termo 4 - comportamiento de fases (sustancias puras)

Profesor: Manuel E. Cabarcas

TERMODINÁMICA DE HIDROCARBUROS

Profesor:Manuel E. Cabarcas Simancas

Sustancias Puras


Sustancia pura

Una sustancia que tiene una composición química fija recibe el nombre de sustancia pura.

La mezcla de diferentes elementos o compuestos químicos también es una sustancia pura, siempre que la mezcla sea homogénea.

La mezcla de dos o más fases de una sustancia pura sigue siendo una sustancia pura, siempre que la composición química de las fases sea la misma.

N2 Aire

El nitrógeno y el aire gaseoso son sustancias puras

Vapor

Líquido

Vapor

Líquido

Una mezcla de agua líquida y gaseosa es una sustancia pura, pero una mezcla de aire líquido y gaseoso no lo es


Una fase es un arreglo molecular distinto, homogéneo en todas partes y que se separa de las demás por medio de superficies de frontera fácilmente identificables.

Hay tres fases principales: sólida, líquida y gaseosa.

Una sustancia puede tener varias fases dentro de una sustancia principal, cada una con una estructura molecular diferente:

El carbón existe como grafito y diamante en la fase sólida.El hierro tiene tres fases sólidas (austenita, cementita y ferrita).El helio tiene dos fases liquidas. El hielo presenta siete fases diferentes a presiones elevadas.

Fase de una sustancia pura



Fase de una sustancia pura

Sólido

Arreglo ordenado; Las moléculas están en posiciones fijas; las moléculas estás cerca la una de la otra.

Líquido

Desorden; los grupos de moléculas o cluster presentan movimiento libre con relación a otros grupos, las moléculas están cerca.

Gas

Total desorden; mucho espacio vacio; las moléculas tienen completa libertad de movimiento.

Enfriamiento o compresión

Calor o reducción de presión

Enfriamiento

Calentamiento


Procesos de Cambio de Fase de Sustancias Puras

P = 1 atmT = 100 °C

P = 1 atmT = 20 °C

P = 1 atmT = 300 °C

P = 1 atmT = 100 °C

Líquido comprimido o subenfriado

Líquido saturado

Mezcla saturada de líquido-vapor

Vapor saturado

Vapor sobrecalentado

1

2

P = 1 atmT = 100 °C

3

4

5

Mezcla saturada

1

2

300

100

20

T °C

Liqui

do C

ompr

imid

o3

4

5

V

Vapo

r sob

reca

lent

ado

P=1a

tm

Diagrama T-v para el proceso de calentamiento del agua a presión constante


El líquido comprimido o líquido subenfriado no está a punto de evaporarse. Subsaturado.

Líquido saturado. Líquido en equilibrio con vapor a una presión y temperatura dadas. En el caso de sustancias puras, es el estado del líquido correspondiente al punto de burbujeo.

Vapor saturado. Vapor en equilibrio con un líquido, a una presión y temperatura dadas. En el caso de sustancias puras, es el estado de vapor correspondientes al punto de rocío.

La mezcla saturada líquido- vapor es aquella en la cual las fases líquida y vapor coexisten en equilibrio en estos estados.

Vapor sobrecalentado es aquel que no está a punto de condensarse.



PuntoCrítico

Liquido saturado

Vapor saturado

T °C

374.14

0.003155 v, m3/kg

Diagrama T-v de una sustancia puraDiagrama T-v de una sustancia pura

Sustancias puras


Presión de vapor. Es la presión que ejerce la fase de vapor en el recipiente que lo contiene, cuando el líquido y vapor de un componente puro se encuentran en equilibrio a determinadas condiciones de presión y temperatura.

Punto de rocio. Estado de un sistema completamente gaseoso en equilibrio con una infinitesimal de líquido.

Punto de burbujeo. Estado de un sistema completamente líquido en equilibrio con una cantidad infinitesimal de gas.

Curva de punto de rocío. Lugar geométrico de los puntos de presión y temperatura al cual se forma la primera gota de líquido, al pasar un sistema del estado de vapor al estado de dos fases. Comúnmente se denomina Curva de Rocío.

Curva del punto de Burbujeo. Lugar geométrico de los puntos de presión y temperatura al cual se forma la primera burbuja, al pasar unsistema del estado líquido, al estado de dos fases. Comúnmente se denomina Curva de Burbujeo.



T

TC

PC

Volúmen específico (ft3/lbm)

Pre

sión

(ps

ia)

vL vg

2-Fases

Diagrama P-v de una sustancia puraDiagrama P-v de una sustancia pura

Sustancias puras


Región de dos fases. Región (zona) encerrada por las curvas de punto de rocío y de burbujeo, en un diagrama presión-temperatura del sistema, donde el gas y líquido coexisten en equilibrio.

