¿Por qué la isobara es horizontal dentro de la cúpula de vapor?

En la región bifásica de una sustancia pura, la presión y la temperatura de saturación están ligadas de forma unívoca (ecuación de Clausius–Clapeyron). La línea de presión constante dentro de la cúpula coincide entonces con una isoterma y, en T–s, sale horizontal.

¿Qué significa una calidad x = 0.7?

En la mezcla, el 70% de la masa es vapor y el 30% es líquido saturado. Con x se calculan las propiedades específicas de la mezcla, por ejemplo s = (1 − x) s_f + x s_g. En una turbina x importa porque las gotas de líquido erosionan los álabes.

¿En qué se diferencia este esquema del vapor en una turbina?

Aquí hay equilibrio y una sustancia pura. En la zona de flujo hay caídas de presión, condensación fuera de equilibrio e impurezas. Las propiedades son esquemáticas, no de tablas de vapor.

¿Para qué se sobrecalienta el vapor?

El sobrecalentamiento lleva el estado a la derecha de la cúpula, donde x = 1: el vapor está seco. Así se reduce la erosión de los álabes y se puede expandir el vapor hasta una temperatura más baja, sacando más trabajo del mismo aporte de calor.

Vapor húmedo en el diagrama T–s

Región bifásica del agua en el diagrama T–s: curvas de saturación, isobara horizontal, calidad x y sobrecalentamiento.

Sobre el modelo

El vapor húmedo es una mezcla en equilibrio de líquido saturado y vapor saturado: la presión y la temperatura están ligadas por la curva de saturación y no se fijan por separado. En el diagrama temperatura–entropía la región bifásica queda acotada por la cúpula de vapor: a la izquierda, la línea de líquido saturado (calidad x = 0); a la derecha, la de vapor saturado seco (x = 1); las ramas se juntan en el punto crítico. Dentro de la cúpula la isobara es horizontal: consecuencia de la ecuación de Clausius–Clapeyron. La calidad es la fracción másica de vapor, x = m_g / (m_f + m_g); en T–s la da la regla de la palanca x = (s − s_f) / (s_g − s_f). A la derecha de la cúpula el vapor está sobrecalentado: a presión constante crecen la temperatura y la entropía. Se puede elegir el nivel de presión y x; no entran las tablas de propiedades ni las pérdidas de presión en la zona de flujo.

Para quién: Curso de termodinámica técnica: sustancias puras, diagramas T–s, vapor húmedo.

Conceptos clave

cúpula de vapor
diagrama T–s
calidad del vapor
curva de saturación
mezcla bifásica
isobara
ecuación de Clausius–Clapeyron
vapor sobrecalentado

Cómo funciona

En una sustancia pura, la región bifásica del diagrama temperatura–entropía queda acotada por las curvas de saturación del líquido y del vapor. La calidad x = (s − s_f)/(s_g − s_f) fija la posición entre ambas sobre la isobara. El vapor sobrecalentado queda a la derecha de la cúpula, a T y s mayores.

Fórmulas principales

s = (1−x) s_f + x s_g · 0 ≤ x ≤ 1 en el vapor húmedo

Preguntas frecuentes

¿Por qué la isobara es horizontal dentro de la cúpula de vapor?: En la región bifásica de una sustancia pura, la presión y la temperatura de saturación están ligadas de forma unívoca (ecuación de Clausius–Clapeyron). La línea de presión constante dentro de la cúpula coincide entonces con una isoterma y, en T–s, sale horizontal.
¿Qué significa una calidad x = 0.7?: En la mezcla, el 70% de la masa es vapor y el 30% es líquido saturado. Con x se calculan las propiedades específicas de la mezcla, por ejemplo s = (1 − x) s_f + x s_g. En una turbina x importa porque las gotas de líquido erosionan los álabes.
¿En qué se diferencia este esquema del vapor en una turbina?: Aquí hay equilibrio y una sustancia pura. En la zona de flujo hay caídas de presión, condensación fuera de equilibrio e impurezas. Las propiedades son esquemáticas, no de tablas de vapor.
¿Para qué se sobrecalienta el vapor?: El sobrecalentamiento lleva el estado a la derecha de la cúpula, donde x = 1: el vapor está seco. Así se reduce la erosión de los álabes y se puede expandir el vapor hasta una temperatura más baja, sacando más trabajo del mismo aporte de calor.

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