SUSTANCIA PURA

Es toda sustancia que tiene su composicin qumica homognea e invariante

Ejemplo: el agua, el nitrgeno, el oxgeno, el amonaco y muchos mas.

La sustancia pura puede presentarse en distintas fases: slido, lquido y gaseosa. Dependiendo de los valores de presin y temperatura una sustancia puede estar como slido, lquido o vapor o presentarse en dos o tres fases a la vez.

CAMBIOS DE FASE

Existen en la naturaleza muchas situaciones en que dos fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. El agua existe como lquido y vapor dentro de una olla de presin. El agua slida o hielo a la temperatura y presin normales del ambiente comienza su proceso de condensacin. A pesar de que todas las fases de las sustancias son importantes, solo se estudiarn las fases lquido y vapor y su mezcla.

En el estudio de la sustancia pura se toma como ejemplo el agua por ser una sustancia muy familiar.

TEMPERATURA DE SATURACIN Y PRESIN DE SATURACIN

La temperatura y presin de saturacin son aquellas en donde ocurre la ebullicin de una sustancia pura. Para una presin de saturacin existe un nico valor de temperatura de saturacin y viceversa. Para el agua, a una presin de 101.35 kPa la temperatura de saturacin es 100C. En sentido inverso, a una temperatura de 100C la presin de saturacin es 101.35 kPa. La grfica de Psatcontra Tsatda una curva caracterstica para cada sustancia pura y se conoce como curva de saturacin de lquido-vapor. Figura 1.27.

Fig. 1.27 Curva de saturacin lquido-vapor de una sustancia pura (los valores numricos corresponden al agua).

En la Figura 1.27 se puede observar que la temperatura de saturacin aumenta con un incremento de la presin. Cuando se cocina, las temperaturas de ebullicin ms altas implican tiempos de coccin ms cortos y ahorros de energa. Por ejemplo, cuando se cocina en una olla de presin la temperatura de ebullicin es superior a los 100C ya que la presin que se consigue en una olla de presin es superior a los 101.35 kPa. En aquellos sitios que se encuentran por encima del nivel del mar, la presin atmosfrica disminuye en la medida que se asciende as como la temperatura de saturacin por lo que el tiempo de coccin en estos sitios es mayor.

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 nicamente representa las tres fases para cualquier sustancia. Este es el diagrama P-T.

Diagrama T-v

El diagrama T-v se obtiene de la proyeccin de la superficie PvT (Figura 1.28) en el plano T-v. La proyeccin resultante sobre un plano paralelo a los ejes T-v se muestra en la Figura 1.29. En este diagrama tanto las regiones de una y dos fases aparecen como reas.

Fig. 1.28 Superficie P-v-T de una sustancia que se expande al congelarse (como el agua).

Es comn que dos fases estn en equilibrio, pero en algunas condiciones las tres fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. En los diagramas P-v o P-T, estos estados de fase triple forman la lnea triple. Los estados de una sustancia sobre la lnea triple tienen la misma presin y temperatura, pero diferentes volmenes especficos. La lnea triple aparece como un punto sobre los diagramas P-T y, por tanto, suele denominarse punto triple.

Fig. 1.29 Figura T-v de una sustancia pura.

Los estados de lquido saturado en la Figura 1.29 pueden conectarse mediante una lnea, lnea de lquido saturado, y los estados de vapor saturado en la misma figura pueden conectarse mediante la lnea de vapor saturado. Estas dos lneas se alcanzan en el punto crtico, formado un domo como muestra la Figura 1.29. El punto crtico se define como el punto al cual los estados de lquido saturado y de vapor saturado son idnticos. La temperatura, la presin y el volumen especfico de una sustancia en el punto crtico se denominan, temperatura crtica Tcr , presin crtica Pcr y volumen especfico crtico vcr. Las propiedades del punto crtico del agua son Pcr=22.09 Mpa, Tcr=374.14 C y vcr=0.003155 m3/kg.

Diagrama P-v

El diagrama P-v se obtiene de la proyeccin de la superficie P-v-T (Figura 1.28) en el plano P-v (Figura 1.30). La forma general del diagrama P-v de una sustancia pura es similar al diagrama T-v, pero las lneas de T=constante sobre este diagrama presentan una tendencia hacia abajo, como muestra la Figura 1.30.

