Asunto: Plan Docente Termodinámica Aplicada PLAN DOCENTE DE LA ASIGNATURA. Curso académico: Identificación y características de la asignatura

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1 PLAN DOCENTE DE LA ASIGNATURA Curso académico: Identificación y características de la asignatura Termodinámica Denominación aplicada (Applied thermodynamics) Créditos ECTS 6 Titulación Grado en Ingeniería Química Centro FACULTAD DE CIENCIAS Semestre 3 Carácter Obligatoria Módulo Industrial Materia Fundamenteos de la Ingeniería Profesor/es Nombre Despacho Correo-e Página web Fco Javier Ed. Jose fjrivas@unex.es Luis Sotelo Rivas Toledo Área de conocimiento Departamento Profesor coordinador Ingeniería Química Ingeniería química y química física Competencias Competencias básicas CB1: Que los estudiantes hayan demostrado poseer y comprender conocimientos en un área de estudio que parte de la base de la educación secundaria general, y se suele encontrar a un nivel que, si bien se apoya en libros de texto avanzados, incluye también algunos aspectos que implican conocimientos procedentes de la vanguardia de su campo de estudio. CB2: Que los estudiantes sepan aplicar sus conocimientos a su trabajo o vocación de una forma profesional y posean las competencias que suelen demostrarse por medio de la elaboración y defensa de argumentos y la resolución de problemas dentro de su área de estudio. CB3: Que los estudiantes tengan la capacidad de reunir e interpretar datos relevantes (normalmente dentro de su área de estudio) para emitir juicios que incluyan una reflexión sobre temas relevantes de índole social, científica o ética. CB4: Que los estudiantes puedan transmitir información, ideas, problemas y soluciones a un público tanto especializado como no especializado. CB5: Que los estudiantes hayan desarrollado aquellas habilidades de aprendizaje necesarias para emprender estudios posteriores con un alto grado de autonomía.

2 Competencias generales CG3: Conocimiento en materias básicas y tecnológicas, que les capacitan para el aprendizaje de nuevos métodos y teorías, y les doten de versatilidad para adaptarse a nuevas situaciones. CG4: Capacidad de resolver problemas con iniciativa, toma de decisiones, creatividad, razonamiento crítico y de comunicar y transmitir conocimientos, habilidades y destrezas en el campo de la Ingeniería Química. CG10: Capacidad de trabajar en un entorno multilingüe y multidisciplinar. Competencias transversales CT1: Comunicarse de forma oral y escrita tanto en la lengua propia como en inglés. CT3: Demostrar habilidades en el uso de aplicaciones informáticas y empleo de nuevas tecnologías para el aprendizaje, divulgación de conocimiento y recopilación de información relevante para emitir juicios. CT4: Saber transmitir información, ideas, problemas y soluciones en un entorno profesional. CT6: Reunir e interpretar datos relevantes para emitir juicios. Competencias específicas CE7: Conocimientos de termodinámica aplicada y transmisión de calor. Principios básicos y su aplicación a la resolución de problemas de ingeniería.

3 Temas y contenidos Breve descripción del contenido La termodinámica es la parte de la física que estudia los estados de los sistemas materiales macroscópicos y los cambios que pueden darse entre esos estados, en particular, en lo que respecta a temperatura, calor y energía. La termodinámica abarca un amplio espectro de aplicaciones (climatización, transporte, plantas eléctricas, etc.). Los objetivos del temario propuesto son: *Cubrir los principios básicos de termodinámica. * Resolver problemas ingenieriles del mundo real de modo que el estudiante se acerque lo más posible a las aplicaciones prácticas de la termodinámica. * Desarrollar en el estudiante el conocimiento intuitivo necesario para utilizar las herramientas termodinámicas a partir de argumentos químico-físicos. Temario de la asignatura 1. CONCEPTOS BÁSICOS EN TERMODINÁMICA 1.1. SISTEMAS Y VOLUMENES DE CONTROL 1.2. PROPIEDADES DE UN SISTEMA 1.3. ESTADOS Y EQUILIBRIO 1.4. EL POSTULADO DE ESTADO 1.5. PROCESOS Y CICLOS 1.6. PROCESOS DE ESTADO ESTACIONARIO 2. ENERGÍA: ANÁLISIS GENERAL. PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA 2.1. FORMAS DE ENERGÍA 2.2. ENERGÍA INTERNA 2.3. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA 3. PROPIEDADES DE LAS SUSTANCIAS PURAS 3.1. SUSTANCIA PURA 3.2. CAMBIO DE FASE DE SUSTANCIAS PURAS Líquidos comprimidos y saturados Vapores saturados y sobrecalentados DIAGRAMAS DE PROPIEDAD EN CAMBIOS DE FASE DE SUSTANCIAS PURAS Diagrama T-v Diagrama P-v Diagramas que incluyen fase sólida 3.4. USO DE TABLAS TERMODINAMICAS. CONCEPTO DE ENTALPIA Líquido y vapor saturado Mezcla líquido y vapor saturado

