Continuando con nuestro estudio de la termodinámica, es necesario introducir el concepto de saturación y al hacerlo también haremos uso de "la campana termodinámica", la cual es una graficación de los procesos de saturación.
Procesos de saturación
Saturar se define como "Llenar u ocupar una cosa hasta el límite de su capacidad". Para definir el proceso de saturación termodinámica consideremos un sistema de control con cierta cantidad de agua en él. Si añadimos calor al sistema entonces poco a poco el agua empezará a hervir e irá pasando hacia su fase gaseosa. Esto es intuitivo y lo experimentamos cada día en nuestras vidas.
Notemos que habrá un cambio en las uniones moleculares del agua. En fase gaseosa estas uniones moleculares son mínimas, en fase líquida son considerables mientras que en fase sólida estas uniones son las más fuertes. Sin embargo, para romper o crear estos enlaces moleculares es necesario introducir (o extraer) energía del sistema. En nuestro ejemplo la energía en forma de calor agita las moléculas de agua, rompiendo estos enlaces y permitiendo que exista en forma de vapor de agua.
En esta situación, cualquier interacción de energía del sistema con los alrededores causará el rompimiento (o unión) de los enlaces moleculares por lo que la presión y temperatura del sistema de control se mantendrán constantes hasta que todas las moléculas existan en la siguiente fase. Dado que cualquier interacción de energía será dirigida exclusivamente a romper estos enlaces en esta situación nos referimos al agua como agua saturada debido a que está atravesando el proceso de cambiar de fase o proceso de saturación. Para explicar el porque de este comportamiento del sistema es necesario definir el concepto de equilibrio termodinámico.
Equilibrio termodinámico
En el estudio de la termodinámica nos interesa contabilizar las interacciones de energía de un sistema con sus alrededores, por lo que es necesario definir un inicio y un final de esta interacción. En general, el final lo elegimos como el estado en donde ya no existe una interacción de energía con los alrededores y en este estado decimos que el sistema está en equilibrio termodinámico con sus alrededores.
Consideremos los alrededores del sistema como un sistema mismo. Para alcanzar el equilibrio termodinámico se requieren cuatro condiciones o sub equilibrios:
1. Equilibrio térmico: Se alcanza cuando los dos sistemas tienen la misma temperatura.
2. Equilibrio mecánico: Se alcanza cuando los dos sistemas tienen la misma presión.
3. Equilibrio químico: Se alcanza cuando son agotadas todas las reacciones químicas y cambios de fase dentro de un sistema.
4. Equilibrio de fuerzas: La sumatoria de las fuerzas en cada sistema es cero.
El que la temperatura y presión se mantengan constantes durante el proceso de saturación puede parecer contradictorio debido a que si añadimos o extraemos energía del sistema esperaríamos que alguna de las propiedades dentro del sistema variará, sin embargo, imaginemos dos moléculas de agua que están próximas. Una molécula de agua tiene mayor temperatura que la otra, por lo que tiene mayor energía cinética. Al chocar, la molécula de mayor temperatura le transfiere cantidad de movimiento (o impulso) a la molécula menos veloz (como bolas de billar). La molécula de mayor temperatura disminuyó su velocidad debido a esto, sin embargo, continúa recibiendo energía de sus alrededores por lo que aumenta su velocidad y se repite este proceso hasta que todas las moléculas tengan la misma velocidad (temperatura). En ese momento cualquier choque entre dos moléculas a la misma velocidad no cambiará la velocidad de las moléculas. Esto nos indica que a mayor cantidad de agua, más tiempo requerirá llevar todas las moléculas a un cambio de fase. Si intentamos hervir o congelar una mayor o menor cantidad de agua podremos verificar esto.
También podemos realizar cambios de fase aumentando o disminuyendo la presión del sistema. Imaginemos un grupo de moléculas de agua en fase líquida que están siendo "aplastadas" por una presión. El agua está en equilibrio de fuerzas por lo que si disminuimos la presión sobre ellas poco a poco empezarán a separarse entre sí, dando lugar a un cambio de fase a vapor o evaporación (imagínese que de pronto la gravedad de la tierra dejara de ejercer una fuerza hacia el suelo). Análogamente, si tenemos un grupo de moléculas de agua en fase vapor y aumentamos la presión sobre ellas las estamos forzando acercarse entre sí, dando lugar a un cambio de fase a líquido o condensación.