Tanto en el diagrama T-v como en el diagrama P-v las regiones de una y dos fases aparecen como reas. La lnea de lquido saturado representa los estados de la sustancia tales que cualquier adicin infinitesimal de energa a la sustancia a presin constante cambiar una pequea fraccin de lquido en vapor. De modo semejante, al sustraer energa de la sustancia en cualquier estado que cae dentro de la lnea de vapor saturado origina una condensacin del vapor, mientras que la adicin de energa sobrecalienta al vapor. La regin de dos fases, que se denomina lquido y vapor saturados y que queda entre las lneas de lquido saturado y vapor saturado, generalmente se llama regin hmeda o bveda hmeda.

Fig. 1.30 Diagrama P-v de una sustancia pura.

Diagrama P-T

La Figura 1.31 muestra el diagrama P-T de una sustancia pura, llamado diagrama de fase puesto que las tres fases se separan entre s mediante tres lneas.

Fig. 1.31 Diagrama P-T de sustancias puras.

Resulta de la proyeccin de la superficie PvT de una sustancia sobre el plano P-T. La lnea de sublimacin separa las regiones slida y de vapor, la lnea de vaporizacin divide las regiones lquida y de vapor, y la lnea de fusin separa las regiones slida y lquida. Estas tres lneas convergen en el punto triple, donde las tres fases coexisten en equilibrio. La lnea de vaporizacin finaliza en el punto crtico porque no se pueden distinguir las fases lquida y de vapor arriba del punto crtico. Las sustancias que se expanden y contraen al congelarse difieren solo en la lnea de fusin en el diagrama P-T.

LA SUPERFICIE P-v-T

Desde el punto de vista matemtico, cualquier ecuacin con dos variables independientes en la forma z=z(x,y) representa en un espacio tridimensional una superficie rectangular, por tanto, es posible representar el comportamiento P-v-T de una sustancia como una superficie en el espacio, como muestra la Figura 1.28. Todos los puntos sobre la superficie representan estados de equilibrio. La totalidad de los estados a lo largo de la trayectoria de un proceso yacen sobre la superficie P-v-T, puesto que tal proceso debe pasar por estados de equilibrio. Las regiones de una fase aparecen como superficies curvas sobre la superficie P-v-T, y las regiones de dos fases como superficies perpendiculares al plano P-T. Era de esperarse puesto que las proyecciones de las regiones de dos fases sobre el plano P-T son lneas. Todos los diagramas bidimensionales vistos hasta ahora, slo son proyecciones de esta superficie tridimensional sobre los planos apropiados.

TABLAS DE PROPIEDADES DE SUSTANCIAS PURAS

Para la mayora de las sustancias las relaciones entre las propiedades termodinmicas son demasiado complejas, como para expresarse por medio de ecuaciones simples. Por tanto, las propiedades se presentan en la forma de tablas. Algunas propiedades termodinmicas pueden medirse con finalidad pero con otras no es posible hacerlo de manera directa y se calculan mediante las relaciones que las vinculan con propiedades medibles. Los resultados de estas mediciones y los clculos se presentan en tablas con un formato conveniente. En el siguiente anlisis, se utilizarn tablas de vapor, para mostrar el uso de tablas con propiedades termodinmicas. Las tablas de propiedades de otras sustancias se utilizan de la misma manera. Para cada sustancia, las propiedades termodinmicas se listan en ms de una tabla. Se prepara una tabla para cada regin, como las de vapor sobrecalentado, lquido comprimido y saturada (regin hmeda).

a) Lquido Saturado y Vapor Saturado: Tablas de Saturacin

El subndice f se emplea para denotar propiedades de un lquido saturado y el subndice g, para las propiedades de vapor saturado. Otro subndice utilizado es fg, el cual denota la diferencia entre los valores de vapor saturado y lquido saturado de la misma propiedad. Figura 1.29 y 1.30. Ejm,

vf: volumen especfico del lquido saturado

vg: volumen especfico del vapor saturado

vfg: diferencia entre vgy vf

b) Mezcla Saturada de Lquido-Vapor

En el proceso de evaporacin, una sustancia pasa de su condicin de lquido saturado a vapor saturado por lo que la sustancia existe como parte lquida y como parte vapor. Esto es, es una mezcla de lquido y vapor saturados. Figura 1.29 y 1.30. Para analizar esta mezcla de manera apropiada, es necesario conocer las proporciones de las fases lquida y de vapor en la mezcla. Esto se obtiene al definir una propiedad llamada la calidad x como la razn entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla

donde

La calidad tiene importancia slo dentro de la campana. No tiene significado en las regiones de lquido comprimido o vapor sobrecalentado. Su valor se encuentra entre 0 y 1 . Para calcular las propiedades de la sustancia dentro de la regin lquido-vapor, se debe conocer el porcentaje de vapor saturado presente en la mezcla lquido-vapor es decir, el valor de la calidad.

