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DIAGRAMAS DE FASES Y P-V Volver al contenido principal

DIAGRAMAS DE FASES Y P-V

Para cualquier sustancia pura, se puede representar gráficamente las relaciones existentes entre la presión, volumen específico y temperatura en un diagrama tridimensional como el de la figura 10.1. En él se aprecian tres regiones, S, L, G, en las cuales el cuerpo se encuentra en una única fase, sólida, (hielo), líquida, (agua), y gaseosa, (vapor). En cada una de estas regiones monofásicas el estado del cuerpo viene determinado por dos cualesquiera de las tres propiedades que definen los ejes.

Entre las regiones monofásicas se encuentran situadas las de transición o bifásicas, en las cuales coexisten dos fases en equilibrio: líquido-vapor, sólido-vapor, y sólido-líquido. La región sólido-líquido comprende de "a" a "b", y el volumen en "b" es mayor que en "a". Esto es debido a que la fusión del hielo va acompañada de una contracción de volumen, ( en la mayoría de los casos sucede lo contario, ocupando entonces el punto "b" una posición como la b').

Fig. 10.1. Superficie PvT para una sustancia que se expande al congelarse. (Fuente: Wark, 1984, pp. 109).

En las regiones bifásicas, las propiedades de temperatura y presión son función una de la otra, por lo cual, si una de ellas varía, también lo hace la otra. Por esta razón, no puede definirse el estado de un cuerpo conociendo estas dos propiedades, (que sería lo mismo que conocer solo una, ya que la otra no es independiente), sino que debe utilizarse el volumen específico y una cualquiera de las dos citadas, presión o temperatura.

El volumen específico de un sistema bifásico es igual a la suma de los volúmenes, (no específicos) de cada fase, porque la masa de la mezcla es la unidad. De aquí que si la masa contenida en una fase aumenta, la que compone la otra disminuye en la misma cantidad, y el volumen específico del sistema tiene que variar.

A lo largo de la línea "abd" pueden existir tres fases en equilibrio; se denomina "línea triple" y constituye el lugar geométrico de los "puntos triple". En este caso, si la masa de una fase aumenta, la masa total de las otras dos disminuye en la misma cantidad, pero no se puede determinar la disminución de la masa de cada fase. Por tanto, las propiedades presión, volumen específico y temperatura no son suficientes para fijar completamente el estado de una mezcla en el punto triple, porque pueden existir infinidad de mezclas en la línea "abd" que cumplan dichas condiciones.

Este diagrama tridimensional puede proyectarse sobre los ejes coordenados, estando representado en las figuras 10.2. y 10.3 sobre los ejes de presión y temperatura, (diagrama de fases) y presión volumen.

Fig. 10.2. Diagrama PT de fases para una sustancia que se contrae al congelarse. (Fuente: Wark, 1984, pp. 111).

En la figura 10.2, cualquier línea horizontal trazada por encima del punto triple y por debajo del punto crítico, que ahora definiremos, nos muestra la transformación de hielo en vapor de agua en un proceso de calentamiento a presión constante. En las curvas tenemos definidos los respectivos puntos de fusión y de ebullición a la presión considerada, no debiéndose olvidar que cada punto de dichas curvas corresponden a infinitas posibilidades de mezclas bifásicas.

La transición directa de hielo a vapor de agua puede hacerse si se reduce la presión por debajo de la correspondiente al punto triple, obteniéndose la curva de sublimación correspondiente.

El punto crítico, "c", es aquel a partir del cual no existe ninguna diferencia entre las fases líquida y gaseosa. Si tuviéramos en un recipiente una mezcla de líquido y vapor en equilibrio y aumentamos la presión y la temperatura, al llegar a "c" desaparece el menisco que señala la presencia de las dos fases, y todas las propiedades son iguales. Por encima y a la derecha de "c" se tiene la región del "fluido", el cual no podría licuarse por un aumento de presión a temperatura constante. Por lo tanto, puede pasarse de agua líquida a vapor de agua siguiendo una línea tal como la "nwxy", sin que exista discontinuidad.

Se llama vapor a un gas que se encuentra a una temperatura inferior a su crítica y que puede condensarse por enfriamiento a presión constante o por compresión a temperatura constante.

En la figura 10.3. se encuentran representadas las transformaciones anteriores en un diagrama presión-volumen. En él se van a distinguir distintos estados posibles, cada uno de los cuales pasamos a definir a continuación.

Fig. 10.3. Diagrama para una sustancia que se contrae al congelarse. (Fuente: Wark, 1984, pp. 112).

Se define el "vapor de agua saturado" como aquel que se encuentra a la temperatura de ebullición correspondiente a su presión absoluta; por lo tanto, es un vapor que se encuentra en contacto y en equilibrio con agua líquida. De igual modo, el agua líquida saturada es aquella que se encuentra en equilibrio con el vapor saturado, (puntos desde "v" a "u" en la figura 10.3). La temperatura y la presión a la que coexisten ambas fases en equilibrio se denominan temperatura y presión de saturación.

Se define el "vapor saturado y seco" como aquel que se encuentra completamente exento de partículas de agua líquida, (en equilibrio con una microgota), (punto u). El "vapor húmedo", o "vapor saturado húmedo es aquel que contiene partículas de agua en suspensión, (puntos de "u" a "v"). Su estado queda definido por la presión o la temperatura y por el "título", X, que es la relación entre la masa de vapor saturado y seco y la de vapor húmedo, suma de las de agua líquida y vapor saturado y seco: (10.1)

Según lo expuesto, dejaremos el nombre de agua líquida saturada para aquella que corresponde al punto "v", pues los demás estado serán de vapor húmedo o de vapor saturado y seco.

Se define el vapor de agua "sobrecalentado o recalentado" como aquel que a una presión determinada se encuentra a una temperatura superior a la de saturación, punto u'. En él, la temperatura y la presión son independientes entre sí y, por lo tanto, la definición de su estado requiere de la especificación de ambas variables. Se define el grado de sobrecalentamiento como la diferencia entre la temperatura real del vapor sobrecalentado y la de saturación a la misma presión.

Se define el agua líquida "comprimida o subenfriada" como aquella que se encuentra a una presión superior a la de saturación a la misma temperatura, (punto "n" en relación con "v"), o a temperatura inferior a la de saturación a la misma presión. Al igual que para el vapor de agua sobrecalentado, se requiere del conocimiento de la temperatura y de la presión para definir el estado del agua líquida comprimida.

Copyright 2007, Autores y Colaboradores. Cite/attribute Resource. Franco, C. A., Franco, C. A., Ojeda, E. D. (2008, April 25). pagina_02. Retrieved December 08, 2019, from ocwus Web site: http://ocwus.us.es/arquitectura-e-ingenieria/operaciones-basicas/contenidos1/tema10/pagina_02.htm. Esta obra se publica bajo una licencia Creative Commons License. Creative Commons License