FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA BIOQUÍMICA. PRE: Ecuaciones diferenciales, Fundamentos de Físico química.

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1 FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA BIOQUÍMICA Código-Materia: Requisito: TERMODINÁMICA I PRE: Ecuaciones diferenciales, Fundamentos de Físico química. Programa Semestre: Ingeniería Bioquímica Semestre V Período académico: Intensidad semanal: 4 horas semanales. Créditos: 3 Descriptor: La asignatura de Termodinámica I brinda al estudiante la capacidad de incluir los principios y conceptos fundamentales de la termodinámica clásica para explicar fenómenos físicos asociados a sistemas (compresores, calefacción, refrigeración, turbinas, energías alternativas, combustión) y procesos (destilación, fermentación, biodigestores, etc.) dados en el ejercicio de la ingeniería bioquímica. OBJETIVOS General Con los conceptos termodinámicos fundamentales y la aplicación de la primera y segunda leyes de la termodinámica tanto para sistemas cerrados como de flujo, los estudiantes podrán calcular los requerimientos de energía en varias aplicaciones de interés para la ingeniería bioquímica (flujo de fluidos, generación de potencia, refrigeración, aire acondicionado) y hacer un uso eficiente de la misma, evaluando la eficiencia energética de dichas aplicaciones y sus impactos sobre el medioambiente y la sociedad. Terminales: Al finalizar el semestre el estudiante estará en capacidad de: Calcular propiedades termodinámicas de los gases tanto ideales como reales y de las sustancias puras, mediante distintos métodos. Calcular requerimientos energéticos de equipos y procesos utilizando la primera ley de la Termodinámica. Estimar tanto la eficiencia como viabilidad energética de equipos y procesos empleando el balance de entropía y segunda ley de la Termodinámica. Termodinámica I. Departamento Ingeniería Bioquímica. 1

2 Plantear y resolver balances de exergía en sistemas cerrados, volúmenes de control y ciclos para evaluar su irreversibilidad. Reconocer el impacto ambiental de las ineficiencias e irreversibilidades de sistemas y procesos. Entender el contexto termodinámico de las energías renovables provenientes de transformaciones bioquímicas. Específicos Unidad 1. Sistemas termodinámicos.. Definir el concepto de energía y sus diversas formas de transferencia. Describir el estado termodinámico de un sistema y sus propiedades tanto intensivas como extensivas. Evaluar propiedades termodinámicas mediante el software TEST. Unidad 2. Balances de masa, energía y entropía en sistemas cerrados estacionarios. Definir la ecuación general de balance para una propiedad conservativa. Aplicar las ecuaciones de balance de masa y energía a un sistema cerrado estacionario. Definir los conceptos de entropía y reversibilidad y aplicar la ecuación de balance de entropía a un sistema cerrado estacionario. Definir la segunda ley de la termodinámica, aplicada a sistemas cerrados estacionarios. Definir los conceptos de máquina térmica, refrigerador y bomba de calor. Aplicar balances de masa, energía y entropía a dispositivos cíclicos. Introducir el concepto de eficiencia térmica. Unidad 3. Evaluación de Propiedades de las sustancias. Definir el postulado de estado. Termodinámica I. Departamento Ingeniería Bioquímica. 2

3 Definir el concepto de calidad aplicado a sistemas bifásicos. Bosquejar estados y procesos en diagramas P-T, P-v y T-v, y en superficies P-v-T Utilizar ecuaciones de estado (ideal y real) para evaluar propiedades de gases. Utilizar modelos matemáticos para evaluar propiedades de mezclas. Comprender el uso de las ecuaciones diferenciales exactas que involucran propiedades termodinámicas de las sustancias. Utilizar el software TEST para evaluar propiedades de sustancias puras, gases y mezclas. Unidad 4. Balance de masa, energía y entropía en sistemas abiertos. Definir sistemas no estacionarios y transitorios. Aplicar las ecuaciones de balance de masa, energía y entropía a un sistema abierto. Definir el concepto de sistema internamente reversible. Analizar dispositivos y sistemas comunes de flujo permanente por medio de la primera y segunda ley de la termodinámica. Distinguir y aplicar los conceptos de eficiencia energética y reversibilidad. Analizar procesos isotérmicos, isoentrópicos y politrópicos por medio de la primera y segunda ley de la termodinámica. Aplicar balances de masa, energía y entropía a los procesos generales de flujo inestable, con especial énfasis en el proceso de flujo uniforme. Unidad 5. Balance de exergía. Definir y calcular la exergía y sus cambios. Definir los conceptos de trabajo útil, trabajo reversible y eficiencia exergética. Aplicar balances de exergia a sistemas cerrados y a volúmenes de control en estado estacionario. Termodinámica I. Departamento Ingeniería Bioquímica. 3

