1. INTRODUCCIÓN 1.1 INGENIERÍA

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1 1. INTRODUCCIÓN 1.1 INGENIERÍA Es difícil dar una explicación de ingeniería en pocas palabras, pues se puede decir que la ingeniería comenzó con el hombre mismo, pero se puede intentar dar un bosquejo general de la ingeniería como una profesión. La definición dada por el Accreditation Board for Engineering and Technology es: La ingeniería es la profesión mediante la cual se aplican racionalmente los conocimientos de las matemáticas y de las ciencias naturales, adquiridos por el estudio, la experiencia y la práctica, al desarrollo de métodos económicos de utilización de los materiales y las fuerzas de la naturaleza para beneficio de la humanidad. Se puede ampliar un poco más la definición y decir que los conocimientos que necesita aplicar racionalmente en la actualidad un ingeniero para llevar a cabo un buen desempeño abarcan muy diversas áreas ( además de las matemáticas y las ciencias naturales), dentro de las cuales podemos mencionar las ciencias de ingeniería (termodinámica, fenómenos de transporte, cinética), ciencias sociales y humanas (economía, historia, sociología), legislación y ética, entre otras. Pero como lo menciona la definición, estos conocimientos adquiridos por el estudio, alcanzaran su máxima utilidad en el ingeniero a medida que éste se enfrente a problemas cada vez más complejos, para cuya solución es necesario recurrir al conocimiento adquirido por medio de la experiencia y se requiere a menudo hacer gala de sentido común y creatividad. Con estos conocimientos anteriormente mencionados (y por supuesto con nuevos descubrimientos o teorías en esas áreas del conocimiento) y siempre teniendo en cuenta los recursos disponibles, el ingeniero puede crear, diseñar, operar y optimizar procesos que transformen dichos recursos con miras a obtener un producto (bien o servicio) que satisfaga alguna necesidad de la sociedad a la cual este producto será ofrecido. El ingeniero deberá por lo tanto estar atento no sólo a encontrar soluciones tecnológicamente factibles sino también a preguntarse si esa solución satisface las necesidades de la sociedad. Esto implica, por supuesto, que el ingeniero debe cuidar al máximo y en la medida de sus posibilidades que el proceso para llegar a un producto final afecte en la menor medida posible los recursos ambientales. En la figura 1.1 se presenta un esquema que resume la anterior exposición de la ingeniería como una profesión. 1

2 FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA CLÁSICA NO DESARROLLO CIENTÍFICO RECURSOS DISPONIBLES HERRAMIENTAS : - Matemáticas - Ciencia básica - Ciencia de ingeniería - Ciencias sociales y humanas - Legislación - Ética - Experiencia - Sentido común y creatividad DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN : - Procesos - Equipos - Optim. económica - Menejo del recurso ambiental - Menejo del recurso humano - Mercadeo y venta El producto puede satisfacer las necesidades de la sociedad? SI El producto entra a competir con otros ofrecidos a la sociedad Figura 1.1 Esquema de la ingeniería. 1.2 TERMODINÁMICA Como se mencionó anteriormente, la termodinámica hace parte de las herramientas que debe tener un buen ingeniero para su desempeño eficiente y puede considerarse dentro de esa perspectiva como un puente entre los conocimientos de las ciencias naturales y los conocimientos de las ciencias de ingeniería. La termodinámica nació como una forma de estudiar y comprender mejor dispositivos que producen energía mecánica a partir del calor (de allí su nombre, el cual significa: potencia obtenida a partir del calor) y no es extraño encontrar en los primeros libros sobre el tema definiciones como Termodinámica es la ciencia que trata de las relaciones entre calor y trabajo. En la actualidad, se considera a la termodinámica como un área con un mayor alcance y que se podría definir como: El estudio de las transformaciones energéticas y las restricciones a estas transformaciones mediante la observación y medición de propiedades macroscópicas de las sustancias en condiciones de equilibrio o cerca de éste. Algunas de las palabras claves de esta definición como energía, propiedad, sustancia y equilibrio, se explicarán y definirán con mayor detalle posteriormente. Por ahora se puede decir que el análisis de estas transformaciones descansa en unos postulados o leyes (llamadas las leyes de la termodinámica) que no se han demostrado matemáticamente sino que su validez esta basada en la experiencia recogida por la humanidad durante años de observación de la naturaleza. Dentro 2