En una mezcla saturada de lquido-vapor, el volumen ocupado por la mezcla se puede expresar como:

como

sustituyendo en 1.49 se puede escribir la siguiente expresin:

dividiendo por la masa:

Observe que la relacin mg/mrepresenta el porcentaje en masa de vapor saturado en la mezcla y es lo que se conoce como calidad, mientras que la relacinmf/mrepresenta el porcentaje en masa de lquido saturado en la mezcla y se denomina humedad, pudindose expresar como (1-x).

As, la expresin 1.51 para el volumen especfico de la mezcla saturada lquido-vapor, queda de la siguiente forma:

La ecuacin 1.53 se puede generalizar para calcular cualquier propiedad especfica dentro de la regin lquido-vapor:

c) Vapor sobrecalentado

El vapor sobrecalentado se encuentra en la regin derecha de la lnea de vapor saturado. Figura 1.29 y 1.30. Como la regin de sobrecalentamiento es de una sola fase, se necesitan dos propiedades intensivas par fijar o definir el estado de equilibrio. Las tablas de vapor sobrecalentado presentan el volumen especfico y otras propiedades especficas como funcin de la presin y la temperatura.

d) Lquido subenfriado o comprimido

El lquido comprimido se encuentra en la regin izquierda de la lnea de lquido saturado. Figura 1.29 y 1.30. 0La literatura no ofrece gran cantidad de datos en forma de tablas para los lquidos comprimidos o subenfriados. La variacin de las propiedades del lquido comprimido debido a la presin es muy ligera, mientras que con la temperatura muestran mayor dependencia. En la mayora de los casos, cuando no se dispone de tablas de lquido comprimido para una sustancia pura, los datos sobre el lquido comprimido se pueden aproximar bastante al usar valores de las propiedades del estado lquido saturado a la temperatura dada. Esto implica que los datos del lquido comprimido dependen ms de la temperatura que de la presin.

Liquido Comprimido Liquido Mezcla Liquido Vapor Vapor Vapor

o Subenfriado Saturado Saturado Sobrecalentado

Cambio de fase lquida a fase vapor, a presin constante, de una sustancia pura

REPRESENTACIONES DE Pv Y DE PT

Los diagramas del proceso son una ayuda importante en la resolucin de problemas. En la Figura 1.32 se muestran las grficas para cuatro procesos diferentes en los diagramas Pv y PT

a. Vapor sobrecalentado se enfra a presin constante hasta que empiece a formarse lquido.

b. Una mezcla de vapor y lquido con calidad del 60% se calienta a volumen constante hasta que su calidad sea de 100%.

c. Una mezcla de lquido y vapor con calidad del 50% se calienta a temperatura constante de 200 C hasta que su volumen es 5 veces el volumen inicial.

d. El refrigerante 12 se calienta a presin constante desde lquido saturado hasta que su calidad es 50%.

Figura 1.32 Diagrama Pv y PT para los procesos de los ejemplos.

Agua

PROPIEDADES:

1. FSICAS

El agua es un lquido inodoro e inspido. Tiene un cierto color azul cuando se concentra en grandes masas. A la presin atmosfrica (760 mm de mercurio), el punto de fusin del agua pura es de 0C y el punto de ebullicin es de 100C, cristaliza en el sistema hexagonal, llamndose nieve o hielo segn se presente de forma esponjosa o compacta, se expande al congelarse, es decir aumenta de volumen, de ah que la densidad del hielo sea menor que la del agua y por ello elhielo flotaen el agua lquida. El agua alcanza su densidad mxima a una temperatura de 4C,que es de 1g/cc.