A la presión y temperatura de un sistema durante un proceso de saturación las conocemos como presión de saturación y temperatura de saturación. Ambas propiedades son dependientes entre sí, lo cual quiere decir que para cualquier fluido a una presión de saturación dada su temperatura de saturación también estará definida y viceversa. Por ejemplo, si tenemos una cantidad de agua que está hirviendo, expuesta a la presión atmosférica a nivel del mar, podremos decir con total seguridad que la temperatura del agua es de 100 °C.
Tablas termodinámicas
Si conocemos la presión o temperatura de saturación podemos hacer uso de las tablas termodinámicas para conocer la temperatura o presión del sistema, respectivamente. Esta información está recopilada en las tablas termodinámicas, las cuales son de carácter experimental, pero su precisión es aceptada por la comunidad científica. Se utilizan dos tablas, una para las presiones y otra para las temperaturas, de modo que podremos encontrar la propiedad faltante teniendo cualquiera de las dos ya mencionadas. Recordemos también que la presión y temperatura de un sistema por lo general son propiedades intensivas que son independientes entre sí, por lo que también se detallan otras propiedades en los procesos de saturación, tal como el volumen específico, la entalpía específica, energía interna específica y entropía específica (de las cuales hablaremos en otra ocasión).
Figura n°1. Porción de la tabla de temperaturas del agua saturada.
La campana termodinámica
Conociendo todo lo anterior, podemos representar un proceso termodinámico en la campana termodinámica, la cual se muestra a continuación:
Figura n°2. Bosquejo de la campana termodinámica T vs. v.
Este es una gráfica de la variación de la temperatura como función del volumen específico, podemos notar que si el fluido será evaporado su volumen tiene que aumentar (tiene que expandirse).
Como podemos observar, existen tres regiones de interés: líquido subenfriado o comprimido, saturación y vapor sobrecalentado. Cada línea azul representa una presión determinada y podemos ver que en la región de saturación la temperatura se mantiene constante. En el punto donde el fluido empieza su proceso de evaporación se le conoce como líquido saturado y en el punto donde finaliza se le conoce como vapor saturado. El punto verde en la parte superior de la campana termodinámica es el punto crítico, que es un punto en donde el fluido se evapora o condensa inmediatamente; no atraviesa el proceso de saturación. Para el agua, este punto crítico es 218 veces la presión atmosférica a una temperatura de 374°C.
Aplicaciones
Existe una infinidad de aplicaciones del proceso de saturación, a continuación se mencionan algunas.
Flujo en tuberías
Si tenemos agua fluyendo a través de una tubería tenemos que tener en cuenta que la el movimiento del agua producirá fricción (trataremos este tema en detalle en otra ocasión). Cuando frotamos nuestras manos podemos sentir un aumento en la temperatura, en las tuberías con flujos de agua sucede exactamente lo mismo, un aumento en la temperatura debido a las fuerzas de fricción. Si la tubería es lo suficientemente larga, la temperatura podría aumentar por encima de la temperatura de saturación del agua a la presión dentro de la tubería. El agua empezaría a evaporarse y formar burbujas, dando lugar al fenómeno de cavitación, el cual es sumamente indeseable debido a que al estallar estas burbujas se crean ondas de presión que pueden dañar la tubería.
Cocción
Incluso en la cocina podemos apreciar los efectos de la termodinámica. Cuando utilizamos una olla de presión estamos recreando un sistema termodinámico cerrado y estamos aumentando la presión dentro de la olla, aunque la mayoría de las ollas tienen un mecanismo que permite que el vapor escape. Al aumentar la presión también aumentamos la temperatura de saturación, lo cual permite que el agua exista en fase líquida a temperaturas más elevadas reduciendo así el tiempo necesario de cocción.
