Propiedades Termodinámicas en Tablas de Referencia

¡Tienes en tus manos un tesoro para ingenieros! Esta página nos presenta el contenido de las tablas y figuras que usarás constantemente en tus clases de termodinámica.

Las tablas están organizadas por tipo de sustancia y propiedades. En la Tabla A-1 encontrarás información fundamental como la masa molar y las constantes de gas para diversas sustancias, desde el agua hasta gases nobles como el helio. Estas propiedades son la base para muchos cálculos termodinámicos.

Las tablas incluyen datos de propiedades críticas (temperatura, presión y volumen) que son cruciales para entender el comportamiento de las sustancias cerca de sus puntos críticos, donde las fases líquida y gaseosa se vuelven indistinguibles.

También encontrarás tablas específicas para sustancias comunes como agua, refrigerantes, y gases como nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono. Estas tablas te permitirán determinar propiedades como entalpía, entropía y energía interna a diferentes temperaturas y presiones.

💡 No memorices estos datos, pero familiarízate con la organización de las tablas. Saber dónde encontrar cada propiedad te ahorrará tiempo valioso durante exámenes y proyectos.

Las figuras y diagramas incluyen herramientas visuales importantes como el diagrama T-s y el diagrama de Mollier para el agua, que te ayudarán a analizar ciclos termodinámicos de manera eficiente.

Propiedades Fundamentales de Sustancias Comunes

Esta tabla es una mina de oro para tus cálculos termodinámicos. Contiene la masa molar, la constante de gas y las propiedades del punto crítico para diversas sustancias.

La masa molar (M) se expresa en kg/kmol y es fundamental para convertir entre unidades molares y másicas. Por ejemplo, el agua (H₂O) tiene una masa molar de 18.015 kg/kmol, mientras que el aire tiene 28.97 kg/kmol.

La constante específica de gas (R) varía para cada sustancia y es crucial para la ecuación de estado de gases ideales $P·v = R·T$. Para el agua es 0.4615 kJ/kg·K, mientras que para el hidrógeno es 4.1240 kJ/kg·K, ¡casi diez veces mayor!

Las propiedades críticas son valores límite donde el comportamiento de las sustancias cambia drásticamente:

• El agua tiene una temperatura crítica de 647.1 K (¡374°C!)
• El dióxido de carbono tiene una presión crítica relativamente baja de 7.39 MPa
• El helio tiene la temperatura crítica más baja de todos: apenas 5.3 K

Estas propiedades críticas son esenciales cuando trabajas con ciclos de refrigeración, procesos de extracción supercrítica o sistemas de generación de energía.

💡 La relación entre la constante universal de gases R₀ = 8.31447 kJ/kmol·K y la constante específica R para cualquier sustancia es: R = R₀/M, donde M es la masa molar de la sustancia.

Esta tabla será tu referencia para numerosos problemas que involucren ecuaciones de estado y cálculos de propiedades de gases.

Calores Específicos de Gases Ideales

Esta tabla es fundamental para tus cálculos de energía térmica. Los calores específicos representan la cantidad de energía necesaria para cambiar la temperatura de una sustancia y son propiedades esenciales en termodinámica.

A 300 K (temperatura ambiente), observa las diferencias significativas entre gases:

• El hidrógeno (H₂) tiene el calor específico más alto: 14.307 kJ/kg·K
• El aire tiene un valor intermedio: 1.005 kJ/kg·K
• El argón (Ar) tiene uno de los valores más bajos: 0.5203 kJ/kg·K

La relación entre calores específicos $k = Cp/Cv$ es crucial para calcular procesos isentrópicos:

• Los gases monoatómicos como el helio y el argón tienen k = 1.667
• El aire y el nitrógeno tienen k = 1.400
• Los hidrocarburos como el butano tienen valores cercanos a k = 1.091

La tabla también muestra cómo los calores específicos aumentan con la temperatura. Por ejemplo, para el aire:

• A 250 K: Cp = 1.003 kJ/kg·K
• A 1000 K: Cp = 1.142 kJ/kg·K

En la tercera parte de la tabla, encontrarás ecuaciones polinómicas para calcular Cp a diferentes temperaturas, expresadas como: cp = a + bT + cT² + dT³. Estas ecuaciones son extremadamente útiles para análisis de combustión y cálculos de ciclos de potencia a altas temperaturas.

