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Termodinámica, sustancia puraTRANSCRIPT
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Termodinámica
Sustancia pura
Profesor: Freddy J. Rojas, M.Sc.
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Sustancia Pura
H2O
Freddy J. Rojas, M.Sc. 2
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 3
Caldera de vapor
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 4
Caldera de vaporVapor
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Sustancia pura
Sustancia que tiene una composición
química fija.
Agua (H2O)
Nitrógeno (N2)
Helio (He)
Dióxido de carbono (CO2)
Aire (N2, O2, CO2, Ar, …)
Freddy J. Rojas, M.Sc. 7
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 8
Sustancia pura
Vapor
Líquido
Vapor
Líquido
H2OAire
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 9
Fases de una sustancia pura
Sólido
Líquido
Gaseoso
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 10
H2O: (1-2): Calor sensible
P = 1 atm
T = 27 °C
Peso = 0 kg
P = 1 atm
Pistón
H2O
P = 1 atm
T = 100 °C
Peso = 0 kg
P = 1 atm
1 2Líquido
Saturado
Líquido
comprimido
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 11
H2O: (2-4): Calor latente
Líquido saturado
P = 1 atm
T = 100 °C
Peso = 0 kg
P = 1 atm
Mezcla saturada
Líquido – Vapor
(Vapor húmedo)
P = 1 atm
T = 100 °C
Peso = 0 kg
P = 1 atm
Vapor saturado
T = 100 °C
Vapor
Saturado3 4
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 12
H2O: (4-5): Calor sensible
P = 1 atm
T = 300 °C
Peso = 0 kg
P = 1 atm
5
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 13
Propiedades de saturación, H2O
27
100
300
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 14
Propiedades de saturación, H2O
27
100
300
Campana de Andrews
Vapor
sobrecalentado
Línea de vapor
saturado
Línea de
Líquido
saturado
Mezcla saturada
Líquido-vapor
(Vapor húmedo)
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 15
Temperatura de saturación y
presión de saturación
La temperatura a la cual comienza a hervir el
agua depende de la presión.
A una determinada presión, la temperatura a
la que una sustancia pura cambia de fase se
llama temperatura de saturación, Tsat
A una temperatura determinada, la presión a
la que una sustancia pura cambia de fase se
llama presión de saturación, Psat
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 16
Diagrama T-v, H2O (líquido-vapor)
T °C
170,41
100,00
237,33Vapor
sobrecalentado
Punto crítico
Línea de vapor
saturado
Línea de
Líquido
saturadoP = 22,09 MPa374,14
Mezcla saturada
Líquido-vapor
(Vapor húmedo)
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 17
Diagrama P-v, H2O (líquido-vapor)
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Diagrama P-T o Diagrama de fases
Freddy J. Rojas, M.Sc. 18
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 19
Superficie P-v-T
sólido
Só
lid
o-l
íqu
ido
líq
uid
o
vapor
Sólido-vapor
Líquido-vapor
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 20
Superficie P-v-T (vistas)
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Sustancia que se expande al congelarse: H2O
Freddy J. Rojas, M.Sc. 21
(a) (b)
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 22
(a) Diagrama P-T o Diagrama de fases: H2O
P
T
Sólido
Líquido
vaporPunto triple
Punto crítico
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 23
(b) Diagrama P-v, H2O (sólido-líquido-vapor)
VAPOR
LÍQUIDO+VAPOR
Línea triple
SÓLIDO+VAPOR
SÓ
LID
O
LÍQ
UID
O
Punto críticoP
v
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Sustancia que se comprime al congelarse
Freddy J. Rojas, M.Sc. 24
(a) (b)
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 25
(a) Diagrama P-T o Diagrama de fases
P
T
SólidoLíquido
vaporPunto triple
Punto crítico
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 26
(b) Diagrama P-v (sólido-líquido-vapor)
VAPOR
LÍQUIDO+VAPOR
Línea triple
SÓLIDO+VAPOR
SÓ
LID
O
SÓ
LID
O+
LÍQ
UID
O
LÍQ
UID
O
Punto críticoP
v
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 28
Ejemplo
Decir en que fase se encuentra (H2O)?
P=?
T=150 °C
1 kg
28 kg
1 kg
28 kg
r = 10 cm
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 29
Equilibrio sólido-líquido-vapor
Es importante advertir que se necesita
dos propiedades intensivas
independientes para determinar el
estado de una sustancia pura.
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 30
Tablas de propiedades termodinámicas
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 31
Entalpía
En la generación de potencia y en
refrigeración:
u + Pv
h = u + Pv (kJ/kg)
H = U + PV (kJ)
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 32
Estados de líquido saturado y de
vapor saturado
Temp
°C
T
Pres.
