INGENIEROS INDUSTRIALES

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1 ASIGNATURA: TERMODINÁMICA APLICADA CÓDIGO: 4015 DEPARTAMENTO: INGENIERÍA QUÍMICA Y NUCLEAR ÁREAS DE CONOCIMIENTO: MÁQUINAS Y MOTORES TERMICOS E INGENIERÍA QUÍMICA Y NUCLEAR DESCRIPTORES DEL BOE: Aplicaciones del equilibrio químico. Estimación de propiedades. Curso: 3A Troncal Créditos: 7.0 OBJETIVOS GENERALES El contenido global de la asignatura debe reflejar cómo la Termodinámica, a partir de unos principios generales formulados rigurosamente y con una estructura lógica, brinda importantes conclusiones de aplicación directa a diversas situaciones industriales y tecnológicas. Nº 1 2 CONTENIDOS BÁSICOS DE LA ASIGNATURA. CAPACIDADES Y DESTREZAS Nombre y breve descripción de cada Unidad Temática. Destrezas que en ellas se deben adquirir (aprender y saber hacer). Comportamiento general de gases y líquidos. Propiedades pvt de sustancias puras Estudiar de forma cualitativa y cuantitativa, sobre las superficies pvt, el comportamiento de las sustancias puras, principalmente gases y líquidos. Saber valorar la información que contienen las tablas y los gráficos termodinámicos. Aprender a dibujar procesos iso- (isotermos, isócoros, isóbaros etc.) sobre los gráficos termodinámicos. Entender el concepto de presión de vapor sobre líquidos. Estudiar el comportamiento de los sistemas cuando se produce una co-existencia bifásica o trifásica. Definir los conceptos de ecuación de estado y coeficientes térmicos. Elegir la ecuación de estado más adecuada para la aplicación concreta en función de la precisión y la complejidad del cálculo. Destacar la importancia de las coordenadas generalizadas. Distinguir el grado de precisión de los diagramas generalizados. Destacar la utilidad de las coordenadas generalizadas para la resolución de problemas prácticos. Obtener correlaciones generalizadas para distintas magnitudes de interés en ingeniería. Interacciones del sistema con su entorno. Primera y Segunda Ley de la Termodinámica Destacar la naturaleza transitoria del Calor. Definir los conceptos de capacidad térmica, coeficientes calorimétricos y ecuaciones generales de las adiabáticas. Definir el concepto de trabajo termodinámico y extender dicho concepto a cualquier sistema físico que pueda ser estudiado bajo el punto de vista termodinámico. Formular la Primera Ley de la Termodinámica. Aplicar la Primera Ley para analizar las interacciones energéticas del entorno con sistemas cerrados formados por sustancias puras. Definir las funciones de estado Energía Interna y Entalpía. Estudiar su dependencia de las variables de estado. Aprender a realizar balances de energía en sistemas cerrados. Suministrar al alumno los elementos básicos necesarios que le permitan realizar balances de masa y energía en procesos o instalaciones de tipo industrial. Introducir la Termoquímica como una aplicación de la Primera Ley de la Termodinámica. Revisar y completar los conceptos de Termoquímica que los alumnos ya han adquirido de otras asignaturas de cursos anteriores. Describir las limitaciones de la Primera Ley y la necesidad de introducir una Segunda Ley. Estudiar el Ciclo de Carnot. Analizar distintas formulaciones de la Segunda Ley.