Su capacidad calorfica es superior a la de cualquier otro lquido o slido, siendo su calor especfico de 1 cal/g, esto significa que una masa de agua puede absorber o desprender grandes cantidades de calor, sin experimentar apenas cambios de temperatura, lo que tiene gran influencia en el clima (las grandes masas de agua de los ocanos tardan ms tiempo en calentarse y enfriarse que el suelo terrestre). Sus calores latentes de vaporizacin y de fusin (540 y 80 cal/g, respectivamente) son tambin excepcionalmente elevados.

2. QUMICAS

El agua es el compuesto qumico ms familiar para nosotros, el ms abundante y el de mayor significacin para nuestra vida. Su excepcional importancia, desde el punto de vista qumico, reside en que casi la totalidad de los procesos qumicos que ocurren en la naturaleza, no solo en organismos vivos, sino tambin en la superficie no organizada de la tierra, as como los que se llevan a cabo en el laboratorio y en la industria, tienen lugar entre sustancias disueltas en agua, esto es en disolucin. Normalmente se dice que el agua es el disolvente universal, puesto que todas las sustancias son de alguna manera solubles en ella.

No posee propiedades cidas ni bsicas, combina con ciertas sales para formar hidratos, reacciona con los xidos de metales formando cidos y acta como catalizador en muchas reacciones qumicas.

Caractersticas de la molcula de agua:

La molcula de agua libre y aislada, formada por un tomo de Oxigeno unido a otros dos tomos de Hidrogeno es triangular. El ngulo de los dos enlaces (H-O-H) es de 104,5 y la distancia de enlace O-H es de 0,96 A. Puede considerarse que el enlace en la molcula es covalente, con una cierta participacin del enlace inico debido a la diferencia de electronegatividad entre los tomos que la forman.

La atraccin entre las molculas de agua tiene la fuerza suficiente para producir un agrupamiento de molculas. La fuerza de atraccin entre el hidrgeno de una molcula con el oxgeno de otra es de tal magnitud que se puede incluir en los denominados enlaces de PUENTE DE HIDRGENO. Estos enlaces son los que dan lugar al aumento de volumen del agua slida y a las estructuras hexagonales de que se habl ms arriba.

El Cloro

Propiedades del cloro

Los elementos del grupo de los halgenos como el cloro se presentan como molculas diatmicas qumicamente activas. El nombre halgeno, proviene del griego y su significado es "formador de sales". Son elementos halgenos entre los que se encuentra el cloro, son oxidantes. Muchos compuestos sintticos orgnicos y algunos compuestos orgnicos naturales, contienen elementos halgenos como el cloro. A este tipo de compuestos se los conoce como compuestos halogenados.

El estado del cloro en su forma natural es gaseoso (no magntico). El cloro es un elmento qumico de aspecto amarillo verdoso y pertenece al grupo de los halgenos. El nmero atmico del cloro es 17. El smbolo qumico del cloro es Cl. El punto de fusin del cloro es de 171,6 grados Kelvin o de -100,55 grados celsius o grados centgrados. El punto de ebullicin del cloro es de 239,11 grados Kelvin o de -33,04 grados celsius o grados centgrados.

Propiedades atmicas del cloro

La masa atmica de un elemento est determinado por la masa total de neutrones y protones que se puede encontrar en un solo tomo perteneciente a este elemento. En cuanto a la posicin donde encontrar el cloro dentro de la tabla peridica de los elementos, el cloro se encuentra en el grupo 17 y periodo 3. El cloro tiene una masa atmica de 35,453 u.

La configuracin electrnica del cloro es [Ne]3s2 3p5. La configuracin electrnica de los elementos, determina la forma el la cual los electrones estn estructurados en los tomos de un elemento. El radio medio del cloro es de 100 pm, su radio atmico o radio de Bohr es de 79 pm, su radio covalente es de 99 pm y su radio de Van der Waals es de 175 pm. El cloro tiene un total de 17 electrones cuya distribucin es la siguiente: En la primera capa tiene 2 electrones, en la segunda tiene 8 electrones y en su tercera capa tiene 7 electrones.

