INTRODUCCIÓN A DIAGRAMAS Y TABLAS DE VAPOR

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CONCEPTOS IMPORTANTES:

Líquido sub-enfriado y líquido saturado

El agua adentro de un cilindro-pistón a 20ºC y 1 atm. Existe como líquido sub-enfriado o líquido comprimido, lo que significa que no está a punto de evaporarse. Al transferir calor a este VC (volumen de control) el agua aumenta por ejemplo a 20ºC por lo cual el agua líquida tendrá cierta expansión aumentando su volumen específico y el embolo se moverá ligeramente hacia arriba. Durante este proceso la presión del cilindro permanece constante en 1 atm. En este caso el agua sigue siendo líquido comprimido, pues no ha empezado a evaporarse.

Conforme se transfiere más calor, la temperatura aumentará hasta 100ºC. En este punto el agua sigue siendo un líquido, pero cualquier aumento de calor (no temperatura) causará algo de evaporación en el líquido. Este líquido que está a punto de evaporarse se le llama líquido saturado.

Vapor saturado y vapor sobrecalentado

Un vapor a punto de condensarse se le llama vapor saturado.

Un vapor que no está a punto de condensarse se denomina vapor sobrecalentado. El proceso de cambio de fase a presión constante se representa en el siguiente diagrama T-v.

Temperatura de saturación y presión de saturación

El término “el agua empieza a hervir a 100ºC”; es incorrecto; pues el agua hierve a 100ºC a 1 atmósfera de presión. El agua en el VC anterior si inició el proceso de evaporación a 100ºC; pero debido a que el émbolo mantuvo una presión constante de 1 atmósfera. Si la presión en el émbolo se elevara a 500 KPa, el agua empezaría a hervir a 151.9ºC. La temperatura a la cuál el agua empieza a hervir depende de la presión.

A cierta presión, la temperatura a la cual una sustancia pura cambia de fase se le llama temperatura de saturación, Tsat.

A cierta temperatura, la presión a la cual una sustancia pura cambia de fase se le llama presión de saturación, Psat.

USO E IDENTIFICACIÓN DE LAS TABLAS DE VAPOR

Se puede afirmar que el principal problema que se presenta en un ejercicio de termodinámica, tratándose de sustancias puras, es el uso correcto de las tablas de vapor. La mayoría de los estudiantes no comprenden cómo identificar las zonas de dichas tablas y mucho menos la interpretación de los datos, por lo que no les es posible resolver los problemas que requieran de esta información.

Se presentan 2 problemáticas específicas:

PROBLEMÁTICA I. IDENTIFICAR LA ZONA DE LA TABLA DE VAPOR CORRESPONDIENTE

De manera similar a los apuntes y los factores de conversión, esta información será entregada por escrito a los alumnos al inicio del semestre.

Corresponde en este punto explicar los criterios básicos para identificar las principales zonas, cómo acceder a ellas y su interpretación correcta.

ZONAS DE LAS TABLAS DE VAPOR

Las tablas de vapor son tabulaciones de datos de variables termodinámicas obtenidas mediante experimentos con sustancias puras como el agua, el amoniaco y algunos refrigerantes.

Los datos representan valores de la sustancia pura en diferentes zonas:

ZONA 1: LÍQUIDO COMPRIMIDO.

En esta región existe una sola fase de líquido que está por debajo de la saturación; es decir, todos los valores representan a un líquido que no está a punto de hervir. Esta zona se ubica a la izquierda de la campana de saturación en el diagrama H vs S (región azúl claro).

Por lo general, existen pocos datos y se obtienen a partir de una presión de 5 MPa.

Como ejemplo, al nivel del mar, en un sistema abierto el agua es líquido comprimido cuando su temperatura es menor a 100°C.

ZONA 2: SATURACIÓN.

A esta región se le conoce como campana de saturación e incluye desde el líquido saturado (línea izquierda de la campana]) hasta el vapor saturado (línea derecha de la campana). Dentro de esta zona existe una mezcla líquido vapor (región morada).

El líquido saturado es el que está a punto de hervir y el vapor saturado es el que está a punto de condensarse; ambos se encuentran en equilibrio de presión y temperatura.

La mezcla líquido-vapor tiene una calidad que mide la masa de vapor contenida en la masa total del líquido y el vapor. En la línea de líquido saturado la calidad es del 0% y se va incrementando hacia la derecha hasta llegar la vapor saturado donde la calidad es del 100%.

ZONA 3: VAPOR SOBRECALENTADO

Se ubica a la derecha y hacia arriba de la campana de saturación (región amarilla). En esta región existe exclusivamente vapor por arriba de la saturación, es decir, el vapor está más allá del punto de ebullición, por lo que no está a punto de condensarse.

CRITERIOS PARA DETERMINAR UNA ZONA DE LAS TABLAS DE VAPOR:

POSIBILIDADES:

1.- Los datos son presión y temperatura.

Si estos datos coinciden entre sí en las tablas de saturación significa que es la zona de mezcla o saturación líquido-vapor.

De no coincidir la presión y temperatura, se descarta una zona bifásica, ya que no pueden existir ambas variables como independientes, por lo que deben existir en una zona monofásica.

*Si la presión del problema es mayor que la presión de saturación (en tablas de vapor) se encuentra en la zona de líquido comprimido.

*Si la presión del problema es menor que la presión de saturación se ubica en la zona de vapor sobrecalentado.

*Si la temperatura del problema es mayor que la temperatura de saturación (en tablas de vapor) se encuentra en la zona de vapor sobrecalentado.

*Si la temperatura del problema es menor que la temperatura de saturación se localiza en la zona del líquido comprimido.