Capítulo 3

Capítulo 3 Una sustancia que tiene una composición química fija en cualquier parte se llama sustancia pura. Fases de una sustancia pura: Las moléculas en un sólido están dispuestas en un patrón tridimensional (red) que se repite por todo el sólido (Fig. 3-3). A causa de las pequeñas distancias intermoleculares existentes en un sólido, las fuerzas de atracción entre las moléculas son grandes y las mantienen en posiciones fijas (Fig. 3-4). Estas fuerzas de atracción entre moléculas se vuelven de repulsión a medida que la distancia intermolecular se aproxima a cero, lo cual evita que las moléculas se apilen unas sobre otras. El espaciamiento molecular en la fase líquida es parecido al de la fase sólida, excepto en que las moléculas ya no están en posiciones fijas entre sí y pueden girar y trasladarse libremente. En un líquido, las fuerzas intermoleculares son más débiles en relación con los sólidos, pero su fuerza es mayor comparada con la de los gases. Comúnmente las distancias entre moléculas experimentan un ligero incremento cuando un sólido se vuelve líquido, pero el agua es una notable excepción. En la fase gaseosa, las moléculas están bastante apartadas, no hay un orden molecular, se mueven al azar con colisiones continuas entre sí y contra las paredes del recipiente que las contiene. Sus fuerzas moleculares son muy pequeñas, particularmente a bajas densidades, y las colisiones son el único modo de interacción entre las moléculas. En la fase gaseosa las moléculas tienen un nivel de energía considerablemente mayor que en la líquida o la sólida; por lo tanto, para que un gas se condense o congele debe liberar antes una gran cantidad de su energía. Líquido comprimido o líquido subenfriado, lo cual significa que no está a punto de evaporarse. Un líquido que está a punto de evaporarse se llama líquido saturado Un vapor que está a punto de condensarse se llama vapor saturado Un vapor que no está a punto de condensarse (es decir, no es vapor saturado) se denomina vapor sobrecalentado; A una determinada presión, la temperatura a la que una sustancia pura cambia de fase se llama temperatura de saturación, Del mismo modo, a una temperatura determinada, la presión a la que una sustancia pura cambia de fase se llama presión de saturación. Para fundir un sólido o vaporizar un líquido se requiere una gran cantidad de energía. La cantidad de ésta que es absorbida o liberada durante el proceso de cambio de fase se llama calor latente. Específicamente, la cantidad de energía absorbida durante la fusión se llama calor latente de fusión y equivale a la cantidad de energía liberada durante la congelación. De modo similar, la cantidad de energía absorbida durante la evaporación se llama calor latente de evaporación y es equivalente a la energía liberada durante la condensación. Punto crítico y se define como el punto en el que los estados de líquido saturado y de vapor saturado son idénticos. El paso directo de la fase sólida a la de vapor se denomina sublimación Diagrama de fases porque las tres fases están separadas entre sí por tres líneas: la de sublimación separa las regiones sólida y de vapor, la de evaporación divide las regiones líquida y de vapor, y la de fusión separa las regiones sólida y líquida. Estas tres líneas convergen en el punto triple, donde las tres fases coexisten en equilibrio. La cantidad hfg es la entalpía de vaporización (o calor latente de vaporización) y representa la cantidad de energía necesaria para evaporar una masa unitaria de líquido saturado a una temperatura o presión determinadas. Disminuye cuando aumenta la temperatura o la presión y se vuelve cero en el punto crítico.

Tablas de propiedades: Estados de líquido saturado y de vapor saturado Mezcla saturada de líquido-vapor Vapor sobrecalentado Líquido comprimido Cualquier ecuación que relacione la presión, la temperatura y el volumen específico de una sustancia se denomina ecuación de estado. La masa molar M se define como la masa de un mol (llamada también gramo- mol, abreviado gmol) de una sustancia en gramos, o bien, la masa de un kmol (llamada también kilogramo-mol, abreviado kgmol) en kilogramos. El factor Z para todos los gases es aproximadamente el mismo a iguales presión y temperatura reducidas, lo cual recibe el nombre de principio de estados correspondientes. El factor de compresibilidad (Z), conocido también como el factor de compresión, es la razón del volumen molar de un gas con relación al volumen molar de un gas ideal a la misma temperatura y presión. Es una propiedad termodinámica útil para modificar la ley de los gases ideales para ajustarse al comportamiento de un gas real. Ecuaciones de estado: 