4 Unidad 6. Ciclos de potencia Explicar los principios básicos de las plantas de potencia con gas y vapor. Realizar análisis de primera y segunda ley de la termodinámica para las plantas de potencia con gas y con vapor. Aplicar balances de exergia a ciclos de potencia con gases y vapor. Unidad 7. Ciclos de refrigeración Explicar los principios básicos de las plantas de refrigeración. Realizar análisis de primera y segunda ley de la termodinámica para las plantas de refrigeración. Aplicar balances de exergía a ciclos de refrigeración. Unidad 8. Energías renovables Reconocer el panorama energético actual. Comprender la importancia de las energías renovables provenientes de transformaciones bioquímicas en el contexto energético mundial. Entender el contexto termodinámico de las energías renovables CONTENIDO TEMÁTICO Unidad 1. Sistemas termodinámicos: propiedades y estados 1.1 Sistemas termodinámicos y el entorno 1.2 Energía: trabajo y calor 1.3 Formas de transferencia de calor 1.4 Estados termodinámicos 1.5 Propiedades intensivas y extensivas 1.6 Introducción al software TEST y evaluación de propiedades. Unidad 2. Balance de masa, energía y entropía en sistemas cerrados estacionarios 2.1 Sistema estacionario y no estacionario 2.2 Ecuación general de balance 2.3 Ecuación de balance de masa Termodinámica I. Departamento Ingeniería Bioquímica. 4

5 2.4 Ecuación de balance de energía 2.5 Primera ley de la termodinámica 2.6 Ecuación de balance de entropía 2.7 Segunda ley de la termodinámica 2.8 Dispositivos cíclicos y eficiencia Unidad 3. Evaluación de Propiedades de las sustancias 3.1 Postulado de estado 3.2 Sustancias puras 3.3 Diagramas de fase 3.4 Estados saturado, sobrecalentado y subenfriado 3.5 Determinación de estados y propiedades con TEST 3.6 Gas ideal y gas real. Ecuaciones de estado 3.7 Mezclas 3.8 Relaciones de Maxwell. Unidad 4. Balance de masa, energía y entropía en sistemas abiertos 4.1 Ecuaciones de balance de masa, energía y entropía 4.2 Sistemas internamente reversibles. 4.3 Toberas y difusores 4.4 Turbinas 4.5 Compresores, ventiladores y bombas 4.6 Válvulas 4.7 Dispositivos de carga y descarga 4.8. Acondicionamiento del aire. Unidad 5. Balance de exergía en sistemas estacionarios y no estacionarios. 5.1 Ecuación del balance de exergía 5.2 Trabajo útil y reversible 5.3 Balance de exergía en sistemas cerrados 5.4 Balance de exergía en sistemas abiertos 5.5 Eficiencia exergética de dispositivos cíclicos Unidad 6. Ciclos de potencia 6.1 Máquina y ciclo de Carnot 6.2 Ciclos de aire estándar. 6.3 Ciclo Rankine ideal 6.4 Ciclo Rankine con recalentamiento y regeneración 6.5 Ciclos de potencia combinados Unidad 7. Ciclos de refrigeración 7.1 Refrigeradores y bombas de calor 7.2 Ciclo de Carnot inverso 7.3 Ciclo de refrigeración por compresión Termodinámica I. Departamento Ingeniería Bioquímica. 5

6 7.4 Ciclo de refrigeración por absorción 7.5 Ciclo de refrigeración por gas Unidad 8. Energías renovables 9.1 Definición y clasificación 9.2 Fuentes de biomasa 9.3 Biocombustibles METODOLOGÍA Adhiriéndose el modelo educativo de la Universidad Icesi, se cuenta con una participación activa del estudiante en construir su conocimiento con la guía de la información suministrada. Las sesiones tienen como objetivo la revisión y unificación de conceptos, la creación de ambientes de aprendizaje mediante la realización de ejercicios prácticos que permitan verificar el logro de los objetivos de aprendizaje y la resolución de dudas. Se apoyará la bibliografía básica de la asignatura, con la utilización de software de simulación de sistemas y procesos termodinámicos. Se expondrán ejemplos prácticos de aplicación de la termodinámica en la ingeniería bioquímica. Actividades del estudiante Antes de la clase: Construir su conocimiento respecto a los temas de la asignatura programados para las sesiones de estudio. Una guía la constituyen los objetivos de aprendizaje planteados y el material de estudio suministrado por el docente. Durante la clase: Evidenciar la construcción de su conocimiento mediante la participación activa en las discusiones y reflexiones respecto a los temas de estudio, expresando sus inquietudes y asegurándose de resolverlas. Trabajar colaborativamente en las actividades grupales desarrolladas. Después de la clase: Profundizar en los temas vistos durante las sesiones, recurriendo a fuentes de información disponibles. Esto le permitirá identificar dudas a resolver y temas a reforzar. EVALUACIÓN La evaluación se realizará de manera continua, obteniendo información oportuna de retroalimentación para aplicar los correctivos a que haya lugar en el proceso de enseñanza aprendizaje y estimular al alumno al estudio constante de la asignatura durante el semestre. Termodinámica I. Departamento Ingeniería Bioquímica. 6

