Guía Docente de Termodinámica Aplicada

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1 Guía Docente de Termodinámica Aplicada 1 er Curso del Grado de Biotecnología 1. Identificación De la asignatura Del profesorado Presentación Conocimientos previos Competencias Contenidos Metodología docente y estimación del volumen de trabajo del estudiante Metodología docente Estimación del volumen de trabajo del estudiante (ECTS) Temporalización o cronograma Evaluación Bibliografía recomendada

2 Universidad de Murcia Curso Académico 2010/11 Facultad de Biología Titulación: Grado de Biotecnología 1.- Identificación De la asignatura: Nombre de la asignatura Termodinámica Aplicada Código 3254 Curso 1º Tipo Obligatoria Créditos ECTS 6 Estimación del volumen de trabajo del alumno Créditos ECTS x 25 = 150 horas Duración Idiomas en que se imparte Cuatrimestral, 2º cuatrimestre Castellano Del profesorado: Nombre y Apellidos Área / Departamento Despacho y Facultad dónde se ubica. Teléfono Correo electrónico y página web Horario de atención al alumnado Antonio Bódalo Santoyo Ingeniería Química 2º Escalera Planta 1 Facultad de Química abodalo@um.es Lunes a Miércoles de 17 a 19 h Gómez José Luis Gómez Carrasco (coord.) Ingeniería Química Ingeniería Química 2º Escalera Planta 1 Facultad de Química 2º Escalera Planta 1 Facultad de Química egomez@um.es carrasco@um.es Lunes a Miércoles de 17 a 19 h Lunes a Miércoles de 17 a 19 h - 2 -

3 2.- Presentación La Termodinámica es la ciencia que estudia el comportamiento macroscópico de la materia y su interacción con la energía, a través de la aplicación de los Principios Termodinámicos y las Leyes de Conservación. El conocimiento de estos principios y de las principales funciones termodinámicas relacionadas con los mismos, permite conocer y analizar el sentido de los procesos naturales y/o artificiales, suministrando criterios para establecer la espontaneidad y el estado de equilibrio de las transformaciones químicas, bioquímicas y biológicas. Adicionalmente, la Termodinámica suministra procedimientos y herramientas para calcular los balances energéticos asociados a las transformaciones antes citadas. Por último, la Termodinámica sienta las bases para establecer relaciones entre las propiedades macroscópicas de un sistema químico, bioquímico o biológico, y la estructura microscópica del mismo, por lo que su estudio es de gran interés para el biotecnólogo, ya que el campo de aplicación de la Termodinámica se extiende, por las razones indicadas, a prácticamente todas las actividades que este tipo de profesional debe llevar a cabo en el ejercicio de su profesión. 3.- Conocimientos previos No se establecen requisitos previos, pero se recomienda haber cursado y adquirido los conocimientos básicos suficientes de: - Matemáticas - Física - Química 4.- Competencias - Conocimiento de los principios termodinámicos y cálculos basados en dichos principios. - Capacidad para realizar balances energéticos asociados a los procesos de cualquier naturaleza química. - Capacidad para calcular los potenciales termodinámicos, energías libres y entalpías, que permitan disponer de criterios sobre el sentido, trayectoria y espontaneidad de los procesos. - Capacidad para calcular y/o estimar el valor de las diversas propiedades de las sustancias (capacidades caloríficas, viscosidades, energías de cambio de estado, etc.), necesarias para el desarrollo de los balances, tanto bajo comportamiento ideal - 3 -

4 como no ideal. También de sus mezclas. - Disponer de criterios para analizar el sentido de los procesos naturales, o generados, estimar y discutir las situaciones de equilibrio, físico o químico, a las que tienden los procesos, así como plantear y resolver problemas relacionados con el equilibrio químico en sistemas de comportamiento ideal y real. - Adquirir competencias en el análisis de los equilibrios físicos de mezclas, líquido-vapor, líquido-líquido, líquido-sólido, etc. - Alcanzar habilidades para elaborar, conocer y aplicar métodos de estimación de diagramas de equilibrio de mezclas binarias y multicomponentes; todo ello como base del desarrollo e implementación de los procesos de transferencia y separación de sustancias químicas y bioquímicas. - Saber valorar y utilizar la información de las tablas, gráficos y ecuaciones en variables reales y/o coordenadas generalizadas. - Conocer y utilizar programas informáticos de estimación de propiedades y diagramas de equilibrio. - Conocer la terminología inglesa relacionada con la asignatura. - Saber aplicar los conceptos y conocimientos adquiridos a la resolución de problemas relacionados con el sentido de los procesos y sus requerimientos energéticos. - Manejar correctamente los datos suministrados por la bibliografía relacionada con la materia. - Capacidad para elaborar informes escritos y realizar presentaciones orales. 5.- Contenidos TEORÍA Bloque 1 Tema 1.- Termodinámica: introducción, conceptos generales.- Fluidos ideales y no ideales.- Ecuaciones de estado.- Conceptos de trabajo y calor.- Primer principio de la Termodinámica: Energía interna.- Entalpía.- Capacidades caloríficas a presión y a volumen constante.- Cálculo de variaciones de Energía interna y Entalpía. Tema 2.- Procesos espontáneos y no espontáneos.- Entropía: Segundo Principio de la Termodinámica.- Cálculo de la variación de entropía en procesos sencillos.- Tercer Principio de la Termodinámica: valores absolutos de la entropía