3 de las restricciones que impone la termodinámica, no se ha encontrado ningún proceso que no cumpla con los postulados y es claro que ellos serán válidos mientras no se hallen procesos o situaciones que los contradigan, momento en el cual será la hora de desarrollar una nueva teoría. En la definición también se habla de un enfoque macroscópico (a gran escala) de la observación de la naturaleza. Este enfoque, llamado termodinámica clásica, no considera los cambios ni procesos que ocurren a escala microscópica o molecular y es claro que al estudiar los efectos globales no es necesario tener un modelo de la estructura atómica de las sustancias y por lo tanto los nuevos descubrimientos o teorías en este campo no modifican la validez de los postulados de la termodinámica. La estructura de la termodinámica clásica es relativamente simple debido a que sus conceptos son mas fácilmente aceptables intuitivamente y a que las matemáticas involucradas en su estudio no contienen mayor complejidad o nivel de abstracción, esta estructura simple involucra alguna desventaja: aunque por medio de la termodinámica clásica se pueden predecir las relaciones entre las propiedades de las sustancias, no puede mostrar porque tales relaciones tienen una forma particular. Afortunadamente, en la mayoría de las aplicaciones de ingeniería es más importante conocer los efectos globales que tener un conocimiento detallado de lo que ocurre a nivel atómico. En situaciones donde el enfoque macroscópico no es adecuado (como por ejemplo cuando se hacen estudios de sustancias a alta temperatura y presión en procesos de generación de energía magnetohidrodinámica), se debe emplear un estudio basado en el comportamiento estadístico de gran número de partículas (grupos del orden de o superiores). Este enfoque, llamado termodinámica estadística, requiere de un modelo de la estructura de las sustancias y combina técnicas de cálculo estadístico y teoría de probabilidades con conocimientos de teoría cuántica. Por esto las matemáticas requeridas por la termodinámica estadística son bastante más complejas que las requeridas por la termodinámica clásica, pero esta complejidad se ve recompensada por la posibilidad de predecir y explicar el comportamiento macroscópico de la materia. Como se mencionó anteriormente, la mayoría de los problemas de ingeniería solamente requieren de un análisis del efecto global de los procesos sobre las sustancias, es por eso que la presentación de la termodinámica en este libro tendrá esencialmente un enfoque clásico, el cual permite soluciones a menudo más simples y una más fácil comprensión e interpretación de los resultados obtenidos. En la definición de termodinámica se dice que los estudios se hacen entre estados de equilibrio (o cerca del equilibrio), esto quiere decir que sólo se consideran las características o propiedades de las sustancias antes y después de un proceso de cambio y no durante dicho proceso ni se estudia el mecanismo o la velocidad a la cual se lleva a cabo la transformación. O en otras palabras, la termodinámica 3

4 FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA CLÁSICA puede predecir lo que va a ocurrir en un caso determinado, pero no dirá nada acerca de la velocidad a la que ocurrirá ni cual es el mecanismo involucrado. 1.3 MÉTODO DE LA TERMODINÁMICA Para el estudio de procesos de transformación energética la termodinámica ha desarrollado un método claro y un modo de obrar que permite, como ya se dijo, soluciones relativamente simples a problemas reales de ingeniería. Este método de análisis termodinámico se puede resumir en lo siguiente: - Análisis de las diferentes formas de energía que pueden estar involucradas en un proceso particular. - Conocimiento de las propiedades de las sustancias que están relacionadas con los procesos de transformación energética. - Determinación de la forma de medir estas propiedades y búsqueda de las relaciones que permitan asociar propiedades de difícil medición con otras cuya medición pueda ser más directa o sencilla. - Evaluación de la eficiencia de la transformación energética que ha tenido lugar. Para ilustrar este método con un ejemplo considere el dispositivo mostrado en la figura 1.2 (una máquina térmica). Gases de combustión 1 Cámara de combustión Calor Evaporador Turbina Trabajo Generador eléctrico 4 2 Combustibles Trabajo Bomba 3 Condensador Calor Figura 1.2 Máquina térmica para la producción de energía eléctrica. 4

5 El principal objetivo de esta máquina térmica es transformar energía química del combustible en la cámara de combustión (petróleo, carbón, gas, etc.) en energía eléctrica. Por esta máquina circula una sustancia (llamada comúnmente sustancia de trabajo) que será la encargada de recibir y entregar los flujos energéticos involucrados y sufrirá cambios en sus propiedades a medida que pasa por cada uno de los equipos. Por medio de la determinación de las propiedades de la sustancia en los puntos 1, 2, 3 y 4 (condiciones anteriores y posteriores de la sustancia en cada uno de los equipos) y un análisis termodinámico, se puede establecer cuanta de la energía entregada a la sustancia de trabajo en la cámara de combustión se convirtió realmente en energía eléctrica, así como la magnitud de los diferentes flujos energéticos involucrados en todo el proceso. Cabe resaltar que la cuantificación de los flujos energéticos dependerá sólo del valor de las propiedades de la sustancia de trabajo en cada punto y no de la naturaleza de la sustancia utilizada (esta característica tan importante, será explicada con mayor detalle en capítulos posteriores). Por último, cabe anotar que los resultados que se pueden obtener de un análisis termodinámico de una situación en particular dependen en gran medida de la confiabilidad de los datos que están disponibles. Es decir, que a medida que los datos de las propiedades de las sustancias sean determinados con mayor exactitud se obtendrán resultados (por medio de análisis termodinámicos) más ajustados a la realidad, por esto en la actualidad la consecución de datos más confiables de las propiedades y la búsqueda de mejores relaciones entre ellas es uno de los campos de mayor actividad investigativa. 5

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