7 Exámenes Porcentaje Semana de realización Parcial 1 20% 5 Parcial 2 20% 10 Parcial 3 20% 14 Examen final 20% 18 Talleres- Tareas-quizes 12% Durante todo el semestre Trabajo integrador. 8% Total 100% BIBLIOGRAFIA Texto Guía: BHATTACHARJEE, Subrata. Termodinámica. México: Pearson Educación, Otros textos: MORAN, Michael J.; SHAPIRO, Howard N. Fundamentos de Termodinámica Técnica. 2ª ed. Barcelona: Editorial Reverté, ÇENGEL, Yunus; BOLES, Michael A. Termodinámica. 6ª ed. México: McGraw-Hill, VAN WYLEN, Gordon J.; SONTAG, Richard E.; BORGNAKKE, Claus. Fundamentos de Termodinámica. 2ª ed. México: Limusa-Wiley, JONES, J. B.; DUGAN, R. E. Ingeniería Termodinámica. México: Prentice-Hall, WARK, Kenneth Jr.; RICHARDS, Donald E. Termodinámica. 6ª Ed. México: McGraw-Hill, Termodinámica I. Departamento Ingeniería Bioquímica. 7

8 CRONOGRAMA POR SESIONES Sesión Temas Unidad 1 Presentación del curso: objetivos, contenido, formas de avaluación. Sistemas termodinámicos y el entorno. 1 Bhattacharjee cap. 0 2 Energía: trabajo y calor. Formas de transferencia de calor. Estados termodinámicos. 1 Bhattacharjee cap. 0, cap Propiedades intensivas y extensivas. Introducción al software TEST y evaluación de propiedades. 1 Bhattacharjee cap Sistema estacionario y no estacionario. Ecuación general de balance. Ecuación de balance de masa. Ecuación de balance de energía. 2 Bhattacharjee cap Primera ley de la termodinámica. Ecuación de balance de entropía. 2 Bhattacharjee cap Segunda ley de la termodinámica. 2 Bhattacharjee cap Dispositivos cíclicos y eficiencia. 2 Bhattacharjee cap Postulado de estado. Sustancias puras. Diagramas de fase. Estados saturado, sobrecalentado y subenfriado. 3 Bhattacharjee cap Determinación de estados y propiedades con TEST. 3 Bhattacharjee cap Primer Examen Parcial Termodinámica I. Departamento Ingeniería Bioquímica. 8

9 11 Gas ideal y gas real. Ecuaciones de estado. 3 Bhattacharjee cap Mezclas. 3 Bhattacharjee cap Ecuaciones de balance de masa, energía y entropía para sistemas abiertos. Sistemas internamente reversibles. 4 Bhattacharjee cap Toberas y difusores. Turbinas. Compresores, ventiladores y bombas. 4 Bhattacharjee cap Válvulas. Dispositivos de carga y descarga. Acondicionamiento del aire. 4 Bhattacharjee cap. 4.2, cap Ecuación del balance de exergía. Trabajo útil y reversible. 5 Bhattacharjee cap Balance de exergía en sistemas cerrados. 5 Bhattacharjee cap Balance de exergía en sistemas abiertos. 5 Bhattacharjee cap Eficiencia exergética de dispositivos cíclicos. 5 Bhattacharjee cap Segundo Examen Parcial 21 Máquina y ciclo de Carnot. 6 Bhattacharjee cap Ciclos de aire estándar. 6 Bhattacharjee cap Ciclo Rankine ideal. 6 Bhattacharjee cap Ciclo Rankine con recalentamiento y regeneración. 6 Bhattacharjee cap Ciclos de potencia combinados. 6 Bhattacharjee cap Termodinámica I. Departamento Ingeniería Bioquímica. 9

10 26 Refrigeradores y bombas de calor. Ciclo de Carnot inverso. Ciclo de refrigeración por compresión. 7 Bhattacharjee cap Ciclo de refrigeración por absorción. Ciclo de refrigeración por gas. 7 Bhattacharjee cap Tercer Examen Parcial 29 Definición y clasificación. Energías alternativas. 8 Çengel/Boles cap Fuentes de biomasa. Biocombustibles. 8 Çengel/Boles cap Presentaciones Trabajo Integrador 32 Presentaciones Trabajo integrador 33 Examen Final. Termodinámica I. Departamento Ingeniería Bioquímica. 10