Código-Materia: 11237 TERMODINÁMICA Requisito: PRE: 08278 Ecuaciones Diferenciales COR: 26066 Química COR: 26067 Laboratorio de Química Programa Semestre: Ingeniería Industrial - Quinto Semestre Período académico: Agosto a Noviembre de 2016 Intensidad semanal: 4 horas semanales Créditos: 3 OBJETIVOS Manejar los conceptos y principios que rigen la generación e interconversión de las distintas formas de energía Evaluar fuentes alternas, economía de energía y optimización de sistemas y procesos industriales. Adquirir el sentido de responsabilidad en el proceso de aprendizaje y de manejo de los recursos naturales y energéticos para la industria. Aplicar los conceptos de transformación y aprovechamiento racional y práctico de la energía a los diferentes procesos industriales. Terminales: Al finalizar el semestre el estudiante estará en capacidad de demostrar y aplicar el conocimiento de los conceptos básicos acerca de fenómenos termodinámicos, balance de masas y energía a lo largo de la cadena de los procesos industriales. Podrá desarrollar casos prácticos de aplicación en procesos específicos y de forma interdisciplinaria. Interpretará y aplicará los procedimientos matemáticos que resuelven de manera numérica el comportamiento termodinámico y los flujos de materia para dar soluciones a problemas en situaciones reales de la vida diaria para solucionar problemáticas de su entorno profesional. Específicos De formación académica: MODULO 1: CONCEPTOS FUNDAMENTALES (8 Horas) a. Proporcionar una visión general del desarrollo de la termodinámica como una ciencia y su aplicación en la ingeniería. b. Presentar un sistema termodinámico como modelo conceptual a partir de un dispositivo o una situación real. c. Presentar los conceptos fundamentales de los sistemas termodinámicos. Termodinámica 1
d. Definir las propiedades termodinámicas de las sustancias y representarlas a través de tablas y gráficas. Conceptos fundamentales Energía y formas de energía Sistema Térmico Definición Clasificación Propiedades de un sistema Propiedades intensivas Propiedades extensivas Sustancias puras Diagramas de fases, tablas de propiedades (6 horas de las 8 del capítulo) Procesos Térmicos MODULO 2: Gases (4 Horas) a. Establecer la relación de la ecuación de estado para gases ideales y reales. b. Definir los calores específicos para un gas perfecto y la relación entre ellos. Gases Gases ideales Ecuaciones de estado Calores específicos Procesos politrópicos Gases reales MODULO 3: Primera ley de Termodinámica (12Horas) a. Exponer la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado que realiza un proceso y/o un ciclo. b. Definir el calor y el trabajo como formas de energía que puede cruzar la frontera. c. Definir las propiedades de un fluido de trabajo. d. Presentar los tipos de transferencia de calor a un proceso cerrado Primera ley de Termodinámica Energía Interna Trabajo, Calor Entalpía Análisis de la ecuación de la energía en sistemas cerrados y de flujo Estado estacionario Cálculos de transferencia de energía, entalpía, calor y trabajo para distintos procesos Termodinámica 2
MODULO 4: Segunda Ley de la Termodinámica (8Horas) a. Definir una máquina térmica de operación continua. b. Conceptos de reversibilidad e irreversibilidad, el ciclo de Carnot, eficiencia de Carnot. c. Usar la analogía de Carnot para definir la segunda ley de la termodinámica. d. Mostrar que la tendencia es que la calidad de la energía disminuya y que la entropía aumente. e. Presentar los enunciados de Kelvin Planck y Claussius y desigualdad de Claussius. Segunda Ley de la Termodinámica Conceptos de irreversibilidad Entropía Ciclo de Carnot Variación de la entropía en sustancias puras, sólidos y gases ideales MODULO 5: Evaluación Energética de procesos (16 Horas) a. Aplicación de la segunda ley en Ciclos de potencia y procesos Industriales. b. Evaluar la eficiencia térmica en ciclos de potencia y procesos industriales. Evaluación energética para procesos Análisis de exergía y eficiencia exergética para procesos Procesos de flujo Diagramas de procesos Simbología de equipos Análisis de los procesos de flujo Aplicaciones de balances de energía al flujo de fluidos MODULO 6: Conversión de energía (16 Horas) a. Aplicar el balance de masa y energía a los ciclos y procesos b. Rendimientos térmicos en las máquinas térmicas Conversión de energía Rendimientos térmicos Máquinas térmicas Ciclos de potencia de vapor y de gas Ciclos combinados y de cogeneración Centrales atómicas Refrigeración. Ciclos de refrigeración Total (64 Horas) Termodinámica 3