5 Tema 3.- Energía libre de Helmholtz.- Energía libre de Gibbs.- Ecuaciones de Gibbs- Helmholtz.- Potenciales termodinámicos: condiciones de equilibrio y espontaneidad.- Sistemas no ideales. Fugacidad. Actividad.- Relaciones de Maxwell. Bloque 2 Tema 4.- Equilibrio físico.- Equilibrio entre fases en sistemas de un solo componente.- Regla de las fases.- Variación de las funciones de estado en los cambios de fase.- Efecto de la presión y la temperatura: Ecuación de Clapeyron.- Aplicaciones. Tema 5.- Equilibrio entre fases: sistemas de dos componentes.- Equilibrio de fases en sistemas multicomponentes: Equilibrio líquido-líquido, líquido-gas y sólido-líquido en mezclas binarias.- Diagramas de fase. Bloque 3 Tema 6.- Calor de reacción.- El estado estándar.- Entalpía de formación estándar.- Determinación de los calores de formación.- Leyes de la Termodinámica.- Calores de disolución y de dilución.- Relación entre calor de reacción a P y V constantes.- Dependencia del calor de reacción con la temperatura. Tema 7.- Equilibrio y energía libre.- Influencia de la temperatura sobre G s.- Presentación de datos de energías libres.- Expresiones de la constante de equilibrio para reacciones en fase gaseosa.- Expresiones de la constante de equilibrio para reacciones en fase líquida.- Equilibrio en Condiciones Adiabáticas. Bloque 4 Tema 8.- Cálculos energéticos aplicados a sistemas biológicos.- Calores de reacción en bioprocesos.- Cálculo de calores de reacción en procesos enzimáticos a partir de calores de combustión.- Calores de reacción en procesos con producción de biomasa.- Balances de energía en cultivos celulares.- Ejemplos. PRÁCTICAS EN AULA DE INFORMÁTICA - Uso de un simulador de transformaciones termodinámicas en un Gas Ideal. - Simulación de procesos de mezcla en disoluciones líquidas ideales. - Manejo de un software de estimación de propiedades. - Software de elaboración de diagramas termodinámicos de equilibrio líquido-vapor

6 6.- Metodología docente y Estimación del volumen de trabajo del estudiante (ECTS) Metodología docente A.- Clases magistrales Las clases teóricas se orientarán hacia la explicación de los temas, utilizando la pizarra y medios audiovisuales, y a la discusión y participación de los alumnos para facilitar su asimilación y aprendizaje. Se pondrá a disposición de los alumnos, a través de la Aplicación SUMA y/o como fotocopias, el material gráfico utilizado en el aula. B.- Seminarios Los seminarios se desarrollarán fundamentalmente realizando actividades orientadas a fomentar el aprendizaje basado en la resolución de problemas numéricos. En su desarrollo se entregará a los alumnos boletines de problemas basados en los contenidos de las lecciones teóricas. El profesor resolverá algunos de los problemas, comentando las bases de su resolución. Los alumnos resolverán en clase, solos o en grupo, algunos de los problemas, a indicación del profesor. C.- Prácticas Las clases prácticas en el Aula de Informática se realizarán de forma individual, de modo que cada alumno disponga de un ordenador personal con los programas a utilizar. En primer lugar, se explicará, de forma interactiva, el manejo del programa y la utilidad del mismo en el contexto de la asignatura. Seguidamente, se propondrán ejercicios a resolver por los alumnos. A la finalización de cada ejercicio, el alumno elaborará y entregará al profesor un breve informe con los resultados obtenidos, para su corrección y evaluación. D.- Tutorías Las tutorías servirán para aclarar dudas y detectar desajustes en la consecución del aprendizaje. En ellas se revisarán las principales dificultades en el desarrollo del temario de la materia, y se analizarán en discusión abierta los avances en la adquisición de conocimientos y competencias por parte de los alumnos

7 6.2.- Estimación del volumen de trabajo del estudiante (ECTS) Actividad Volumen de trabajo del alumno Hora presencial A Factor B Trabajo Personal C = (A x B) Volumen de trabajo D = (A +C) CLASES TEÓRICAS Lección magistral 40 ( M0) CLASES PRÁCTICAS Aula de Informática SEMINARIOS Y TUTORÍAS Seminarios Tutorías EVALUACIONES Total: Relación trabajo/ects: 150 / 6 créditos = 25 h 7.- Temporalización o cronograma Semana Fechas Hora Lunes Martes Miércoles Jueves Viernes Feb Tutoría Teoría Teoría Teoría Feb Teoría Teoría Teoría Teoría Feb Teoría Teoría Teoría Teoría 4 28Feb-04Mar Teoría Teoría Teoría Mar Microaula Teoría Teoría Teoría Seminario Mar Teoría Teoría Teoría Mar Microaula Teoría Teoría Seminario 8 28Mar-01Abr Teoría Teoría Seminario Abr Microaula Teoría Teoría Teoría Seminario Abr Teoría Teoría Teoría Tutoría 1 Tutoría 2 Seminario May Microaula Teoría Teoría May Teoría Teoría Teoría May Microaula Teoría Teoría Teoría May Teoría Tutoría 1 Tutoría 2-7 -

