SUSTANCIA PURA

• Una sustancia que tiene una

composición química fija recibe el
nombre de sustancia pura. El agua,
el nitrógeno, el helio y el dióxido
de carbono, son sustancias puras.

• Una sustancia pura, no tiene que

ser de un solo elemento químico o
compuestos químicos también es
una sustancia pura, siempre que la
mezcla sea homogénea. El aire, por
ejemplo, que es una mezcla de
varios gases, con frecuencia se
considera como sustancia pura por
tener una composición química
uniforme.
 • Una mezcla de dos o más fases de
una sustancia pura sigue siendo
pura, siempre que la composición
química de las fases sea la misma.

• Una mezcla de hielo y agua es una

sustancia pura porque ambas fases
tienen la misma composición
química.

Una mezcla de agua líquida y gaseosa es • Una mezcla de aire líquido y aire
una sustancia pura, pero una mezcla de gaseoso, no es una sustancia pura
aire líquido y gaseoso no lo es. debido a que la composición del
aire líquido es distinta del aire
gaseoso y, por ello, la mezcla ya no
es químicamente homogénea.
 FASES DE UNA SUSTANCIA PURA
• Hay tres fases principales —sólida,
líquida y gaseosa— una sustancia tiene
varias fases dentro de una fase principal,
cada una con una estructura molecular
diferente. Por ejemplo, el carbón existe
como grafito o diamante en la fase sólida,
el helio tiene dos fases líquidas y el hierro
tres fases sólidas
• Una fase es un arreglo molecular distinto,
homogéneo en todas partes y que se
separa de las demás por medio de
superficies frontera fácilmente
Las moléculas de un sólido se identificables.
mantienen en sus posiciones por
• Los enlaces moleculares más fuertes se
medio de grandes fuerzas
dan en los sólidos y los más débiles en los
intermoleculares similares a
gases.
resortes
 • Las moléculas en un sólido se arreglan en un
patrón tridimensional (enrejado), que se
repite por todo el sólido. Debido a las
pequeñas distancias intermoleculares, las
fuerzas de atracción entre las moléculas son
grandes y las mantienen en posiciones fijas
dentro del sólido. Las fuerzas de atracción
originan fuerzas de repulsión a medida que la
distancia intermolecular se acerca a cero,
evitando así que las moléculas se apilen unas
sobre otras.
En una sólido loas fuerzas de
atracción y repulsión entre
las moléculas tienden a • Aunque las moléculas en un sólido no pueden
moverse, tienen una continua oscilación en
mantenerlas a distancias
torno a su posición de equilibrio. La
relativamente constantes velocidad de las moléculas durante estas
unas con otras oscilaciones depende de la temperatura. Ver
(a) de la figura siguiente.
• Cuando es suficientemente elevada, la velocidad
de las moléculas alcanza un punto donde las
fuerzas intermoleculares se superan y grupos de
moléculas escapan. Este es el principio del
proceso de fusión.

• El espaciamiento molecular en la fase líquida, las

moléculas no mantienen posiciones fijas entre sí.
Las distancias entre las moléculas experimentan
un ligero incremento cuando un sólido se vuelve
líquido (b).

• En la fase gaseosa las moléculas están bastante

apartadas unas de otras y no hay un orden
molecular. Las moléculas de gas se mueven al
azar, en continuo choque entre sí y con las paredes
del recipiente que las contiene (c).
PROCESOS DE CAMBIO DE FASE DE
SUSTANCIAS PURAS

• Hay varias situaciones prácticas en que dos fases de una sustancia

pura coexisten en equilibrio.

• El agua existe como una mezcla de líquido y vapor en la caldera y en

el condensador de una central termoeléctrica.

• El refrigerante pasa de líquido a vapor en el congelador de un

refrigerador.

•
Líquido comprimido y líquido saturado
Estado 1
• Considere un dispositivo de cilindro-émbolo que contiene
agua líquida a 20 C y 1 atm. de presión. En estas
condiciones el agua existe en fase líquida y se denomina
líquido comprimido o líquido subenfriado, lo que significa
que no está a punto de evaporarse.

• El calor se transfiere al agua hasta que su temperatura

aumenta a, por ejemplo, 40 C. A medida que aumente la
temperatura, el agua líquida tendrá cierta expansión y. por
ello, aumentará su volumen específico. Como respuesta
a esta expansión, el émbolo se moverá ligeramente hacia
arriba. Durante este proceso la presión en el cilindro
permanece constante en 1 atm.

• En este estado el agua sigue siendo un líquido

comprimido, puesto que no ha comenzado a evaporarse.
Estado 2

• Conforme se transfiera más calor, la temperatura

aumentará hasta que alcance 100 C, en este punto
el agua sigue siendo un líquido, pero cualquier
adición de calor, no importa cuan pequeña,
ocasionará que un poco de líquido se evapore.

• Está por suceder un proceso de cambio de fase, de

líquido a vapor. Un líquido que está a punto de
evaporarse recibe el nombre de líquido saturado.
En consecuencia, este estado corresponde al de un
líquido saturado.
Vapor saturado y vapor sobrecalentado

• Una vez que empieza la ebullición, el aumento de

temperatura se detendrá hasta que el líquido se evapore
por completo. La temperatura permanecerá constante
durante todo el proceso de cambio de fase, si la presión
se mantiene constante.