💡 Recuerda siempre que la diferencia entre Cp y Cv para un gas ideal es simplemente la constante del gas: Cp - Cv = R

Utiliza estos valores cuando calcules trabajo, calor, cambios de entropía y eficiencias en ciclos termodinámicos.

Calores Específicos de Gases Ideales a Diferentes Temperaturas

Esta tabla amplía la información anterior, mostrando cómo varían los calores específicos con la temperatura para gases comunes.

Para el aire, observa cómo Cp aumenta gradualmente:

• A 300 K es 1.005 kJ/kg·K
• A 600 K sube a 1.051 kJ/kg·K
• A 1000 K llega a 1.142 kJ/kg·K

Esta variación es crucial para cálculos precisos en sistemas que operan con grandes diferencias de temperatura, como turbinas de gas o motores de combustión interna.

El dióxido de carbono (CO₂) muestra una variación aún más significativa con la temperatura, lo que explica su comportamiento único en procesos térmicos:

• A 250 K: Cp = 0.791 kJ/kg·K
• A 1000 K: Cp = 1.234 kJ/kg·K

También notarás que la relación k $Cp/Cv$ disminuye con la temperatura para la mayoría de los gases. Para el aire:

• A 300 K: k = 1.400
• A 1000 K: k = 1.336

Estos cambios pueden parecer pequeños, pero tienen un impacto significativo en el cálculo de:

• Eficiencia de compresores
• Trabajo de expansión en turbinas
• Temperatura de salida en procesos adiabáticos

💡 Cuando realices análisis de ciclos termodinámicos que operen en amplios rangos de temperatura (como ciclos Brayton), considera usar valores de calor específico adecuados para cada nivel de temperatura o utiliza valores promedio para mayor precisión.

Usar valores incorrectos de calores específicos puede llevar a errores significativos en tus cálculos de eficiencia y rendimiento energético.

Relaciones Polinómicas para Calores Específicos

Esta tabla proporciona ecuaciones polinómicas para calcular calores específicos con mayor precisión. La fórmula general es:

cp = a + bT + cT² + dT³

donde T está en Kelvin y cp en kJ/kmol·K (¡nota que es por kmol, no por kg!).

Para sustancias como el metano (CH₄), los coeficientes son:

• a = 19.89
• b = 5.024 × 10⁻²
• c = 1.269 × 10⁻⁵
• d = -11.01 × 10⁻⁹

Estas ecuaciones son extremadamente valiosas para:

• Simulaciones de combustión
• Análisis de ciclos de potencia
• Diseño de sistemas de refrigeración
• Estudios de transferencia de calor

La tabla también muestra el rango de temperatura donde estas ecuaciones son válidas, generalmente entre 273-1500 K o 273-1800 K, así como el porcentaje de error máximo y promedio.

El agua (vapor) tiene un comportamiento bastante complejo, con coeficientes:

• a = 32.24
• b = 0.1923 × 10⁻²
• c = 1.055 × 10⁻⁵
• d = -3.595 × 10⁻⁹

💡 Para convertir los calores específicos de base molar $kJ/kmol·K$ a base másica $kJ/kg·K$, simplemente divide por la masa molar de la sustancia. Por ejemplo, para el CO₂ con masa molar de 44.01 kg/kmol, divide los valores calculados por 44.01.

Estas relaciones permiten programar modelos termodinámicos precisos y resolver problemas complejos que requieren integración de cp en amplios rangos de temperatura.

Propiedades de Líquidos, Sólidos y Alimentos

Esta tabla es un recurso invaluable para aplicaciones prácticas de ingeniería. Contiene propiedades físicas de sustancias en estados diferentes al gaseoso.

Para los líquidos, encuentras datos esenciales como:

• Puntos de ebullición y congelación
• Calor latente de vaporización y fusión
• Densidad a diferentes temperaturas
• Calor específico

Por ejemplo, el agua a 25°C tiene una densidad de 997 kg/m³ y un calor específico de 4.18 kJ/kg·K, mientras que el mercurio tiene una densidad mucho mayor $13,560 kg/m³$ pero un calor específico mucho menor $0.139 kJ/kg·K$.

