ALGUNAS CONSECUENCIAS DE LA DEPENDENCIA DE LA TEMPERATURA DE SATURACION Y LA PRESION DE SATURACION
Tomado de:
Cengel, Y. & Boles, M. Thermodynamics, An Engineering Approach. 3rd. Edition. McGraw Hill Companies. 1998.
Una sustancia a una presión específica hervirá a la a la temperatura de saturación correspondiente a esa presión. Este fenómeno nos permite controlar la temperatura de ebullición de una sustancia, simplemente controlando la presión, y esto tiene numerosas aplicaciones en la práctica. En la mayoría de los casos, el camino natural para alcanzar el equilibrio de fase es permitiendo que algo del líquido se evapore, lo cual ocurre como un fenómeno no siempre perceptible. Se hacen algunas consideraciones:
- Un recipiente sellado contiene refrigerante líquido 134-A a la temperatura de 25°C en equilibrio con la temperatura ambiente. Si el recipiente es abierto lentamente y se permite que escape algo del refrigerante, la presión dentro del envase comenzará a descender hasta que alcance la presión atmosférica. Si usted sostiene la lata notará que la temperatura desciende rápidamente e incluso puede formarse hielo si el aire está húmedo. Un termómetro insertado dentro del envase indicará -26°C cuando la presión cae a 1 atm, la cual es la temperatura de saturación del refrigerante 134-A a esa presión. La temperatura del líquido refrigerante permanecerá constante a -26°C hasta que la última gota se vaporiza.
- Otro aspecto interesante de este fenómeno físico es que el líquido no se puede vaporizar a menos que absorba energía en una cantidad equivalente al calor latente de vaporización, el cual es 217 kJ/kg para el refrigerante 134-A. Entonces, la razón de vaporización del refrigerante depende de la velocidad de transferencia de calor a la lata: a mayor cantidad de calor transferido, mayor serán la razón de vaporización. Esa razón de transferencia de calor puede ser minimizada aislando la lata fuertemente. En el caso límite de que no haya transferencia de calor, el refrigerante permanecerá en la lata como líquido a -26°C indefinidamente.
- La temperatura de ebullición del nitrógeno a presión atmosférica es -196°C, lo cual significa que esa será la temperatura del nitrógeno líquido expuesto a la atmósfera, ya que algo del mismo se estará evaporando, permaneciendo constante esa temperatura de -196°C hasta que todo el nitrógeno se evapore.
Aplicaciones
- El nitrógeno es utilizado en estudios científicos a baja temperatura, tales como la superconductividad y aplicaciones criogénicas para mantener las cámaras de prueba a temperatura constante de -196°C. Esto se hace poniendo la cámara de pruebas dentro de un baño de nitrógeno que está abierto a la atmósfera. Cualquier transferencia de calor desde el ambiente hacia la sección de la prueba es absorbida por el nitrógeno, el cual se evapora isotérmicamente y mantiene la cámara de prueba a temperatura constante a -196°C. El equipo entero con la cámara deberá ser aislada fuertemente para minimizar la transferencia de calor y así el consumo de nitrógeno.
- Nitrógeno líquido se utiliza para propósitos médicos para quitar manchas desagradables por quemaduras de la piel. Se hace empapando un algodón en nitrógeno líquido y mojando el área deseada con él. A medida que el nitrógeno se evapora, congela la parte afectada de la piel absorbiendo calor de ella.
- Una forma práctica de enfriar vegetales de hoja ancha es el enfriamiento al vacío, el cual se basa en reducir la presión de una cámara de enfriamiento sellada a la presión de saturación de la temperatura baja deseada y evaporando algo de agua de los productos a ser enfriados. El calor de vaporización durante la evaporación es absorbido de los productos, lo cual disminuye su temperatura. La presión de saturación del agua a 0°C es 0.61 kPa, y los productos pueden ser enfriados hasta 0°C disminuyendo la presión a ese nivel. La velocidad de enfriamiento puede ser incrementada, disminuyendo la presión abajo de 0.61 kPa, pero esto no es aconsejable por el peligro de congelamiento y los costos adicionales.
El enfriamiento al vacío se hace en dos etapas distintas. En la primera etapa, los productos a temperatura ambiente, digamos 25°C, se cargan dentro de una cámara especial y la operación de descompresión comienza. La temperatura de la cámara permanece constante hasta que se consigue la presión de saturación, la cual es 3.17 kPa a 25°C. En la segunda etapa que sigue, las condiciones de saturación son mantenidas conforme progresivamente se disminuye la presión y con el correspondiente descenso de temperatura hasta llegar a la temperatura deseada, usualmente ligeramente arriba de 0°C.
El enfriamiento al vacío es generalmente más caro que el enfriamiento por refrigeración convencional, y su uso tiene aplicaciones limitadas que requieren de enfriamientos mucho más rápidos. Productos con gran área superficial por unidad de masa y una gran tendencia a liberar humedad tal como la lechuga y la espinaca con idóneas para este proceso. Productos con baja superficie en relación a su masa, no son adecuados, especialmente aquellos que tiene relativa cáscara dura como los tomates y el pepino. Algunos productos como los champiñones y arvejas verdes pueden ser enfriados satisfactoriamente por este sistema si se les humedece primero.
- El Congelamiento al vacío se consigue si la presión (en realidad la presión de vapor) en la cámara de vacío se disminuye hasta 0.6 kPa, la presión de saturación del agua a 0°C. La idea de hacer hielo utilizando esta cámara no es algo nuevo. El Dr. William Cullen en 1775 en Escocia, fabricó hielo evacuando aire de un tanque de agua.
- El Empaque congelado se utiliza comúnmente en aplicaciones a pequeña escala para remover calor y mantener los productos fríos durante su tránsito tomando ventaja de la gran cantidad de calor de fusión del agua, pero su uso es limitado a los productos que no se dañan en contacto con el hielo. También, el hielo provee humedad así como refrigeración.