Estado 3
• Cuando esté a la mitad de la línea de evaporación el
cilindro contendrá cantidades iguales de líquido y
vapor.

• Cuando se transfiere mas calor, parte del líquido

saturado se evapora, a una sustancia en este estado se lo
conoce como una mezcla saturada de líquido-vapor,
debido a que las fases líquida y de vapor coexisten en
equilibrio en dicho estado.
Estado 4
• Conforme añada calor, el proceso de evaporación
continuará hasta que la última gota de líquido se evapore,
en ese punto, el cilindro se llena por completo con vapor
que superó la frontera de la fase líquida. En este momento
cualquier pérdida de calor sin importar qué tan pequeña
sea, provocará que se condense un poco de vapor (cambio
de fase de vapor a líquido). Un vapor a punto de
condensarse recibe el nombre de vapor saturado.
• Por tanto, el estado 4 es un estado de vapor saturado.

Estado 5
• La temperatura del vapor es, por dar algún valor 300 C;
si transferimos algo de calor del vapor, la temperatura
descenderá un poco pero no ocurrirá condensación
mientras la temperatura permanezca sobre 100 C (en P =
1 atm). Un vapor que no está a punto de condensarse (es
decir, no es vapor saturado) se denomina vapor
sobrecalentado
DIAGRAMA PVT
• El Postulado de Estado propone que para
ciertas sustancias de comportamiento sencillo
• (denominadas sustancias puras como el agua,
el dióxido de carbono y los
• clorofluorocarbonos o gases refrigerantes), el
estado puede ser determinado mediante dos
• propiedades termodinámicas intensivas
independientes (las más directamente
medibles son
• el volumen, la presión y la temperatura).
Como consecuencia, los estados de equilibrio
• posibles para una sustancia pura pueden
representarse gráficamente mediante un
diagrama
• de estados que consiste en una superficie
tridimensional (en el espacio p-V- T) como la
mostrada en la figura.
Temperatura de saturación y presión de
saturación
El enunciado "el agua hierve a 100
C" es incorrecto. El enunciado
correcto es "el agua hierve a 100 C
con 1 atm de presión". La razón por
que el agua empezó a hervir a 100
C fue porque se mantuvo la presión
constante a 1 atm (101.35 kPa).

Si la presión dentro del cilindro se

elevara a 500 kPa, añadiendo peso
sobre la parte superior del émbolo, el
agua empezaría a hervir a 151.9 C
La temperatura a la cual el agua
empieza a hervir depende de la
presión; en consecuencia, si se fija
la presión lo mismo sucede con la
temperatura de ebullición.
 • A una presión dada, la temperatura a la cual
una sustancia pura empieza a hervir se llama
temperatura de saturación Tsat. Del mismo
modo, a una temperatura determinada, la
presión a la cual una sustancia pura empieza a
hervir recibe el nombre de presión de
saturación Psat.

• Durante un proceso de cambio de fase. la

presión y la temperatura son propiedades
dependientes y con una relación muy clara
entre ellas: Tsat. = f ( Psat ).

• En la figura es obvio que Tsat aumenta con Psat.

En consecuencia, una sustancia a presiones
mayores hervirá a temperaturas más altas.

Tsat vs Psat; curva de saturación de • La presión atmosférica y, en consecuencia, la

líquido-vapor de una sustancia pura. temperatura de ebullición del agua disminuyen
con la altura.
 DIAGRAMAS DE PROPIEDADES
PARA PROCESOS DE CAMBIO DE FASE
El diagrama T-V
• En el gráfico se ve el proceso
de cambio de fase a diferentes
presiones para elaborar el
diagrama T-V correspondiente
al agua.

• Si realizamos una relación

entre procesos a presiones 1
atm ( 101,35 Kpa) y 1 Mpa,
notamos algunas diferencias
notables.

• Primero, a esta presión el agua

empezará a hervir a una
temperatura mucho más alta
(179.9 C).
• Segundo, el volumen específico del líquido
saturado es más grande y el volumen específico
del vapor saturado es más pequeño que los
valores correspondientes bajo una presión de 1
atm. Esto es, la línea horizontal que conecta los
estados de líquido saturado y de vapor saturado
es mucho más corta.

• Conforme aumente la presión, esta línea de

saturación continuará acortándose, como
muestra la figura, y se convertirá en un punto
cuando la presión alcance el valor de 22.09
MPa en el caso del agua.

• Este punto se llama punto crítico y se define

como el punto al cual los estados de líquido
saturado y de vapor saturado son idénticos.
• Los estados de líquido saturado pueden
conectarse mediante una línea, línea de
líquido saturado, y los estados de
vapor saturado en la misma figura
pueden conectarse mediante la línea de
vapor saturado. Estas dos líneas se
alcanzan en el punto critico, formando
un domo como muestra la figura.

• Todos los estados líquidos

comprimidos se localizan en la región a
la izquierda de la línea de líquido
saturado, que recibe el nombre de
región de líquido comprimido.

