6. Presión de Vapor

}Mecánica de Fluidos Tema #6: Presión de vapor y cavitación Está adecuadamente establecido que la temperatura y la presión son propiedades dependientes para las sustancias puras durante los procesos de cambio de fase y existe una correspondencia uno a uno entre esas propiedades. Temperatura de saturación (Tsat).- es la temperatura a la cual una sustancia pura cambia de fase, de líquido a sólido. Presión de saturación (Psat).- es la presión a la cual una sustancia pura cambia de fase. Por ejemplo, a una presión absoluta de 1 atmósfera estándar (1 atm o 101.325 kPa), la temperatura de saturación del agua es de 100°C. Inversamente, a una temperatura de 100°C, la presión de saturación del agua es de 1 atm. Presión de vapor de una sustancia (Pv).- se define como la presión ejercida por el vapor de una sustancia para alcanzar el equilibrio con su fase líquida a una temperatura dada. Una atmosfera cerrada con una presión P, contiene una cierta cantidad de agua. Se produce evaporación espontanea del líquido por efecto de la presión y temperatura de saturación. A medida que la cantidad de vapor aumenta, también lo hace la presión al interior y la velocidad de condensación, hasta que transcurrido un cierto tiempo ambas velocidades se igualan. Llegado este punto se habrá alcanzado la presión máxima posible en este sistema, a esta se le conoce como presión de vapor. Pv es idéntica numéricamente a la presión de saturación del líquido, sin embargo conceptualmente es diferente. Presión parcial.- se define como la presión de un gas o vapor en una mezcla con otros gases. Se debe tener cuidado en no confundir la presión de vapor con la presión parcial. Por ejemplo, el aire atmosférico es una mezcla de aire seco y vapor de agua, y la presión atmosférica es la suma de la presión parcial del aire seco y la presión parcial del vapor de agua. La presión parcial del vapor de agua constituye una fracción pequeña (menor de 3%) de la presión atmosférica, ya que el aire es en su mayor parte se compone de N2 y O2. La presión parcial de un vapor debe ser menor a su presión de vapor, si no hubiera líquido presente. Sin embargo, cuando están presentes tanto el vapor y el líquido y el sistema está en equilibrio de fases, la presión parcial del vapor debe ser igual a la presión de vapor y se dice que el sistema está saturado. La rapidez de la evaporación desde masas abiertas de agua, como los lagos, es controlada por la diferencia entre la presión de vapor y la presión parcial. Por ejemplo, la presión de vapor del agua a 20°C es de 2.34 kPa; por lo tanto, un

cubo de agua a 20°C que se deje en un cuarto con aire seco a 1 atm continuará evaporándose hasta que suceda una de dos cosas, el agua se evapora por completo (si no hay suficiente agua como para establecer el equilibrio de fases en el cuarto), o la evaporación se detiene cuando la presión parcial del vapor de agua en el cuarto se eleva hasta 2.34 kPa, punto en el que se establece el equilibrio de fases. Para procesos de cambio de fase entre las fases líquidas y de vapor de una sustancia pura, la presión de saturación y la de vapor son equivalentes, ya que el vapor es puro. Nótese que el valor de la presión sería el mismo si se mide en la fase de vapor o en la líquida (siempre que se mida en un lugar cercano a la interfaz líquido-vapor, con la finalidad de evitar los efectos hidrostáticos). La presión de vapor aumenta con la temperatura. Por lo tanto, una sustancia a temperaturas más altas hierve a presiones más elevadas. Por ejemplo, el agua hierve a 134°C en una olla a presión que opera a una presión absoluta de 3 atm, pero hierve a 93°C en una cacerola común a una elevación de 2 000 m, en donde la presión atmosférica es de 0.8 atm. Cavitación La cavitación constituye un fenómeno no deseado que ocurre en sistemas hidráulicos debido a que el fluido transportado puede cambiar inesperadamente de fase líquida a gaseosa en zonas de baja presión del sistema, formando burbujas de vapor localizadas o cavidades. Estas burbujas pueden ser arrastradas por el flujo hacia zonas de mayor presión, donde vuelven súbitamente a estado líquido, produciendo implosiones o pérdidas de presión que se transfieren en forma de ondas hacia todo el sistema. Por ejemplo, al transportar agua mediante una bomba hidráulica a una temperatura de 10°C, esta se evaporará de manera espontánea en los lugares donde la presión cae por abajo de 1.23 kPa. La cavitación debe evitarse en los sistemas hidráulicos, porque reduce el rendimiento, genera vibraciones y ruido molestos, y daña al equipo. Las puntas de presión resultantes del gran número de burbujas que se desintegran cerca de la superficie sólida durante un periodo largo pueden causar erosión, picadura de la superficie, falla por fatiga y la destrucción eventual de los componentes o la maquinaria. Se puede detectar la presencia de cavitación en un sistema de flujo por su sonido característico de traquetear. Ejercicios 1. ¿Qué es la presión de vapor? ¿Qué es presión de saturación? Como se relacionan estos dos conceptos? 2. ¿A presiones atmosféricas más elevadas el agua hierve a mayor temperatura? Explique este fenómeno. ¿Dónde hervirá más rápido en la costa o en la sierra? 3. Si se aumenta la presión de una sustancia durante un proceso de ebullición, ¿la temperatura aumentará o permanecerá constante? Explique los motivos.

4. ¿Qué es cavitación? ¿Y qué la causa? 5. En un sistema de tuberías, la temperatura del agua permanece por abajo de 40°C. Determine la presión mínima admisible en el sistema para evitar la cavitación. 6. En un sistema de distribución de agua, se observa que la temperatura de ésta es de aproximadamente 30°C. Determine la presión mínima admisible en el sistema para evitar la cavitación. 7. El análisis de una hélice que opera en el agua a 20°C muestra que la presión en las puntas de la misma cae hasta 2 kPa en altas velocidades. Determine si existe peligro de cavitación para esta hélice. 8. Se usa una bomba para transportar agua hasta un depósito alto. Si la temperatura del agua es de 25°C, determine la presión más baja que puede existir en la bomba sin cavitación. 9. El análisis de una hélice que opera en el agua a 70°F muestra que la presión en las puntas de la misma cae hasta 0.1 psia a altas velocidades. Determine si existe peligro de cavitación para esta hélice.