4 Vapor sobrecalentado Líquido comprimido 3.5. ESTADOS DE REFERENCIA 3.6. ECUACION DE ESTADO PARA EL GAS IDEAL 3.7. DESVIACIÓN DEL COMPORTAMIENTO IDEAL Factor de compresibilidad y factor acéntrico Ecuaciones de estado y relaciones generalizadas 3.8. MEZCLAS GASEOSAS. EVALUACIÓN DE PROPIEDADES Reglas de mezclado para ecuaciones de estado Reglas de mezclado mediante correlaciones generalizadas 4. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA. CONCEPTO DE ENTROPÍA 4.1. MÁQUINAS TÉRMICAS Eficiencia térmica Postulado de kelvin Planck Postulado de Clausius 4.2. PROCESOS REVERSIBLES E IRREVERSIBLES 4.3. EL CICLO DE CARNOT DIRECTO Y REVERSO 4.4. LOS PRINCIPIOS DE CARNOT 4.5. ENTROPÍA El principio de aumento de entropía Diagramas termodinámicos que contienen entropía 5. RELACIONES TERMODINÁMICAS LAS RELACIONES DE GIBBS 5.2. LAS RELACIONES DE MAXWELL 5.3. CALORES ESPECÍFICOS A PRESION Y VOLUMEN CONSTANTE. RELACIONES GENERALES PARA u, h, s, Cp y Cv Calores específicos a presión constante Cambios de energía interna Cambios de entalpía Cambios de entropía Calores específicos Cv y Cp 5.4. EL COEFICIENTE DE JOULE THOMSON 5.5. LA ECUACION DE CLAPEYRON 6. ANÁLISIS ENERGÉTICO: SISTEMAS CERRADOS Y ABIERTOS 6.1. TRABAJO EN SISTEMAS CERRADOS CON LIMITES VARIABLES Procesos politrópicos, isobaros, isotermos e isocoros Balance energético en sistemas cerrados 6.2. SISTEMAS ABIERTOS. TRABAJO DE FLUJO Y ENERGÍA DE UN FLUIDO EN TRÁNSITO Toberas y difusores

5 Válvulas reguladoras Cámaras de mezclado Turbinas, compresores, soplantes, ventiladores y bombas Optimización del trabajo de compresión o expansión Eficiencia isentrópica en sistemas de flujo estacionario 7. CICLOS DE POTENCIA EN FASE GAS 7.1. CONSIDERACIONES DE AIRE ESTANDAR 7.2. GENERALIDADES EN SISTEMAS DE EMBOLO PISTON 7.3. EL CICLO DE OTTO. MODELO DE MOTORES DE IGNICIÓN POR CHISPA 7.4. CICLO DIESEL. MODELO PARA MOTORES DE AUTOIGNICIÓN 7.5. CICLO BRAYTON. MODELO DE PLANTAS DE TURBINA DE GAS El ciclo de Brayton con regeneración El ciclo de Brayton con interenfriamiento, intercalentamiento y regeneración. 8. VAPOR Y CICLOS DE POTENCIA COMBINADOS 8.1. DESVENTAJAS DEL CICLO DE CARNOT APLICADO A VAPORES EL CICLO RANKINE PARA PLANTAS DE VAPOR 8.3. DESVIACION DE LA IDEALIDAD EN EL CICLO RANKINE 8.4. INCREMENTANDO LA EFICACIA DEL CICLO RANKINE Bajar la presión del condensador Calentamiento de vapor a altas temperaturas Incremento de la presión de caldera 8.5. CICLO RANKINE CON RECALENTAMIENTO 8.6. CICLO RANKINE CON REGENERACION Regeneradores abiertos Regeneradores cerrados 8.7. COGENERATION 8.8. CICLOS COMBINADOS GAS VAPOR 9. REFRIGERACION y BOMBAS DE CALOR 9.1. CICLO DE COMPRESION VAPOR IDEAL PARA PROCESOS DE REFRIGERACION 9.2. CICLOS DE REFRIGERACION REALES 9.3. CICLOS DE REFRIGERACION INNOVADORES Sistemas de refrigeración en cascada Sistemas de refrigeración multietapa 9.4. CICLOS DE REFRIGERACIÓN POR GAS 10. TERMODINÁMICA DE SOLUCIONES POTENCIAL QUIMICO COMO CRITERIO DE EQUILIBRIO TERMODINÁMICO PROPIEDADES PARCIALES FUGACIDAD Y COEFICIENTE DE FUGACIDAD FUGACIDAD Y COEFICIENTE DE FUGACIDAD PARA ESPECIES EN DISOLUCIÓN