2 3 4 Definir la escala termodinámica de temperaturas. Obtener la función Entropía y enunciar la Segunda Ley en función de la misma. Establecer la relación entre la Entropía y el grado de irreversibilidad. Deducir y aplicar las expresiones explícitas que den cuenta de la dependencia de la Entropía con la presión, el volumen y la temperatura. Sentar las bases que permitan analizar los sistemas y los procesos termodinámicos bajo el punto de vista de la Primera y Segunda Ley. Expresar en una sola ecuación las dos primeras Leyes de la Termodinámica. Definir las funciones termodinámicas Energía Libre de Gibbs y Helmholtz, poniendo de manifiesto su significado físico y su carácter de potencial termodinámico, del mismo modo que lo es la Energía Interna y la Entalpía. Establecer las relaciones funcionales entre todas las variables termodinámicas. Calcular las propiedades termodinámicas de las sustancias reales mediante las ecuaciones de estado y las correlaciones generalizadas. Termodinámica aplicada a las máquinas y los procesos térmicos El funcionamiento teórico y técnico de una máquina térmica es un conocimiento necesario en la formación de cualquier ingeniero. Motores alternativos. Etapas de funcionamiento de los motores alternativos de combustión interna de cuatro y dos tiempos. Motor de ignición por chispa y compresión. Diagrama indicador. Diagrama idealizado. Modelado de los procesos reales mediante procesos cíclicos recorridos por un gas perfecto. Ciclos Otto, Diesel y Dual. Turbinas de gas. Descripción general de las instalaciones de turbinas de gas. Elementos de la instalación. Clasificación de las turbinas de gas. Modelado del proceso con un ciclo recorrido por un gas perfecto. Ciclo ideal Joule-Brayton. Rendimiento térmico. Efecto de las irreversibilidades en turbina y compresor. Análisis energético del ciclo Joule-Brayton irreversible. Trabajo real del compresor, turbina. Mejoras del rendimiento del ciclo. Regeneración. Turbinas de vapor. Descripción general de las turbinas de vapor. Elementos de la instalación. Ciclo Rankine ideal. Análisis termodinámico. Irreversibilidades del ciclo real. Análisis energético. Criterios generales para la mejora del rendimiento. Regeneración en los ciclos de vapor. Tipos de intercambiadores. Optimización del número y posición de los intercambiadores. Producción conjunta de calor y trabajo. Cogeneración. Máquinas de refrigeración. La máquina frigorífica de compresión mecánica simple de vapor. El ciclo Rankine inverso. Coeficiente de funcionamiento. Características fisicoquímicas de los refrigerantes. Efecto de las propiedades del refrigerante en el rendimiento del ciclo. Análisis energético del ciclo Rankine inverso. Instalaciones frigoríficas de absorción. Ciclo de absorción simple. Enfriamiento Joule-Thomson. Curva de inversión. Licuefacción de gases. Análisis energético del proceso Linde. Proceso Linde en cascada. Aire Húmedo. Características del aire húmedo. Comportamiento termodinámico del aire húmedo. Procesos de saturación adiabática. Psicrómetros.Diagrama psicométrico. Acondicionamiento de aire. Torres de refrigeración. Estudio termodinámico de sistemas multicomponentes - Destacar la importancia de la Termodinámica de sistemas multicomponentes en la Ingeniería Química. - Mostrar las diversas formas de expresar la composición de un sistema y establecer las relaciones que existen entre ellas. - Determinar el número mínimo de componentes y reacciones químicas necesarias para definir un sistema, bajo el punto de vista termodinámico. - Obtener las ecuaciones fundamentales de la Termodinámica para sistemas multicomponentes - Introducir el concepto de potencial químico. Destacar que el potencial químico tiene un carácter de fuerza en su sentido más general. - Definir el concepto de fugacidad. - Calcular la fugacidad para sustancias puras y establecer su dependencia con la temperatura y la presión. - Establecer las expresiones explícitas que definen el potencial químico de un componente en una mezcla, tanto perfecta como real y permitan su cálculo, a partir de los datos pvt.