• Todos los estados de vapor

sobrecalentado se encuentran a la
derecha de la línea de vapor saturado,
en la región de vapor sobrecalentado.
• Todos los estados que abarcan
ambas fases en equilibrio se
localizan bajo el domo,
denominado región de mezcla
saturada de líquido-vapor o
región húmeda.

El diagrama P – v

• La forma general del diagrama P-v

de una sustancia pura es similar al
diagrama T-v, pero las líneas
constante de T= sobre este
diagrama presentan una tendencia
hacia abajo, como muestra la
figura.
Ampliación de los diagramas
para incluir la fase sólida
• Estos diagramas pueden ampliarse para
incluir la fase sólida, así como las
regiones de sólido-líquido y de sólido-
vapor.

• La mayoría de las sustancias se contraen

durante un proceso de solidificación
(por ejemplo el congelamiento).

• Otras, como el agua, se expanden

cuando se congelan. Los diagramas P-v
sólo difieren en la región de saturación
sólido-líquido. Los diagramas T-v se
ven muy similares a los diagramas P-v,
en especial para sustancias que se
contraen al congelarse
• El que el agua se expanda en el
congelamiento tiene consecuencias
vitales en la naturaleza. Si el agua
se contrajera al congelarse, como lo
hacen la mayoría de las demás
sustancias, el hielo formado sería
más pesado que el agua líquida y se
asentaría en el fondo de los ríos,
lagos u océanos, en lugar de flotar
en la superficie.

• Los rayos del sol nunca alcanzarían

estas capas de hielo y los fondos se
cubrirían con hielo casi todo el año,
afectando seriamente la vida
marina.
• Es común que dos fases estén en equilibrio, pero
en algunas condiciones las tres fases de una
sustancia pura coexisten en equilibrio. En los
diagramas P-v o T-v, estos estados de fase triple
forman la línea triple.

• Los estados de una sustancia sobre la línea triple

tienen la misma presión y temperatura, pero
diferentes volúmenes específicos. La línea triple
aparece como un punto sobre los diagramas P-T
y, por tanto, suele denominarse punto triple

• Ninguna sustancia puede existir en la fase

líquida en equilibrio estable a presiones menores
que la del punto triple. Lo mismo sucede
respecto de la temperatura de sustancias que se
contraen al congelarse.
• Hay dos maneras en que una sustancia
puede pasar de la fase sólida a la de
vapor primero se funde en un líquido y
después se evapora o se evapora
directamente sin que primero se funda.

• El último caso sucede por debajo de la

presión del punto triple, ya que una
sustancia pura no puede existir en la
líquida a esas presiones. El paso
directo de la fase sólida a la fase de
vapor se denomina sublimación.
El diagrama P - T
• La figura se muestra el diagrama P-
T de una sustancia pura, llamado
diagrama de fase puesto que las tres
fases se separan entre sí mediante
tres líneas.

• La línea de sublimación separa las

regiones sólida y de vapor, la
lineado vaporización divide las
regiones líquida y de vapor, y la
línea de fusión (o fundido) separa
las regiones sólida y líquida. Estas
tres líneas convergen en el punto
triple, donde las tres fases coexisten
en equilibrio.

• La línea de vaporización finaliza en

el punto crítico porque no se pueden
distinguir las fases líquida y de
vapor arriba del punto crítico.
LA SUPERFICIE P-v-T
• Es posible representar el comportamiento P-
v-T de una sustancia como una superficie en
el espacio, como muestra en la figura.

• Aquí T y v son las variables independientes

(la base) y P la variable dependiente (altura).

• Todos los puntos sobre la superficie

representan estados de equilibrio. La
totalidad de los estados a lo largo de la
trayectoria de un proceso de cuasiequilibrio
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.
 Tabla de propiedades
• Para la mayoría de las sustancias las
relaciones entre las propiedades
termodinámicas son demasiado complejas,
como para expresarse por medio de
ecuaciones simples. Por tanto se presentan
en forma de tablas: tablas de vapor, de aire
y otros gases.
ENTALPÍA

• En el análisis de cierto tipo de procesos, en

particular la generación de potencia y
refrigeración, a menudo se encuentra la
combinación de propiedades U + PV, por
simplicidad y conveniencia, esta
combinación se define como una nueva
propiedad, la entalpía, y se representa
mediante el símbolo H:

H = U + PV

• Tanto la entalpía total, H. como la entalpía

específica, h, se indican simplemente como
entalpía
Mezcla saturada líquido-vapor
CALIDAD DE VAPOR
 Estados de líquido y vapor saturado

vf , vg , vfg
hf , hfg ( calor latente de vaporización).
Mezcla saturada de líquido vapor.
x = m vapor / m total ( calidad varía de 0a 1)
m total = m liquido + m vapor = mf + mg
La calidad tiene significado solo para mezclas
saturadas
• Un recipiente contiene una mezcla saturada.
El volumen ocupado por el líquido saturado
es Vf y por el vapor saturado es Vg.El
volumen total V = Vf + Vg
• V = mf vf + mg vg mf = mt – mg.
• v = vf + x vfg