Temperatura crítica. Es la temperatura sobre la cual un gas no puede ser licuado, sin importar la presión aplicada.

Presión crítica. Presión sobre la cual el líquido y el gas no pueden existir, no importando la presión.



Lg

g

nnn

f+

=

( ) Lg vffvv −+= 1

f es la fracción molar de la fase gas (usualmente conocida como calidad):

Para un punto de saturación dado por las coordenadas (Psat , Tsat) se cumple:

Diagrama P-v de una sustancia puraDiagrama P-v de una sustancia pura

Sustancias puras


PuntoCrítico

Región de vapor

sobrecalentado

Región saturada de

líquido – vapor

Región de líquido

comprimido

T1=Const

P

v

Lineade vapor saturado

Líne

a de

liqu

ido

satu

rado

T2=Const>T1

P 2=C

onst

>P1

Lineade vapor saturado

Líne

a de

liqu

ido

satu

rado

Región de líquido

comprimido

PuntoCrítico

Región de vapor

sobrecalentado

P 1=

Cons

t

Región saturada de

líquido – vapor

T

v

Diagrama (T-v) y (P-v) de una sustancia puraDiagrama (T-v) y (P-v) de una sustancia pura

Sustancias puras


Sustancias Puras

Temperatura

Pre

sión

Curva de sublimación (2 fases)

Pc

Tc

Punto triple(3 fases)

Curva de presión de vapor (2 fases)

Curva de fusión(2 fases)

Líquido (1 fase)

Punto crítico

Sólido(1 fase)

Vapor (1 fase)

Diagrama de fase para un solo componenteDiagrama de fase para un solo componente


Sustancias Puras

Temperatura

Pre

sión

Pc

Tc

Curva de sublimación

Curva de fusión

Curva de presión de vapor

Punto crítico

Fluido supercrítico

SólidoLíquido

Vapor


Sustancias Puras

Curva de presión de vapor para un solo componenteCurva de presión de vapor para un solo componente

Temperatura

Pre

sión

Isocoras

(líneas de densidad constante)

Pc

Tc

Líquido

Punto crítico

Vapor


Sustancias Puras

dTdPVTH

satvap ∆=∆

( )=−=∆ satsatlv TPVVV ,@

=∆ vapH

Efectos de calor que acompañan los cambios de fases de sustancias purasEfectos de calor que acompañan los cambios de fases de sustancias puras

=dT

dPsat

PRTV =∆

( )TBAPsat −=ln

( )TC

BAPsat

+−=ln( ) 6lnln FTTD

TBAPsat ++−=

Ecuación Clapeyron

ft3/lbmol o cm3/g-mol

Calor latente de vaporización

ft3/lbmol o cm3/g-mol

Gas Ideal

satvapsat

PRTH

dTdP

2

∆=

Clausius - Clapeyron

∫ nIntegracio

Ecuación de AntoineEcuación Riedel


Sustancias Puras

Efectos de calor que acompañan los cambios de fases de sustancias purasEfectos de calor que acompañan los cambios de fases de sustancias puras


Línea triple

Sólido

VolúmenSólido

Líquido

Pre

sión

Gas

PuntoCrítico

Temperatura

Superficie PVTSuperficie PVT

Sustancias Puras


Superficie PVT de una sustancia que se contrae al congelarse

Superficie PVT de una sustancia que se expande al congelarse

Superficie PVTSuperficie PVT

Sustancias Puras


Problema 1 . Se construye un depósito de 400 m3 para contener gas natural licuado, GNL, que se supone equivale a metano esencialmente puro. Si el depósito debe contener 90 % de líquido y 10 % de vapor, en volúmen, a 100 kPa. ¿ Qué masa de GNL (kg) contendrá el depósito?. ¿Cuál es la calidad del depósito?.

Problema 2. El depósito del problema anterior se calienta a razón de 5°C por hora a causa de una falla en el sistema de refrigeración. El diseño del depósito soporta una presión de 600 kPa. ¿De cuánto tiempo se dispone para reparar el sistema antes de que alcance la presión de diseño?.

Problema 3. 30 libras de metano se mantienen en un recipiente cerrado a 100 °F. El volumen del contenedor es de 2 pies. Calcular el volumen del gas en el contenedor.



Fundamentos de termodinámica de Van Wylen

Termodinámica Tomo I de Yunus A. Cengel

The Properties of Petroleum Fluids. William D. MacCain

Bibliografía


Fin de la Presentación

Gracias Por su Atención

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