Propano

Propiedades del gas

Peso Molecular

Peso Molecular : 44.096 g/mol

Fase Slida

Punto de fusin : -187.68 C

Calor latente de fusin (1,013 bar, en el punto triple) : 79.917 kJ/kg

Fase lquida

Densidad del lquido (1.013 bar en el punto de ebullicin) : 580.88 kg/m3

Equivalente Lquido/Gas (1.013 bar y 15 C (59 F)) : 305.9 vol/vol

Punto de ebullicin (1.013 bar) : -42.11 C

Calor latente de vaporizacin (1.013 bar en el punto de ebullicin) : 425.59 kJ/kg

Presin de vapor (a 21 C o 70 F) : 8.587 bar

Punto Crtico

Temperatura Crtica : 96.74 C

Presin Crtica : 42.51 bar

Densidad Crtica : 220.48 kg/m3

Punto triple

Temperatura del punto triple : -187.62 C

Presin del punto triple : 1.724E-09 bar

Fase gaseosa

Densidad del gas (1.013 bar en el punto de ebullicin) : 2.417 kg/m3

Densidad del Gas (1.013 bar y 15 C (59 F)) : 1.8988 kg/m3

Factor de Compresibilidad (Z) (1.013 bar y 15 C (59 F)) : 0.98194

Gravedad especfica (aire = 1) : 1.55

Volumen Especfico (1.013 bar y 21 C (70 F)) : 0.546 m3/kg

Capacidad calorfica a presin constante (Cp) (1 bar y 25 C (77 F)) : 7.430001E-02 kJ/(mol.K)

Capacidad calorfica a volumen constante (Cv) (1 bar y 25 C (77 F)) : 0.0654 kJ/(mol.K)

Razn de calores especficos (Gama:Cp/Cv) (1 bar y 25 C (77 F)) : 1.1364

Viscosidad (1.013 bar y 0 C (32 F)) : 7.4692E-05 Poise

Conductividad Trmica (1.013 bar y 0 C (32 F)) : 15.65 mW/(m.K)

Miscelneos

Solubilidad en agua (1.013 bar y 20 C (68 F)) : 0.039 vol/vol

Temperatura de Autoignicin : 470 C

Gravedad especfica

La gravedad especfica es el peso de un volumen especfico de una sustancia en comparacin con el peso del mismo volumen de otra sustancia, por lo general el agua para los lquidos y el aire para los gases. Para el propano, la gravedad especfica para su fase lquida y gaseosa son conocidas y es ms alta que el agua y el aire, respectivamente. Esto significa que el propano se hundir hasta el punto ms bajo que pueda. Esto es importante si utilizas gas para proporcionar calor a tu hogar. Una prdida potencial del propano causar que el gas se acumule en el punto ms bajo de la casa, por lo general el stano.

Punto de ebullicin

El punto de ebullicin de un lquido es la temperatura a la que cambia de un lquido a un gas o vapor. El agua, por ejemplo, hierve a 212 grados Fahrenheit (100 C). El punto de ebullicin del propano es de menos 44 grados Fahrenheit (-42,22 C). Esto significa que a temperatura ambiente normal, el propano es un gas. La razn por la cual el propano se puede almacenar como un lquido en un tanque es que se encuentra bajo presin. Esto es importante de recordar porque el propano lquido a medida que sale del tanque es tan fro que puede congelar la piel y el tejido subyacente.

Combustin

Cientficamente hablando, la combustin es una reaccin qumica exotrmica entre un combustible y un oxidante que produce calor y convierte los reactivos a diferentes especies qumicas. En pocas palabras, la combustin es la quema de algn tipo de combustible. El propano se somete a una reaccin de combustin en presencia de oxgeno para formar dixido de carbono, agua y calor. Si el oxgeno suficiente no est disponible, el propano todava arder pero formar monxido de carbono, adems de dixido de carbono y agua. El monxido de carbono es mortal e indetectable, por lo tanto es importante quemar el propano slo bajo las condiciones adecuadas.

Temperatura de ignicin

Todos los productos qumicos combustibles tienen una temperatura de ignicin, que es la temperatura necesaria para causar la combustin. Para el propano, la temperatura es de 900 grados Fahrenheit (482,22 C). Cuando se utiliza en una estufa o en una parrilla, se requiere una chispa para encender el propano y producir calor. Esto es cierto para todos los combustibles. Una vez que el combustible se enciende, ya no requiere la entrada de calor adicional. En el caso de una fuga de propano, esto es importante de recordar. Mover de un tirn un interruptor de luz podra provocar una combustin.