Balance de Materia y Energía 1 de 3 SATURACIÓN CONCEPTOS PRINCIPALES ¿Cómo podemos predecir las condiciones de una mezcla de un vapor puro (que se puede condensar) y un gas no condensable en equilibrio? Una mezcla que contiene un vapor se comporta de forma diferente que un componente puro solo. Un ejemplo típico con el que el lector está familiarizado es el de vapor de agua en aire. Se condensa, llueve y se congela, y al revés, dependiendo de la temperatura. Cuando cualquier gas puro (o mezcla gaseosa) entra en contacto con un líquido, adquiere moléculas del líquido. Si el contacto se mantiene durante un tiempo largo, la vaporización continúa hasta que se alcanza el equilibrio, y entonces la presión parcial del vapor en el gas igualará la presión de vapor del líquido a la temperatura del sistema. Sea cual sea la duración del contacto entre el líquido y el gas, una vez que se alcanza el equilibrio no habrá mas vaporización neta del líquido a la fase gaseosa. Se dice entonces que el gas está saturado con el vapor de que se trata a la temperatura dada. También decimos que la mezcla de gases está en su punto de rocío. El punto de rocío para la mezcla de vapor puro y gas no condensable es la temperatura en la que el vapor apenas comienza a condensarse si se enfría a presión constante. Ahora bien, ¿qué significan estos conceptos en lo que toca a la medición cuantitativa de las condiciones gas-vapor? Suponga que inyecta agua líquida a 65°C en un cilindro con aire a la misma temperatura y mantiene el sistema a una temperatura constante de 65°C. Suponga además que la presión sobre la parte superior del cilindro se mantiene a 101.3 kPa (1 atm). ¿Qué sucede con el volumen del cilindro en función del tiempo? La figura 1 muestra que el volumen del aire más el vapor de agua aumenta hasta que el aire queda saturado con vapor de agua, y que a partir de entonces el volumen permanece constante. La figura 2(a) indica cómo aumenta la presión parcial del vapor de agua con el tiempo hasta alcanzar su presión de vapor de 24.9 kPa (187 mm Hg). ¿Por qué disminuye la presión parcial del aire? Ahora, supongamos que realizamos un experimento similar, pero mantenemos el volumen constante y dejamos que varíe la presión total en el cilindro. ¿Aumentará o disminuirá la presión con el tiempo? ¿Cuál será el valor asintótico de la presión parcial del vapor de agua? ¿Del aire? Examine la figura 2(b) y compruebe si sus respuestas a estas preguntas fueron correctas. Por último, Les posible hacer que el agua se evapore en el aire y lo sature, pero manteniendo ambos a temperatura, presión y volumen constantes en el cilindro? (Sugerencia: ¿Qué sucedería si dejara escapar del cilindro un poco de la mezcla gas-vapor?) Suponiendo que la ley de los gases ideales se aplica tanto al aire como al vapor de agua con precisión excelente, podemos decir que en la saturación se cumplen las siguientes relaciones: paire V naire RT = p H2O n H2O RT Ing Jack Zavaleta Ortiz o paire n paire = aire = p H2O n H2O pt − paire jackzavaleta@yahoo.com Balance de Materia y Energía 2 de 3 Figura 1. Evaporación de agua a presión constante y temperatura de 65°C. Figura 2. Cambio en las presiones parciales y total durante la vaporización de agua en aire a temperatura constante: a) temperatura y presión total constantes (volumen variable); b) temperatura y volumen constantes (presión variable). Ejemplo 1 Saturación ¿Cuál es el número mínimo de metros cúbicos de aire seco a 20°C y 100 kPa que se necesitan para evaporar 6.0 kg de alcohol etílico si la presión total permanece constante en 100 kPa y la temperatura se mantiene en 2O”C? Suponga que el aire se burbujea en el alcohol evaporándolo de tal manera que la presión de salida de la mezcla aire-alcohol es de 100 kPa. Solución Vea la figura E1. Suponga que el proceso es isotérmico. Los datos adicionales que necesita son: p*alcohol a 20°C = 5.93 kPa peso molecular del alcohol etílico = 46.07 Ing Jack Zavaleta Ortiz jackzavaleta@yahoo.com Balance de Materia y Energía 3 de 3 Ejemplo 1 (continuación) Figura E1 El volumen mínimo de aire implica una mezcla saturada, cualquier condición por debajo de la saturación requeriría mas aire. Base de cálculo: 6.0 kg de alcohol La razón molar entre el alcohol etílico y el aire en la mezcla gaseosa final es la misma que la razón de las presiones parciales de estos dos componentes. Puesto que conocemos los moles de alcohol, podemos obtener los moles de aire. p*alcohol nalcohol = p aire n aire y una vez que conocemos el número de moles de aire podemos aplicar la ley de los gases ideales. Dado que P*alcohol, = 5.93 kPa Otra forma de enfocar este problema es considerar que el volumen final contiene V m3 de alcohol a 5.93 kPa y 20°C V m3 de aire a 94.07 kPa y 20°C V m3 de aire más alcohol a 100 kPa y 20°C Así, el volumen se podría calcular a partir de la información relativa al alcohol Ing Jack Zavaleta Ortiz jackzavaleta@yahoo.com