Para refrigerantes como el amoniaco, puedes encontrar que tiene un calor latente de vaporización de 1357 kJ/kg a -33.3°C, un dato crucial para diseño de sistemas de refrigeración.

Observa cómo la densidad de la mayoría de los líquidos disminuye con la temperatura. Por ejemplo, el agua:

• A 0°C: 1000 kg/m³
• A 50°C: 988 kg/m³
• A 100°C: 958 kg/m³

Esta información es esencial para calcular:

• Flujos másicos y volumétricos
• Transferencia de calor en intercambiadores
• Dimensionamiento de equipos
• Almacenamiento de fluidos

💡 El calor latente de vaporización disminuye a medida que aumenta la temperatura, llegando a cero en el punto crítico. Esta es una consideración importante en ciclos de potencia y refrigeración que operan cerca de condiciones críticas.

La tabla incluye también datos para petróleo, queroseno y salmuera, que son fluidos ampliamente utilizados en aplicaciones industriales.

Propiedades de Sólidos y Alimentos

Esta tabla continúa ofreciendo datos valiosos, ahora para sólidos y alimentos, información crucial para aplicaciones de transferencia de calor e ingeniería alimentaria.

Para los sólidos, la tabla muestra:

• Densidad (ρ) en kg/m³
• Calor específico (cp) en kJ/kg·K

Comparando metales:

• El aluminio tiene una densidad de 2,700 kg/m³ y su calor específico varía con la temperatura
• El cobre es más denso $8,900 kg/m³$ pero tiene menor calor específico $0.386 kJ/kg·K$
• El hierro tiene propiedades intermedias con densidad de 7,840 kg/m³

Los materiales de construcción muestran propiedades interesantes:

• El concreto: 2,300 kg/m³ y 0.653 kJ/kg·K
• La madera es mucho menos densa pero tiene mayor calor específico

Para los alimentos, la tabla proporciona:

• Contenido de agua (% en masa)
• Punto de congelación
• Calor específico (tanto congelados como no congelados)
• Calor latente de fusión

Las frutas y verduras tienen alto contenido de agua:

• Sandía: 93%
• Brócoli: 90%
• Tomates: 94%

El contenido de agua afecta directamente el calor específico y el calor latente. Por ejemplo:

• Carne de pollo (74% agua): 3.32 kJ/kg·K (no congelada)
• Mantequilla (16% agua): sólo 3.65 kJ/kg·K

💡 Estos datos son fundamentales para el diseño de procesos de congelación, almacenamiento y cocción de alimentos. La gran diferencia entre calores específicos de alimentos congelados y no congelados explica por qué los tiempos de descongelación son mucho mayores que los de congelación.

Utiliza esta información para cálculos de refrigeración, procesamiento térmico y diseño de sistemas de almacenamiento.

Propiedades del Agua Saturada (Tabla de Temperaturas)

Esta tabla es una de las más utilizadas en termodinámica. Proporciona las propiedades del agua saturada a diferentes temperaturas, permitiéndote encontrar rápidamente valores fundamentales para análisis de ciclos de potencia, refrigeración y sistemas térmicos.

La tabla está organizada por temperatura y muestra:

• Presión de saturación correspondiente (Psat)
• Volumen específico (v) para líquido y vapor saturados
• Energía interna (u) para líquido, vapor y el cambio durante la evaporación
• Entalpía (h) para líquido, vapor y el calor latente de vaporización
• Entropía (s) para líquido, vapor y el cambio durante la evaporación

Por ejemplo, a 20°C:

• La presión de saturación es 2.3392 kPa
• El volumen específico del líquido es 0.001002 m³/kg y del vapor es 57.762 m³/kg (¡una diferencia enorme!)
• La entalpía del líquido es 83.915 kJ/kg y la del vapor 2537.4 kJ/kg
• El calor latente de vaporización (hfg) es 2453.5 kJ/kg

Observa cómo estas propiedades cambian con la temperatura:

• La presión de saturación aumenta rápidamente
• El volumen específico del vapor disminuye drásticamente
• El calor latente de vaporización disminuye

💡 En el punto crítico (374°C), el calor latente se vuelve cero y las propiedades del líquido y vapor son idénticas. Este comportamiento es fundamental para entender ciclos supercríticos en centrales eléctricas modernas.