6 10.5. CORRELACIONES GENERALIZADAS PARA EL COEFICIENTE DE FUGACIDAD LA SOLUCIÓN IDEAL 11. TERMODINÁMICA DE SOLUCIONES: EQUILIBRIO LIQUIDO VAPOR EQUILIBRIO LÍQUIDO VAPOR EN SISTEMAS MULTICOMPONENTES Datos de equilibrio en sistemas binarios L V ideales Datos de equilibrio en sistemas binarios con comportamiento ideal de la fase vapor y comportamiento real de la fase líquida Datos de equilibrio en sistemas binarios con comportamiento real de ambas fases. Horas de trabajo del alumno por tema Actividades formativas Presencial Actividad de seguimiento No presencial Tema Total GG SL TP EP Evaluación 3 3 Total GG: Grupo Grande (100 estudiantes). SL: Seminario/Laboratorio (prácticas clínicas hospitalarias = 7 estudiantes; prácticas laboratorio o campo = 15; prácticas sala ordenador o laboratorio de idiomas = 30, clases problemas o seminarios o casos prácticos = 40). TP: Tutorías Programadas (seguimiento docente, tipo tutorías ECTS). EP: Estudio personal, trabajos individuales o en grupo, y lectura de bibliografía. Metodologías docentes 1. Clases expositivas de teoría y problemas (Descripción: método expositivo que consiste en la presentación por parte del profesor de los contenidos sobre la materia objeto de estudio. También incluye la resolución de problemas ejemplo por parte del profesor). 2. Resolución de ejercicios y problemas (Descripción: método basado en el planteamiento de problemas por parte del profesor y la resolución de los mismos en el aula. Los estudiantes desarrollan e interpretan soluciones adecuadas a partir de la aplicación de procedimientos de

7 resolución de problemas). 3. Estudio de casos (Descripción: análisis intensivo y completo de un caso real con la finalidad de conocerlo, interpretarlo, resolverlo, generar hipótesis, contrastar datos, reflexionar, completar conocimientos, diagnosticarlo y, a veces, entrenarse en los posibles procedimientos alternativos de solución). 4. Aprendizaje basado en problemas (ABP) (Descripción: método de enseñanza/aprendizaje que tiene como punto de partida un problema que ha diseñado el profesor y que el estudiante resuelve de manera autónoma o guiada para desarrollar determinadas competencias previamente definidas). 8. Aprendizaje a través del aula virtual (Descripción: Situación de enseñanza/aprendizaje en la que se usa un ordenador con conexión a la red como sistema de comunicación entre profesor y estudiante e incluso entre los estudiantes entre si y se desarrolla un plan de actividades formativas). 10. Aprendizaje autónomo (Descripción: Situación de aprendizaje en la que el estudiante de forma autónoma profundiza en el estudio de una materia para adquirir las competencias). 11. Situación de aprendizaje/evaluación en la que el alumno realiza alguna prueba que sirve para reforzar su aprendizaje y como herramienta de evaluación. Resultados de aprendizaje Los resultados de aprendizaje previstos para la materia, desglosados por asignaturas, son los siguientes: Asignatura: Conocer y comprender los principios de la termodinámica. Establecer el estado de un fluido simple compresible mediante el uso de tablas y software apropiado. Aplicar los conocimientos adquiridos a cambios de fase. Plantear balances energéticos en sistemas cerrados (masa de control) y abiertos (volumen de control). Establecer el análisis energético de algunos elementos simples como toberas, difusores, turbinas, compresores, etc. Comprender el concepto de entropía. Ser capaz de aplicar análisis de cambio de entropía. Derivar y aplicar ecuaciones para procesos isentrópicos. Establecer el análisis completo de ciclos de potencia de gas. Aplicar y comprender los ciclos de Otto, Diesel, Stirling y Ericsson. Comparar con el ciclo de Carnot. Ser capaz de aplicar y analizar el ciclo de Brayton. Comprender el concepto de eficiencia isentrópica en procesos de compresión y expansión. Recalcular ciclos con interenfriamiento, intercalentamiento y regeneración. Establecer el análisis completo de ciclos de potencia de vapor y combinados. Aplicar y comprender el ciclo de Rankine simple y con regeneración. Calcular ciclos de gas-vapor combinados.

