Cúpula de saturación

Una cúpula de saturación es una representación gráfica de la combinación de vapor y gas que se utiliza en termodinámica . Puede emplearse para calcular la presión o el volumen específico , siempre que se conozca al menos una de estas propiedades .

Una cúpula de saturación utiliza la proyección de un diagrama P– v –T (presión, volumen específico y temperatura ) sobre el plano P– v . Los puntos que forman el lado izquierdo de la cúpula representan los estados de líquido saturado, mientras que los puntos del lado derecho representan los estados de vapor saturado (comúnmente denominados región “seca”). En el lado izquierdo de la cúpula se encuentra el líquido comprimido y en el lado derecho, el gas sobrecalentado. ^{[ 1 ]}

Dentro de la cúpula, existe una mezcla líquido-vapor . Esta región bifásica se conoce comúnmente como la región «húmeda». El porcentaje de líquido y vapor se puede calcular utilizando la calidad del vapor. ^{[ 2 ]} La línea de triple estado es donde las tres fases (sólido, líquido y vapor) coexisten en equilibrio.

El punto situado en la parte superior de la cúpula se denomina punto crítico. En este punto se encuentran las líneas de líquido saturado y vapor saturado. Más allá de este punto, es imposible que se produzca una transformación líquido-vapor. ^{[ 3 ]} También es donde se encuentran la temperatura crítica y la presión crítica. Más allá de este punto, también es imposible distinguir entre las fases líquida y gaseosa.

El estado de saturación es el punto donde comienza o termina un cambio de fase. Por ejemplo, la línea de líquido saturado representa el punto donde cualquier adición de energía adicional provocará que una pequeña porción del líquido se convierta en vapor. De igual manera, a lo largo de la línea de vapor saturado, cualquier eliminación de energía provocará que parte del vapor se condense nuevamente en líquido, produciendo una mezcla. Cuando una sustancia alcanza la línea de líquido saturado, se dice comúnmente que está en su punto de ebullición. La temperatura permanecerá constante mientras esté a presión constante por debajo de la cúpula de saturación (el agua hirviendo se mantiene a una temperatura constante de 212 °F) hasta que alcance la línea de vapor saturado. Esta línea es donde la mezcla se ha convertido completamente en vapor. Un calentamiento adicional del vapor saturado dará como resultado un estado de vapor sobrecalentado. Esto se debe a que el vapor estará a una temperatura superior a la temperatura de saturación (212 °F para el agua) para una presión dada. ^{[ 4 ]}

La calidad del vapor se refiere a la mezcla vapor-líquido contenida bajo la cúpula. Esta calidad se define como la fracción de la mezcla total que es vapor, en base a la masa. ^{[ 3 ]} Un vapor completamente saturado tiene una calidad del 100%, mientras que un líquido saturado tiene una calidad del 0%. La calidad se puede estimar gráficamente, ya que está relacionada con el volumen específico, o qué tan lejos horizontalmente a través de la cúpula se encuentra el punto. En el estado de líquido saturado, el volumen específico se denota como v _f , mientras que en la etapa de vapor saturado se denota como v _g .

La calidad se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

${\displaystyle x={v-v_{f} \over v_{g}-v_{f}}}$^{[ 5 ]}