3 5 6 - Deducir las funciones termodinámicas de mezcla de un sistema multicomponente, a partir del potencial químico de cada componente en la mezcla. - Definir la fugacidad y el coeficiente de fugacidad de cada componente en la mezcla y de la propia mezcla, estableciendo las relaciones entre ellas. - Calcular las variaciones de cada una de ellas con la temperatura y la presión. - Definir que es una disolución ideal. Conocer las propiedades singulares de las disoluciones ideales de Henry y Lewis-Randall. - Deducir la ley de Raoult como modelo de disolución ideal. - Deducir la expresión matemática que definirá el modelo de potencial químico y la fugacidad para cada componente en cada una de las disoluciones ideales. - Definir los conceptos de actividad y coeficiente de actividad y estudiar la variación de estos con la temperatura y la presión. - Describir los distintos métodos que permiten el calcular los coeficientes de actividad y la actividad a partir de los datos experimentales. - Definir las Funciones Termodinámicas de Exceso como otra medida de la discrepancia entre el comportamiento real de mezclas. - Explicar los modelos empíricos más usados en ingeniería para describir dichas funciones termodinámica. Sistemas en equilibrio de fases - Establecer los criterios de equilibrio y estabilidad para los sistemas heterogéneos unicomponentes. - Estudiar los cambios de fase en sistemas bifásicos o/y trifásicos, justificando su denominación como transiciones de primer orden. - Deducir, a partir de las condiciones de equilibrio entre fases, las expresiones que describan la pendiente de la curva de coexistencia entre dos fases de una misma sustancia. - Obtener las condiciones de equilibrio líquido-vapor en función de la temperatura, presión y composición de cada fase. - Obtener, mediante las simplificaciones oportunas, la ley de Raoult, a partir de la condición de equilibrio de fases. - Describir los diagramas de equilibrio líquido-vapor. - Construir, a partir de la ley de Raoult, los diagramas presión-composición y temperaturacomposición - Mostrar los efectos de las desviaciones del comportamiento ideal sobre los diagramas de equilibrio líquido-vapor. - Dibujar los diagramas de equilibrio temperatura-composición y presión-composición para mezclas binarias reales. - Explicar el fundamento termodinámico de la destilación. - Estimar el diagrama de equilibrio líquido-vapor para aquellos sistemas en los que es difícil o imposible obtenerlos experimentalmente. - Describir el significado de los diagramas de equilibrio líquido-líquido. - Estudiar las condiciones para la separación de fases líquidas. - Estudiar la disolución de gases en líquidos. - Describir empíricamente los diagramas sólido-líquido y sólido-sólido y destacar su utilidad práctica. Termodinámica aplicada a los sistemas de composición variable: equilibrio de reacciones químicas - Ampliar los criterios de equilibrio para el caso de sistemas heterogéneos multicomponentes y reactivos. - Ampliar los criterios de estabilidad para el caso de sistemas heterogéneos multicomponentes y reactivos. - Aplicar el criterio general de equilibrio al caso particular de las reacciones químicas. - Deducir la expresión de la constante de equilibrio de una reacción química. - Estudiar las variaciones de la constante de equilibrio con la temperatura. - Aprender a calcular las concentraciones de equilibrio para sistemas homogéneos cuyo comportamiento es no ideal. - Predecir el sentido de evolución de una reacción química al modificar la temperatura, la presión o la concentración de cualquier componente del sistema bien sea reactivo o inerte. - Aprender a calcular las concentraciones de equilibrio en sistemas heterogéneos cuyo comportamiento es no ideal o cuando se producen reacciones simultáneas.