8 Diseñar y analizar ciclos de refrigeración y bombas de calor. Comprender y aplicar las relaciones de Maxwell. Deducir ecuaciones generales para energía interna, entalpía, entropía y calores específicos tanto para comportamiento ideal como real. Establecer y aplicar metodologías de análisis en mezclas gaseosas. Analizar y aplicar el concepto de equilibrio químico en mezclas reactivas y no reactivas. Comprender el equilibrio químico en sistemas multifásicos no reactivos. Aplicar los conceptos de fugacidad y actividad. Utilizar métodos de obtención de coeficientes de fugacidad y actividad. Aplicar software de simulación en procesos termodinámicos Sistemas de evaluación El sistema de evaluación de la asignatura será como sigue: 1- El examen correspondiente a cualquier convocatoria de la asignatura Termodinámica química aplicada constará de una serie de cuestiones teórico prácticas sobre la materia impartida durante el cuatrimestre. Su puntuación será el 100 % de la nota final. 2- Dichas cuestiones se desarrollarán detallando en el examen los pasos que se siguen para llegar a los resultados que se reflejen. El no incluir dicha información puede dar lugar, a criterio del profesor, a invalidar la cuestión/problema evaluada. 3- El día del examen el alumno deberá estar provisto del material adecuado para la realización de cálculos, gráficos, así como de tablas y figuras necesarias para la resolución de las cuestiones teórico-prácticas. 4- La asignatura será superada cuando el alumno alcance el 50% de la nota máxima. A criterio del profesor, las actividades realizadas a lo largo del curso por parte del alumno podrán ser valoradas hasta un máximo del 10% de la nota final. 4- Los alumnos que se presenten a examen deberán mostrar el DNI en el día del examen Bibliografía y otros recursos Autor Smith, J. M. Titulo Introducción a la termodinámica en ingeniería química / J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott ; traducción, Edmundo G. Urbina Medal ; revisión técnica, José Clemente Reza García Publicac México,[etc.] : McGraw-Hill, cop Edicion 5ª ed.

9 Autor Morán, Michael J. Titulo Fundamentos de termodinámica técnica / M. J. Morán, H. N. Shapiro Ness ; [equipo de traducción. Jesús Guallar... (et al.) ; coordinador, José Antonio Turégano] Publicac Barcelona [etc.] : Reverté, 1996 Autor Cengel, Yunus A. Titulo Termodinámica / Yunus A.Cengel, Michael A.Boles ; traducción, Gabriel Nagore Cázares Publicac México [etc.] : McGraw-Hill, cop.1996 Edicion 5a.ed. Autor Howell, John R. Titulo Principios de Termodinámica para ingerniería / John R. Howell,Richard O. Buckius Publicac México : McGraw-Hill, 1990 Autor Balzhiser, Richard E. Titulo Termodinámica para ingenieros / Richard E. Balzhiser, Michael R. Samuels ; traducción de Jesús M. Castaño Publicac Englewood Cliffs : Prentice-Hall ; [Madrid : Dossat], cop Autor Rolle, Kurt C. Titulo Termodinámica / Kurt C. Rolle ; traducción Virgilio González y Pozo ; revisión técnica Armando Bravo Ortega...[et al.] Publicac Mexico: Pearson Educación, 2006 Edicion 6ª ed Autor Wark, Kenneth Titulo Termodinámica / Kenneth Wark, jr. Publicac Mexico [etc.] : McGraw-Hill, 2003 Edicion 6ª ed. Página web AVUEX. Página web asignatura: Horario de tutorías Tutorías de libre acceso: Hora Día Lugar Martes Despacho del profesor. Edif. Jose Luis Sotelo Jueves Despacho del profesor. Edif. Jose Luis Sotelo Viernes Despacho del profesor. Edif. Jose Luis Sotelo

10 Recomendaciones *La asistencia a clase es indispensable en materias con gran contenido físico-matemático como es el caso de la termodinámica. El trabajo de comprensión de la asignatura se realiza en gran medida en las clases. La no asistencia a dichas clases hace que el esfuerzo del alumno en el estudio personal se duplique. La tasa de éxito en asignaturas de esta índole está indudablemente ligada a las clases presenciales y la resolución de problemas propuestos. *A lo largo de la signatura el profesor resolverá varios ejemplos típicos de cada tema. Se propondrán más problemas con la solución para que el alumno pueda trabajar en casa, bien de forma individual o en grupo. Es conveniente realizar el máximo número de problemas con objeto de abarcar el mayor número posible de casos. *En la página web de la asignatura se ofrecen numerosos recursos didácticos (java applets, links de termodinámica, etc.) que pueden ser usados por el alumno para una mayor comprensión de la asignatura. *Las tutorías son una herramienta adicional para consultar dudas a lo largo del curso, el alumno no debería ceñirse a usarlas únicamente en las proximidades del examen.