Sat.
kPa
Psat
Volumen específico
m3/kg
Líquido
Sat.
vf
Vapor
Sat.
vg
85 57,83 0,001033 2,828
90 70,14 0,001036 2,361
95 84,55 0,001040 1,982
vf = volumen específico del líquido saturado
vg = volumen específico del vapor saturado
vfg = vg - vf
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 33
Vapor Saturado
Donde:
h = [kJ/kg]
v = [m3/kg]
u = [kJ/kg]
s = [kJ/kg.K]
fgfg
fgfg
fgfg
fgfg
sss
uuu
vvv
hhh
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 34
Mezcla saturada de líquido-vapor
gf
g
total
vapor
mm
mx
m
mx
Calidad, x
Su valor solo está entre 0 y 1
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 35
Calidad
Vg
Vapor saturado
Vf
Líquido saturado
Vprom
Mezcla saturada
líquido-vapor
Supongamos que tenemos un recipiente de H2O en
mezcla:
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 36
Calidad
AC
ABx
P o T
v
vfg
vprom-vf
A B C
fg
fprom
v
vvx
vf vprom vg
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 37
Mezcla saturada de líquido-vapor
xy 1
Humedad, y
Su valor solo está entre 0 y 1
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 38
Aproximación de líquido comprimido
como líquido saturado
Determine la energía
interna del agua líquida
comprimida a 80 °C y 5
MPa (abs).
%34,010072,333
72,33386,334
:
86,334
:
82,333
:
80@
Error
kg
kJuu
oAproximand
kg
kJu
Tablas
Cf
80
Real (tablas) Aproximado (líquido saturado)
T, [°C]
u, [kJ/kg]
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Procesos en sustancia pura
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Ejemplo:
Freddy J. Rojas, M.Sc. 40
1
2
3T, °C
v
4
1-2: isocórico
2-3: isobárico
3-4: PVn , (PV)
4-5: isotérmico
5
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 41
Problema 1 (Estado)
Un recipiente rígido
contiene 50 kg de
agua líquida
saturada a 90 °C.
Determinar:
La presión en el
recipiente, en kPa
Volumen del mismo,
en m3
3
90@
0518,0
183,70
mV
kPaPPsat
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 42
Problema 2 (Estado)
Calcular la entalpía y el volumen
específico de vapor que se encuentra a
200 kPa absolutos y 300 °C.
kg
mv
kg
kJh
VSC
3
3162,1
8,3071
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 43
Problema 3 (Estado)
Considerando el vapor a una presión de
200 kPa absolutos y con una energía
interna de 2966,7 kJ/kg. Determinar la
entalpía, la temperatura y el volumen
específico.
CT
kg
mv
kg
kJh
VSC
400
5493,1
6,3276
3
![Page 41: termo03 sustancia pura.pdf](https://reader036.vdocuments.pub/reader036/viewer/2022082202/56d6bdaf1a28ab30168ee9d1/html5/thumbnails/41.jpg)
Freddy J. Rojas, M.Sc. 44
Problema 4 (Estado)
Considerando el agua a 10 MPa
absolutos y 60 °C, se desea calcular su
entalpía y su volumen específico en
estas condiciones.
kg
mv
kg
kJh
LC
3
001013,0
49,259
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 45
Problema 5 (Estado)
Un recipiente rígido contiene 10 kg de agua a
90 °C. Si 8 kg del agua están en forma
líquida y el resto como vapor, determine:
La presión en el recipiente, en kPa
El volumen del recipiente, en m3
3
90@
73,4
183,70
mV
kPaPPCsat
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 46
Problema 6 (Estado)
En un recipiente se tiene amoniaco a
una presión de 250 kPa absolutos y
una temperatura de 30 °C. ¿qué
cantidad de sustancia (kg) se encuentra
en el recipiente de 0,5 m3?
kgv
Vm
kg
mv
865,05780,0
5,0
5780,0
3
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 47
Problema 7 (Estado)
Se utiliza R12 en un sistema de refrigeración.
En una etapa del proceso sale gas caliente
del compresor a 1,0 MPa absolutos y 70 °C.
Determinar la velocidad en un tubo de 2,5 cm
de diámetro, si el flujo es de 3 kg/min.
s
mmc
A
mvc
v
Acm
kg
mv
o
o
07,2min
6,124
4
)025,0(
)020397,0)(0,3(
020397,0
2
3
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 48
Problema 8 (Estado)
Un recipiente de 80 L
contiene 4 kg de
refrigerante 134a a una
presión de 160 kPa.
Determine:
La temperatura, en °C
La calidad
La entalpía del
refrigerante, en kJ/kg
El volumen que ocupa la
fase vapor, en m3
30775,0
2,64
157,0
60,15160@
mV
kg
kJhh
x
CTT
g
prom
kPasat
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 49
Problema 9 (Estado)
Calcular la entalpía y el volumen
específico de vapor a 250 kPa
absolutos y con 50% de calidad en una
mezcla líquido-vapor.
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 50
Problema 10 (Proceso)
En un sistema cilindro-
pistón, una masa de
200 gr de agua líquida
saturada se evapora
por completo a una
presión constante de
100 kPa. Determine:
Cambio de volumen, en
m3
Cantidad de energía
transferida al agua, en kJ
kJH
mV
5,451
3386,03
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Freddy J. Rojas, M.Sc. 51
Problema 11 (Procesos)
Si el vapor de agua está inicialmente a 3 MPa absolutos y 300°C en un dispositivo cilindro-pistón. Sigue los siguientes procesos:
El agua se enfría a volumen constante hasta que la temperatura alcanza 200°C,
Siendo comprimida a continuación isotérmicamente hasta un estado en el que la presión es 2,5 MPa absolutos.
a) Localizar los puntos en los diagramas T-v y P-v
b) Determinar los volúmenes específicos en los tres puntos y la calidad del estado 2.
kg
mv
kg
mvv
kg
mv
3
3
3
12
3
1
001157,0
0811,0
0811,0