4El factor de compresibilidad z o

4.1Modelo Matemático de Van der Waals

o

4.2Modelo Matemático del Virial

o

4.3Modelo Matemático de Redlich-Kwong

o

4.4Modelo Matemático de Soave

o

4.5Modelo Matemático de Peng-Robinson

o

4.6Modelo Matemático de Beattie-Bridgeman

o

4.7Ecuación de Benedict-Webb-Rubin

o

4.8Ecuación de BWRS

o

4.9Elliott, Suresh, Donohue

o

4.10Ecuación de Bose ideal

o 4.11Ecuación PC-SAFT Van der Waals intentó mejorar la ecuación de estado de gas ideal al incluir dos de los efectos no considerados en el modelo de gas ideal: las fuerzas de atracción intermoleculares y el volumen que ocupan las moléculas por sí mismas. Sustancias puras, procesos de cambio de fase, diagramas de propiedades 3-1C ¿Cuál es la diferencia entre líquido saturado y líquido comprimido? 3-2C ¿Cuál es la diferencia entre vapor saturado y vapor sobrecalentado? 3-3C ¿Hay diferencia entre las propiedades intensivas del vapor saturado a determinada temperatura, y del vapor que forma parte de un vapor húmedo a la misma temperatura? 3-4C Si aumenta la presión de una sustancia durante un proceso de ebullición ¿aumentará también la temperatura, o permanecerá constante? ¿Por qué? 3-5C ¿Por qué la temperatura y la presión son propiedades interdependientes en la región de vapor húmedo?

3-6C ¿Cuál es la diferencia entre punto crítico y punto triple? 3-7C ¿Es posible tener vapor de agua a –10 °C? 3-8C Una señora cocina carne para su familia, en una cacerola a) destapada, b) tapada con una tapa ligera y c) tapada con una tapa pesada. ¿En cuál caso será más corto el tiempo de cocinado? ¿Por qué? 3-9C ¿En qué difiere el proceso de ebullición a presiones supercríticas del proceso de ebullición a presiones subcríticas?

Tablas de propiedades 3-10C Una olla con tapa que ajusta perfectamente, se pega con frecuencia después de cocinar, y es muy difícil destaparla cuando la olla se enfría. Explique por qué sucede eso, y qué haría para quitar la tapa. 3-11C Se sabe bien que el aire caliente en un ambiente frío sube. Ahora imagine una mezcla caliente de aire y gasolina, en la parte superior de un recipiente con gasolina. ¿Cree usted que esta mezcla sube en un ambiente más frío? 3-12C ¿Debe ser igual la cantidad de calor absorbido cuando hierve 1 kg de agua saturada a 100 °C, a la cantidad de calor desprendido cuando se condensa 1 kg de vapor húmedo a 100 °C? 3-13C ¿Tiene algún efecto el punto de referencia seleccionado para una sustancia, sobre un análisis termodinámico? ¿Por qué? 3-14C ¿Cuál es el significado físico de hfg? ¿Es posible obtenerlo a partir de hf y hg? ¿Cómo? 3-15C ¿Cambia hfg con la presión? ¿Cómo cambia? 3-16C ¿Es cierto que se necesita más energía para evaporar 1 kg de agua líquida saturada a 100 °C que a 120 °C? 3-17C ¿Qué es la calidad? ¿Tiene algún significado en la región de vapor sobrecalentado? 3-18C ¿Qué proceso requiere más energía: evaporar por completo 1 kg de agua líquida saturada a 1 atm de presión o evaporar por completo 1 kg de agua líquida saturada a 8 atm de presión? 3-19C ¿Se puede expresar la calidad de un vapor como la relación del volumen ocupado por la fase vapor entre el volumen total? Explique por qué. 3-69C ¿Cuál es la diferencia entre masa y masa molar? ¿Cómo se relacionan? 3-70C ¿Bajo qué condiciones es adecuada la suposición del gas ideal para los gases reales? 3-71C ¿Cuál es la diferencia entre R y Ru? ¿Cómo se relacionan las dos? 3-72C El propano y el metano se usan con frecuencia para calefacción en invierno, y las fugas de esos combustibles, aun durante periodos cortos, son un peligro de incendio para los hogares. ¿Qué fuga de gas cree usted que produce mayores riesgos de incendio? Explique por qué. 3-84C ¿Cuál es el significado físico del factor de compresibilidad Z? 3-85C ¿Cuál es el principio de los estados correspondientes? 3-86C ¿Cómo se definen presión reducida y temperatura reducida? 3-99C ¿Cuál es el significado físico de las dos constantes que aparecen en la ecuación de estado de Van der Waals? ¿Con qué base se determinan? Respuestas:

3-1C Un líquido que está a punto de evaporarse es líquido saturado; de lo contrario, se comprime líquido. 3-2C un vapor que está a punto de condensar vapor está saturado; de lo contrario, es vapor sobrecalentado. 3-3C No. 3-4C La temperatura también aumentará ya que la ebullición o la saturación de la temperatura de una sustancia pura depende de la presión. C3-5 Porque uno no puede variarse mientras mantiene la otra constante. En otras palabras, cuando uno cambia, también lo hace la otra. 3-6C En el punto crítico del líquido saturado y los estados de vapor saturado son idénticos. En el punto triple de las tres fases de una sustancia pura coexisten en equilibrio. C3-7 Sí. Caso C3-8 (c) cuando el pan se cubre con una tapa pesada. Debido a que el más pesado de la tapa, mayor es la presión en la cacerola, y por lo tanto mayor es la temperatura de cocción. A presiones supercríticas 3-9C, no existe un proceso de cambio de fase distinta. El líquido de manera uniforme y gradualmente se expande en un vapor. A presiones subcríticas, siempre hay una superficie distinta entre las fases.

C3-10 Una olla de ajuste perfecto y su tapa a menudo se adhieren después de la cocción como resultado del vacío creado en el interior como la temperatura y por lo tanto la presión de saturación correspondiente dentro de las gotas de la sartén. Una manera fácil de quitar la tapa es para recalentar la comida. Cuando la temperatura se eleva a nivel de ebullición, la presión se eleva a valor atmosférico y por lo tanto la tapa vendrá de inmediato. 3-11C La masa molar de la gasolina (C8H18) es de 114 kg / kmol, que es mucho mayor que la masa molar de aire que es de 29 kg / kmol. Por lo tanto, el vapor de gasolina se establecerá en vez de elevarse incluso si es a una temperatura mucho más alta que el aire circundante. Como resultado, la mezcla caliente de aire y gasolina en la parte superior de un gasolina abierta lo más probable es sentar la cabeza en lugar de subir en un ambiente más fresco 3-12C Sí. De lo contrario, podemos crear energía alternativamente vaporización y condensación de una sustancia. 3-13C No. Porque en el análisis termodinámico nos ocupamos de los cambios en las propiedades; y los cambios son independientes del estado de referencia seleccionado. 3-14C El término hfg representa la cantidad de energía necesaria para vaporizar una unidad de masa de líquido saturado a una temperatura o presión especificada. Se puede determinar a partir de hfg = hg - hf. 3-15C Sí. Se disminuye con el aumento de presión y se convierte en cero en la presión crítica. 3-16C Sí; cuanto mayor es la temperatura menor es el valor HFG. Calidad 3-17C es la fracción de vapor en una mezcla líquido-vapor saturado. No tiene ningún sentido en la región de vapor sobrecalentado. 3-18C vaporización Completamente 1 kg de líquido saturado a 1 atm de presión ya que la mayor sea la presión, menor es la HFG. 3-19C No. calidad es una relación de masa, y no es idéntica a la relación de volumen. 3-69C de masa m es simplemente la cantidad de materia , masa molar M es la masa de un mol en gramos o la masa de un kmol en kilograms . Estos dos están relacionados entre sí por m = NM , donde N es el número de moles . 3-70C Un gas puede ser tratado como un gas ideal cuando está a una temperatura alta o baja presión con relación a su temperatura y presión crítica . 3-71C Ru es la constante universal de los gases que es el mismo para todos los gases mientras que R es la constante de gas específica que es diferente para diferentes gases. Estos dos están relacionados entre sí por R = Ru / M, donde M es la masa molar del gas. Propano 3-72C ( masa molar = 44,1 kg / kmol ) plantea un mayor peligro de incendios que el metano ( masa molar = 16 kg / kmol ), ya que el propano es más pesado que el aire ( masa molar = 29 kg / kmol ) , y va a establecerse cerca el piso. El metano, por otro lado , es más ligero que el aire y por lo tanto se levantará y escaparse hacia fuera . 3-84C Se representa la desviación del comportamiento de gas ideal. Cuanto más lejos es a partir de 1 , más el gas se desvía de comportamiento de gas ideal. 3-85C Todos los gases tienen el mismo factor de compresibilidad Z a la misma temperatura y presión reducidas . 3-86 Reducción de la presión es la presión normalizada con respecto a la presión crítica ; y la temperatura reducida es la temperatura normalizado con respecto a la temperatura crítica.