Unidad 1. 2. Sustancias puras.

En esta parte se estudiarán las sustancias puras y se consideraran algunas propiedades como son: el volumen específico, presión y temperatura (propiedades antes vistas y muy familiares de las sustancias puras), asimismo se discutirán los métodos gráficos utilizados para representar la variación de distintas propiedades.

Una sustancia que tiene una composición química fija recibe el nombre de sustancia pura, aunque cambie de estado físico como en el caso de un sistema de una mezcla de agua y vapor, el hielo y el agua es una sustancia pura.

A veces una mezcla de gases, como el aire, se considera que es una sustancia pura, estrictamente hablando esto no es cierto, será una sustancia pura siempre que no haya un cambio de fase.

En este tema se definirán y aplicarán las propiedades de las sustancias puras, calor latente y calor sensible de las sustancias puras, manejo, uso y representación de diagramas.

También se describirán las leyes que rigen los gases ideales y no ideales, así como la relación entre distintas variables como la presión, el volumen y la temperatura.

1.2.1.  Clasificación de las sustancias.

Una sustancia pura es una sustancia que tiene una composición química invariable, por lo tanto, sus propiedades fisicoquímicas serán invariables y dependen de la presión. Por ejemplo, el agua como sustancia pura a una atmósfera de presión y 0ºC se encontrará en estado sólido si hay una diferencia de temperatura en sus alrededores empezará a cambiar de fase al estado líquido, la temperatura del hielo permanecerá constante hasta que todo el sólido se convierta en líquido y todo el calor suministrado para que ocurra está conversión de sólido a líquido se le llama calor latente de fusión.

Una vez que todo el hielo se convierte a líquido empieza a subir la temperatura desde 0ºC a 100ºC. A la energía en forma de calor que se transfiere al líquido para elevar la temperatura de 0ºC a 100ºC se le llama calor sensible, y toda el agua sigue como líquido si la presión continua constante a una atmósfera y se le sigue aplicando calor, el agua empezara a hervir y comenzará a evaporarse a temperatura constante de 100ºC hasta que se evapore la última gota de agua y a todo el calor recibido por el agua para convertirse en vapor se le llama calor latente de evaporación, una vez evaporada toda el agua empezará a subir la temperatura calentando más el vapor llamado vapor sobrecalentado, si se le sigue aplicando calor seguirá aumentando la temperatura y la presión, hasta llegar al punto crítico, donde no hay diferencia de fases.

1.2.2. Propiedades de las sustancias.

Para comenzar a explicar las propiedades de las sustancias puras se seleccionó el agua, como una sustancia pura conocida y vital para la humanidad y de mayor uso en los procesos termodinámicos, paso a paso se ira describiendo su comportamiento de acuerdo con la aplicación de calor pasando por todos sus estados termodinámicos, mencionando sus propiedades, nombres y representando en forma de gráfico para su mejor comprensión y objetividad de los fenómenos.

Si el agua se encontrará en un sistema a 20ºC, pero a una presión de una atmósfera, en esta condición el agua se encuentra en un estado líquido comprimido o líquido subenfriado. Lo que significa que no está a punto de evaporarse. El calor se transfiere al agua hasta que, si temperatura aumente, por ejemplo, a 40ºC, aumentará el volumen específico conforme aumente la temperatura, si es un sistema de cilindro – émbolo se moverá ligeramente el émbolo desplazándose hacia arriba y la presión se mantiene constante, ya que el desplazamiento del émbolo depende de la presión atmosférica y de la masa del émbolo (figura 1). En estas condiciones el agua sigue siendo liquido comprimido porque no ha llegado a la temperatura de evaporación.

Ilustración 1 Émbolo a presión constante.

Conforme se transfiere el calor, la temperatura aumenta hasta que alcanza 100ºC en este punto el agua inicia su evaporación, está por suceder un proceso de cambio de fase de líquido a vapor. Un líquido que está a punto de evaporarse se le llama líquido saturado (figura 2). En este proceso de cambio de líquido a vapor la temperatura permanece constante, pero hay absorción de calor, a este calor absorbido en el sistema para el cambio de fase se le llama calor latente.

Ilustración 2 Líquido saturado en embolo.

Una vez que empieza la ebullición, el aumento de temperatura se detendrá hasta que el líquido se evapore por completo. La temperatura permanece constante mediante el proceso de cambio de líquido a vapor, si la presión permanece constante. Al nivel del mar la presión es igual a 1 atmósfera y el termómetro leerá siempre 100ºC, el único cambio que ocurre en este proceso es el aumento de volumen (figura 3). Un vapor a punto de condensarse se le llama vapor saturado, cuando ocurre el proceso de conversión de líquido a vapor o de vapor a líquido en el sistema existe una mezcla saturada de líquido y vapor debido a que las fases coexisten en equilibrio de estos estados.

Ilustración 3 Desplazamiento del embolo por cambio de volumen.

Si al valor saturado se le sigue aplicando calor existe un aumento de temperatura y volumen específico al cual se le llama vapor sobrecalentado.

En el diagrama T – Q, pueden observarse dos líneas horizontales una a la temperatura de 0ºC que representa agua en estado sólido y otra que representa agua líquida a 100ºC, y ambas a 1 atmósfera de presión, si en ambos casos se le sigue aplicando calor la temperatura se mantiene constante hasta que en el primero todo el sólido (hielo) se convierte el líquido y en el segundo caso todo el agua líquida se convierta en vapor (figura 4). En ambos casos todo el calor transmitido para el cambio de estado de una sustancia a temperatura constante se le llama calor latente.

También en el mismo diagrama pueden observarse dos líneas inclinadas, en la primera representa al agua en estado sólido muy por debajo del punto de congelación, por ejemplo -17ºC, para llevar el agua a 0ºC existe un aumento de temperatura y suministro de calor, lo mismo ocurre en la segunda línea inclinada del segundo diagrama, al cambiar la temperatura de líquido 0ºC a líquido a 100ºC, también existe una absorción de calor y aumento de la temperatura (figura 4). En ambos casos la cantidad de calor absorbida o liberada por una sustancia con cambio de temperatura sin producir un cambio de estado se le llama calor sensible.

Ilustración 4 Calor sensible y calor latente.

Calor sensible, es el calor que provoca variación de temperatura. Calor latente, es aquel que no provoca variación de temperatura, corresponde a los cambios de estado de sólido a líquido y de líquido a gaseoso.

Las propiedades de las sustancias puras son mejor visualizadas a través de diagramas, tablas y gráficos.