4 - Estudiar las pilas electrolíticas mediante un tratamiento termodinámico riguroso. - Mostrar el fundamento y los métodos experimentales para la medida de la fuerza electromotriz. - Aprender a calcular la dependencia de la fuerza electromotriz con la temperatura y concentración. BIBLIOGRAFÍA BÁSICA - Cuadernos Guía elaborados para la asignatura - Introducción a la Termodinamica en Ingenieria Química. Smith-Van Neess. McGraw-Hill. - Introductory Chemical Engineering Thermodynamics. J.R.Elliott, C.T.Lira.Prentice Hall - Fundamentos de Termodinámica Técnica Tomo I y II. M J. Moran, Howard N. Shapiro Editorial Reverté S.A - Termodinamica Tomo I y II. Yunus A. Cengel, Michael A. Boles. Segunda Edición. McGra-Hill. - The Properties of gases and liquids. Reid-Prausmitz-Sherwood.McGraw-Hill. - R.W.Haywood. Analysis of Engineering Cycles. Pergamon Press. Oxford.1980, su traducción castellana. Análisis Termodinámico de Plantas Eléctricas en Unidades S.I o su Edición más reciente Ciclos Termodinámicos de Potencia y Refrigeración. Lumisa PROFESOR RESPONSABLE AMPARO RIBES GREUS PRÁCTICAS DE LABORATORIO O INFORMÁTICAS (Título y duración) En el proyecto curricular de la titulación, esta asignatura representa el contenido teórico de los conocimientos termodinámicos que los estudiantes deben adquirir. Los conocimientos prácticos en el laboratorio de esta asignatura están contenidos en dos asignaturas distintas de carácter totalmente experimental Experimentación en Ingeniería Química Equilibrios Aplicados a la ingeniería Química. Las tres asignaturas se refuerzan mutuamente y permiten, de una forma global, adquirir los conocimientos básicos en Termodinámica. DISTRIBUCIÓN DE LOS CRÉDITOS SEGÚN EL MÉTODO DE ENSEÑANZA-APRENDIZAJE EMPLEADO Créditos actuales Horas de trabajo Metodología de enseñanza-aprendizaje / Horas docentes del alumno Clase magistral 3.50 / 35 h 35 h Resolución de problemas y casos 3.50 / 35 h 35 h Prácticas de laboratorio - - Prácticas de campo - - Prácticas externas - - Tutorías (120 horas / semestre) 1.5 h estimadas Exposición oral del estudiante - 1 h Actividades en grupo - 26 h Trabajos escritos, proyectos. Preparación previa - 10 h Otras. Preparación y realización de exámenes h Total créditos impartidos / Horas 7.00 créditos = 5.60 ECTS 168 horas de trabajo / 70 horas docentes del alumno DISTRIBUCIÓN DE LOS CRÉDITOS SEGÚN LOS RECURSOS DIDÁCTICOS EN QUE PARTICIPA EL PROFESOR Recursos didácticos Créditos actuales Pizarra 3.50 Proyector de diapositivas o transparencias 3.50 Ordenador y cañón - Intranet de materias - Videoconferencias - Laboratorio - Aulas informáticas -

5 Otros - Total créditos impartidos 7.00 DISTRIBUCIÓN DE LA NOTA FINAL SEGÚN EL MÉTODO DE EVALUACIÓN EMPLEADO Métodos de evaluación Porcentaje de la nota final Prueba escrita 85% Prueba oral 0% Exposición 10% Prácticas 5% Métodos de evaluación de habilidades clínicas o 0% asistenciales Trabajos 0% Otros 0% Total nota final 100% Ingeniero Químico / Fecha de la última actualización: Observaciones / Condicionantes requeridos: Relación con contenidos de otras asignaturas dentro del propio curso o en la propia área de conocimiento: Dentro de la propia área de conocimiento la asignatura de Termodinámica Aplicada esta en la base, da fundamento y justifica otro tipo de asignaturas innovadoras de carácter totalmente experimental:(experimentación en Ingeniería Química -la parte correspondiente a Termodinámica- y Equilibrios aplicados a la Ingeniería Química). Estas asignaturas si se imparten correctamente fundamentadas mediante la asignatura de Termodinámica Aplicada proporcionan un tipo de aprendizaje que ocurre a través de la exploración activa o aprendizaje por la acción. Estas nuevas metodologías pueden ayudar a los alumnos a aprender más eficazmente probando hipótesis, y desarrollando estrategias útiles para aprender a aprender. Dentro del mismo curso La asignatura de Termodinámica Aplicada podría establecer experiencias educativas comunes con las asignaturas de: Ecuaciones diferenciales, Operaciones básicas, todas las asignaturas del área de Química Recursos materiales (aulas, aulas informáticas, laboratorios, equipos audiovisuales): Disposición especial del mobiliario del aula para poder formar grupos de trabajo. Condicionantes requeridos para la implantación de nuevas metodologías (tamaño de grupo, recursos humanos y materiales,...): El número de alumnos por grupo no debería ser superior a 40 alumnos