Esta tabla será tu referencia constante para resolver problemas de transferencia de calor, ciclos de Rankine y procesos de evaporación o condensación.

Propiedades del Agua Saturada a Altas Temperaturas

La tabla continúa mostrando las propiedades del agua saturada, ahora para temperaturas más altas (205°C a 373.95°C).

A medida que la temperatura se acerca al punto crítico (373.95°C), observa estas tendencias importantes:

1. La presión de saturación aumenta exponencialmente:

   • A 205°C: 1724.3 kPa (17.2 bar)
   • A 300°C: 8587.9 kPa (85.9 bar)
   • En el punto crítico: 22,064 kPa (220.6 bar)

2. El volumen específico del líquido aumenta mientras el del vapor disminuye:

   • A 205°C: vₗ = 0.001164 m³/kg, vᵥ = 0.11508 m³/kg
   • A 350°C: vₗ = 0.001741 m³/kg, vᵥ = 0.008806 m³/kg
   • En el punto crítico: ambos son iguales a 0.003106 m³/kg

3. El calor latente disminuye hasta llegar a cero:

   • A 205°C: hfg = 1920.0 kJ/kg
   • A 350°C: hfg = 892.7 kJ/kg
   • En el punto crítico: hfg = 0 kJ/kg

4. La diferencia de entropía entre líquido y vapor también disminuye:

   • A 205°C: sfg = 4.0154 kJ/kg·K
   • A 350°C: sfg = 1.4326 kJ/kg·K
   • En el punto crítico: sfg = 0 kJ/kg·K

💡 Estas tendencias son cruciales para entender el comportamiento de ciclos de potencia y refrigeración. En centrales termoeléctricas supercríticas, el agua no experimenta un cambio de fase distinto, lo que mejora la eficiencia térmica.

La tabla fue generada con ecuaciones de estado de alta precisión $IAPWS-95$, que representa una mejora respecto a formulaciones anteriores y garantiza valores precisos para tus cálculos de ingeniería.

Propiedades del Agua Saturada (Tabla de Presiones)

Esta tabla complementa la anterior, pero ahora está organizada por presiones en lugar de temperaturas. Es particularmente útil para análisis de ciclos de potencia y sistemas que operan a presiones específicas.

Para cada presión, puedes encontrar:

• Temperatura de saturación (Tsat)
• Volumen específico (v) para líquido y vapor
• Energía interna (u), entalpía (h) y entropía (s) para ambas fases

Por ejemplo, a presión atmosférica (101.325 kPa):

• La temperatura de saturación es 99.97°C
• La entalpía del líquido (hf) es 419.06 kJ/kg
• La entalpía del vapor (hg) es 2675.6 kJ/kg
• El calor latente (hfg) es 2256.5 kJ/kg

Para análisis de ciclos de Rankine, observa los valores a presiones típicas:

• A 1.0 MPa (~10 bar): Tsat = 179.88°C, hfg = 2014.6 kJ/kg
• A 4.0 MPa (~40 bar): Tsat = 250.35°C, hfg = 1713.5 kJ/kg
• A 10.0 MPa (~100 bar): Tsat = 311.00°C, hfg = 1317.6 kJ/kg

La tabla cubre un amplio rango de presiones, desde vacío parcial (1 kPa) hasta presiones supercríticas (22,064 kPa), permitiéndote analizar desde condensadores de baja presión hasta calderas de alta presión.

💡 La presión crítica del agua es 22.06 MPa, donde el calor latente se vuelve cero. En sistemas supercríticos, no hay una distinción clara entre líquido y vapor, lo que permite ciclos más eficientes al eliminar la necesidad de calor latente durante el cambio de fase.

Esta tabla es fundamental para dimensionar equipos térmicos como calderas, condensadores, y turbinas de vapor.