8 DISTRIBUCIÓN DE LAS HORAS DE CLASES DE TEORIA Profesor/a Temas Horas José Luis Gómez Presentación 1 hr José Luis Gómez José Luis Gómez Antonio Bódalo Tema 1: Termodinámica: introducción, conceptos generales.- Primer Principio. Tema 2: Procesos espontáneos y no espontáneos.- Entropía: Segundo Principio de la Termodinámica. Tema 3: Potenciales termodinámicos: condiciones de equilibrio y espontaneidad. Tema 4: Equilibrio físico.- Equilibrio entre fases en sistemas de un solo componente. Tema 5: Equilibrio entre fases: sistemas de dos componentes. Tema 6: Cálculo de magnitudes energéticas en procesos con reacción química. 4 hr Antonio Bódalo Tema 7: Equilibrio químico. Constante de equilibrio. 4 hr TOTAL Tema 8: Cálculos energéticos aplicados a sistemas biológicos. 39 hr SEMINARIOS Profesor/a Contenido del seminario Horas José Luis Gómez Antonio Bódalo TOTAL Seminarios de repaso, intensificación y problemas de los temas 1, 2 y 3. Seminarios de repaso, intensificación y problemas de los temas 4 y 5. Seminarios de repaso, intensificación y problemas de los temas 6 y 7. Seminario de repaso, intensificación y problemas del tema 8. 2 hr 1 hr 1 hr 1 hr - 8 -

9 CLASES PRÁCTICAS Se realizarán 10 horas de prácticas, distribuidas en 5 sesiones de dos horas de duración en el Aula de Informática. Utilizando un paquete de software para cálculos termodinámicos, se llevarán a cabo cálculos relacionados con la asignatura y se compararán con los resultados obtenidos manualmente mediante la aplicación de los conceptos, principios y ecuaciones desarrollados en las clases de teoría. TUTORÍAS Se realizarán tres sesiones de tutoría de 1 hora de duración cada una. La primera será para presentar la asignatura y asistirán la totalidad de los alumnos. Para las otras dos sesiones se harán dos grupos, y en ellas se atenderán las dudas relacionadas con la asignatura y se harán recomendaciones a los alumnos de cara al examen final. 8.- Evaluación Evaluación de los alumnos Evaluación de la parte teórica La evaluación de los conocimientos adquiridos mediante las clases teóricas se realizará mediante un único examen escrito. El examen final de junio constará de dos partes: una sobre los contenidos desarrollados en las clases de teoría y otra específicamente de resolución de problemas numéricos. El examen se calificará en la escala de 0 a 10 y se asignará a la teoría un valor igual al 60 % y a los problemas el 40 %. La nota media ponderada de ambas partes será la nota final del examen, pero no la calificación final, para la cual se tendrán en cuenta las restantes actividades de que consta la asignatura. En las convocatorias extraordinarias se aplicará el mismo criterio expresado anteriormente, conservando el alumno las calificaciones obtenidas en actividades prácticas, seminarios y tutorías a lo largo del curso

10 Fechas de exámenes - Evaluación final: en la fecha prevista en el calendario de exámenes. - Evaluación extraordinaria: en el mes de septiembre, en la fecha prevista en el calendario de exámenes. Evaluación de la parte práctica La asistencia es obligatoria. Además, se tendrá en cuenta la presentación y discusión de resultados. Opcionalmente, se podrá hacer un examen final de prácticas, en cuyo caso se informará a los alumnos del día y hora de dicho examen. Los alumnos que tengan dos faltas de asistencia, no debidamente justificadas, no aprobarán las prácticas y por tanto no podrán aprobar la asignatura. Evaluación de las asistencias Las asistencias a las clases magistrales, seminarios y tutorías, siempre que alcancen el 80% del total horario, contribuirán a la nota final en un 10%. Calificación global: La calificación final del alumno será el resultado de todas las actividades, según la siguiente ponderación: nota del examen final, 70%, prácticas, 20%, asistencias, 10%. Para aprobar la asignatura es preciso alcanzar una nota mínima de 4 puntos en el examen final, y una nota global de 5 puntos en el conjunto de las actividades evaluadas Evaluación del Equipo Docente Será llevada a cabo por la Unidad de Calidad de la Universidad de Murcia. 9.- Bibliografía recomendada J.M. Smith, H.C. Van Ness y M.M. Abbot, Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química, Sexta Edición, 2001, MacGraw-Hill /Interamericana Editores, S.A. de C.V., J.A. Rodríguez Renuncio, J.J. Ruiz Sánchez y J.S. Urieta, Termodinámica Química. Síntesis, I.N. Levine, Fisicoquímica Volumen 1, 5a Edición, 2004, MacGraw-Hill, Inc./Interamericana de España, S.A.U,