas las cuales describen la situación de una
sustancia pura en particular. Los estados de líquido saturado pueden conectarse mediante
una línea, línea de líquido saturado, y los estados de vapor saturado mediante la línea de
vapor saturado. Estas dos líneas se alcanzan en el punto crítico y se define como el punto al
cual los estados de líquido saturado y de vapor saturado son idénticos. Todos los estados
líquidos comprimidos se localizan en la región a la izquierda de la línea de líquido saturado,
que recibe el nombre de región de líquido comprimido. Todos los estados de vapor
sobrecalentado se encuentran a la derecha de la línea de vapor saturado, en la región de
vapor sobrecalentado. En estas dos regiones la sustancia existe en una sola fase, o líquido o
vapor. Todos los estados que abarcan ambas fases en equilibrio se localizan bajo la
campana, denominado región de mezcla saturada de líquido-vapor o región húmeda.
Diagrama de cambio de fase T-v
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Tablas termodinámicas
Para la mayoría de las sustancias las relaciones entre las propiedades termodinámicas son
demasiado complejas, como para expresarse por medio de ecuaciones simples. Por tanto,
las propiedades se presentan en la forma de tablas. Algunas propiedades termodinámicas
pueden medirse con facilidad pero con otras no es posible hacerlo de manera directa y se
calculan mediante las relaciones que las vinculan con propiedades medibles. En el siguiente
análisis, se utilizarán tablas de vapor, para mostrar el uso de tablas con propiedades
termodinámicas. De hecho, se prepara una tabla separada para cada región de interés, como
las de vapor sobrecalentado, líquido comprimido y saturada (mezcla), en unidades de
medida igual. Antes de iniciar la exposición de las tablas de propiedades, es conveniente
definir una nueva propiedad llamada entalpía. En análisis de cierto tipo de procesos, en
particular la generación de potencia y la refrigeración, a menudo se encuentra la
combinación de propiedades U + PV. Por simplicidad y conveniencia, esta combinación de
propiedades se establece como una nueva propiedad, la entalpia, y se representa mediante
el símbolo H:
H = U + PV
o, por unidad de masa,
h = u + Pv
Tanto la entalpia total, H, como la entalpia específica, h, se indican simplemente como
entalpia.
Estados de líquido saturado y de vapor saturado.
El subíndice f se emplea para denotar propiedades de un líquido saturado y el subíndice g,
para las propiedades de vapor saturado. Estos símbolos se emplean en termodinámica y
provienen de la lengua alemana. Otro subíndice es fg, el cual denota la diferencia entre los
valores de vapor saturado y líquido saturado de la misma propiedad.
Por ejemplo:
vf= = volumen específico del líquido saturado
vg = volumen específico del vapor saturado
vfg = diferencia entre vg y vf (esto es, vfg = vg - vf)
La cantidad hfg se llama entalpia de vaporización (o calor latente de vaporización), y
representa la cantidad de energía necesaria para evaporar una masa unitaria de líquido
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saturado a una temperatura o presión determinada. Disminuye cuando aumenta la
temperatura o la presión y se vuelve cero en el punto crítico.
Esquema
Fig 1. Campana de vacío
Fig 2. Recipiente para alta presión
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Material
1 Barra magnética
1 Bomba de vacío
1 Campana de vacío con vacuómetro y válvula de regulación
1 Parrilla eléctrica
1 Termómetro de bulbo con Hg de -10 (ºC) a 50 (ºC)
1 Termómetro de bulbo con Hg de -20 (°C) a 150 (°C)
1 Termopar tipo K con sonda de inmersión
1 Multímetro digital
3 Vaso de precipitados de 250 (ml)
1 Recipiente a presión con manómetro
1 Base de metal
1 Mechero
Piedras de ebullición (polvo de mármol)
Metodología:
1) Empleando la campana de vacío:
a) Colocar 200 (ml) de agua en un vaso de precipitados.
b) Poner en el vaso una pizca de piedras de ebullición (polvo de mármol).
c) Calentar el agua a 40 (ºC).
d) Colocar el vaso dentro de la campana de vacío.
e) Ajustar el tornillo a tope de la campana de vacío (cerrar).
f) Abrir la válvula de paso de la bomba de vacío hacia la campana.
g) Poner en operación la bomba de vacío.
h) Cuando el agua llegue al punto de ebullición, tomar la lectura de la presión (la
diferencia de alturas de columna de mercurio es directamente la presión absoluta).
i) Apagar la bomba de vacío.
j) Liberar el tornillo de la campana y dejar que en el interior de la campana se alcance
la presión atmosférica.
k) Repetir el procedimiento con el agua a 30 (ºC) y a la temperatura ambiente.
l) Obtener de tablas termodinámicas la temperatura de saturación y compararla con el
valor leído en el termómetro de bulbo.
2) Empleando el recipiente a presión con manómetro:
a) Efectúe las mediciones de presión y temperatura para el cambio de fase del agua que
se encuentra dentro del aparato de alta presión.
b) Obtener de tablas termodinámicas los volúmenes específicos del líquido y del vapor
saturado.
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c) En diagramas ya reportados en la literatura, P-v y T-v para el agua, ubicar los
estados de saturación obtenidos.
Resultados
Se propone el llenado de la tabla siguiente para actividad en la campana de vacío:
T (ºC) P (cmHg) P (kPa) vf (m 3 /kg) vg (m 3 /kg)
amb
30
40
50
374.15 22 060.00 crítico (m 3 /kg) = 0.003106
Donde:
T (°C) = Temperatura
P (cmHg) = Presión absoluta en cm de mercurio
P (kPa) = Presión absoluta en kilopascales
vf (m 3 /kg) = volumen especifico para líquido saturado
vg (m 3 /kg) = volumen específico para vapor saturado
T (°C) = 374.15 (temperatura del punto crítico del agua)
Se propone el llenado de la tabla siguiente para la actividad en el recipiente de alta
presión:
P (bar) 30 25 20 15 10
T (°C)
vf(kg/m 3 )
vf(kg/m 3 )
Donde:
P (bar) = Presión absoluta en bares
vf (m 3 /kg) = volumen especifico para líquido saturado
vg (m 3 /kg) = volumen específico para vapor saturado
Nota: Los valores de los volúmenes específicos se obtienen de tablas de propiedades
termodinámicas.
Análisis de Resultados
El profesor pedirá que los alumnos comparen sus temperaturas de saturación
experimentales con las temperaturas reportadas en tablas de propiedades termodinámicas.
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Conclusiones
Bibliografía
Se propone la siguiente:
Cengel, Yunus A., Boles, Michael A.
Termodinámica
Quinta edición
Mc Graw Hill
México 2002
Wark, Kennet, Richard, Donald E.
Termodinámica
Sexta edición
Mc Graw Hill
México 2000
Si se utilizan páginas web, éstas deben ser confiables, como aquellas elaboradas por
profesores universitarios o universidades reconocidas.
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Conceptos de:
Calidad
ÍNDICE DE TEMAS DE ESTUDIO
PRÁCTICA: “ESTADOS DE SATURACIÓN DEL
AGUA”
Campana de saturación
Curva P-v-T para una sustancia pura
Diagrama P-v
Diagrama T-v
Humedad
Interpolación lineal
Líquido saturado
Manejo de tablas de propiedades termodinámicas
Postulado de estado
Propiedades de las sustancias puras
Punto crítico de una sustancia pura
Sustancia pura
Vapor saturado
Vapor sobrecalentado
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