4. TEMA IV. EQUILIBRIO ENTRE FASES

 Equilibrio líquido - vapor con los diagramas presión- temperatura

El equilibrio líquido-vapor es un estado dinámico que se establece entre un líquido (ya sea una sustancia pura o una mezcla) y el vapor que lo rodea e interactúa con su superficie. Para que este equilibrio ocurra, el recipiente debe estar cerrado, evitando que las corrientes de aire provoquen una evaporación lenta del líquido. La presión de vapor es una propiedad física de la materia y se alcanza cuando la presión ejercida por las moléculas en fase de vapor contra el líquido se detiene. Esta presión de vapor depende de la volatilidad de los componentes del líquido y las fuerzas intermoleculares que los mantienen unidos. Los diagramas binarios son útiles para visualizar la viabilidad de procesos de separación, como destilaciones fraccionadas. En ingeniería química, el equilibrio líquido-vapor es fundamental para obtener destilados ricos en componentes volátiles, como el etanol al 95.4% en agua.

Equilibrio líquido - vapor con los diagramas presión-volumen específico
 

El equilibrio líquido-vapor es un concepto fundamental en la termodinámica y se aplica para determinar el comportamiento de mezclas de sustancias en la región de dos fases. En esta región, las fases líquida y vapor coexisten en equilibrio. Para representar este comportamiento, se utilizan diagramas de equilibrio, que muestran cómo varían las propiedades termodinámicas con respecto a la composición, la temperatura y la presión.

Aquí hay algunos puntos clave sobre el equilibrio líquido-vapor y los diagramas asociados:

1. Ley de equilibrio:

   • La ley de equilibrio establece que la función de equilibrio, denotada como (f(x_i, y_i, T, P)), es igual a cero para una mezcla binaria (dos componentes) en equilibrio.
   • La relación entre las fases líquida y vapor se expresa como: (L = C + 2 - F), donde (C) es el número de componentes, y (F) es el número de fases presentes.

2. Tipos de diagramas de equilibrio:

   • Composición vs. temperatura: Muestra cómo varía la composición de las fases con respecto a la temperatura.
   • Composición vs. presión: Representa la relación entre la composición y la presión.
   • Presión vs. temperatura: Muestra cómo cambia la presión con la temperatura.
   • Composición del vapor vs. composición del líquido: Indica la composición de cada fase en equilibrio.

3. Mezclas inmiscibles:

   • En el proceso de ebullición, cuando hay dos fases líquidas y una fase vapor, cada componente se comporta como si estuviera solo.
   • A una presión dada, la mezcla hierve a una temperatura fija, y la composición del vapor también es constante.

4. Mezclas parcialmente miscibles:

   • Estas mezclas tienen zonas de líquido y vapor en equilibrio.
   • Se pueden formar azeótropos binarios homogéneos o ternarios homogéneos.

En resumen, los diagramas de equilibrio líquido-vapor nos ayudan a comprender cómo se comportan las mezclas en condiciones específicas de temperatura y presión.

Equilibrio líquido - vapor con los diagramas presión-entalpía

La relación entre presión y entalpía es fundamental en la termodinámica. La entalpía (H) es una magnitud que representa la cantidad de energía térmica que un sistema intercambia con su entorno a presión constante. Se define como:

$$H=U+pV$$

donde:

• (H) es la entalpía,
• (U) es la energía interna del sistema,
• (p) es la presión,
• (V) es el volumen

La variación de entalpía ((\Delta H)) en un proceso a presión constante se puede expresar como:

$$\Delta H=\Delta U+p\Delta V$$

Esto significa que la variación de entalpía es igual a la variación de la energía interna más el trabajo realizado por el sistema debido a la presión y el cambio de volumen

Estados de líquido comprimido o subenfriado

El líquido comprimido o subenfriado se refiere a un estado en el que un líquido está a una temperatura inferior a su temperatura de saturación para una presión dada. En otras palabras, no está a punto de vaporizarse.

Características del líquido comprimido o subenfriado:

1. Temperatura: La temperatura del líquido es menor que la temperatura de saturación correspondiente a la presión existente.
2. Presión: La presión es mayor que la presión de saturación correspondiente a la temperatura del líquido.
3. Estado: El líquido no está en equilibrio con su fase de vapor, es decir, no hay formación de burbujas de vapor dentro del líquido.

Ejemplo:

El agua a temperatura ambiente (20°C) y presión atmosférica (101.325 kPa) es un ejemplo de líquido subenfriado, ya que su temperatura es mucho menor que su punto de ebullición normal (100°C a presión atmosférica).

4.5.1. Líquido saturado

Un líquido saturado es aquel que está a punto de vaporizarse. En este estado, cualquier adición de calor hará que parte del líquido se convierta en vapor.

4.5.2. Vapor húmedo

El vapor húmedo es una mezcla de líquido y vapor en equilibrio. En este estado, el vapor contiene pequeñas gotas de líquido suspendidas en él. La calidad del vapor (o fracción de sequedad) indica la proporción de vapor en la mezcla.

4.5.3. Vapor saturado seco

El vapor saturado seco es vapor que está a punto de condensarse. En este estado, cualquier pérdida de calor hará que parte del vapor se convierta en líquido.

4.5.4. Vapor sobrecalentado

El vapor sobrecalentado es vapor que ha sido calentado a una temperatura superior a su punto de ebullición a una presión dada. En este estado, el vapor no está a punto de condensarse.

4.6. Calor latente de vaporización

El calor latente de vaporización es la cantidad de energía requerida para convertir una unidad de masa de un líquido saturado en vapor saturado sin cambiar su temperatura. Este proceso ocurre a una temperatura y presión constantes.

4.7. Calor latente de fusión

El calor latente de fusión es la cantidad de energía requerida para convertir una unidad de masa de un sólido en líquido sin cambiar su temperatura. Este proceso ocurre a una temperatura y presión constantes.

4.8. Calor latente de sublimación

El calor latente de sublimación es la cantidad de energía necesaria para convertir una unidad de masa de un sólido directamente en vapor sin pasar por el estado líquido. Este proceso también ocurre a una temperatura y presión constantes.

4.9. Calores específicos a presión y a volumen constante

• Calor específico a presión constante (Cp): Es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado Celsius a presión constante.
• Calor específico a volumen constante (Cv): Es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado Celsius a volumen constante.

4.10. Tablas del vapor de agua y del Freón 12

Las tablas del vapor de agua y del Freón 12 proporcionan datos sobre las propiedades termodinámicas de estas sustancias en diferentes estados y condiciones. Estas tablas son esenciales para el diseño y análisis de sistemas de refrigeración y calefacción.

4.11. Tablas de propiedades en sistemas abiertos y cerrados

Estas tablas contienen información sobre las propiedades termodinámicas de sustancias en sistemas abiertos (donde hay intercambio de masa con el entorno) y cerrados (donde no hay intercambio de masa con el entorno). Son útiles para el análisis de procesos termodinámicos y la resolución de problemas de ingeniería.