De formación en valores y capacidades: Al finalizar el curso los estudiantes habrán comprendido de manera integral la importancia que tiene el estudio de la Termodinámica en la formación del ingeniero y su contribución al desarrollo industrial para beneficio de la sociedad. Baste recordar que los ingenieros aplican los conceptos y métodos de la Termodinámica para obtener, transformar, transmitir y utilizar el calor, y convertirlo en trabajo; así como para el estudio de los principios de funcionamiento y las singularidades constructivas de los generadores de calor y de vapor, de las máquinas, equipos y dispositivos térmicos, y su optimización energética en los procesos industriales El ingeniero industrial también toma decisiones respecto a la optimización de equipos y procesos industriales desde el punto de vista energético. Razones suficientes para afirmar que la Termodinámica constituye una materia básica en la formación del ingeniero industrial. METODOLOGÍA El profesor expondrá los conceptos fundamentales para ser analizados, discutidos y comprendidos con los alumnos, clases teóricas (40%). Participación directa del alumno, haciendo trabajos prácticos. Complementando con medios prácticos y virtuales (autoaprendizaje) 60%. Los alumnos deberán preparar, antes de la clase, los temas asignados por el profesor. Para ello contaran con un libro guía. Preparar el tema significa ESTUDIAR, el tema asignado, resolver las preguntas y los ejercicios que el texto presenta, y generar una discusión en torno al tema en el salón de clase. Todo el proceso se aplicará e interpretará en un proyecto transversal de curso tomando como base una necesidad o problema industrial ESTRATEGIAS DE APRENDIZAJE 1- Exposición magistral de la parte teórica. Trabajo conjunto, realizado entre el profesor y alumno, donde el profesor expondrá los conceptos fundamentales para ser analizados, comprendidos y discutidos con sus alumnos. 2- El profesor será el guía en las clases prácticas, para que los estudiantes se motiven a conocer la naturaleza y el comportamiento de la energía. 3- Complementación bibliográfica por parte del estudiante 4- Visitas industriales, que permita al alumno comprender e interpretar en forma real lo visto en el salón de clase MEDIOS DE APRENDIZAJE Material didáctico: ayudas audiovisuales, material de apoyo y la plataforma Moodle Visitas industriales Termodinámica 4
Actividades del estudiante El estudiante deberá dedicar en promedio 4 horas por semana, para afianzar los conceptos vistos en clase, realizar los talleres propuestos, preparar las evaluaciones y desarrollar el proyecto final del curso. Antes de la clase: El estudiante deberá consultar la bibliografía sugerida en la biblioteca y/o base de datos en el Internet. Además consultará el material del texto guía y dará solución a los ejercicios entregados durante el curso. Durante la clase: Los ejercicios entregados en los talleres exigen del estudiante mucha participación en clase. Lo hacen trabajando en equipo. Una vez planteada la solución se procede a sustentarla por parte de uno de los integrantes del grupo. Esto genera la competencia por participar en la clase. Participación que será compensada con una nota, la cual forma parte del componente de quices y talleres. También se abre el espacio para que el estudiante que contribuya en la clase con una exposición sobre un tema pertinente a la asignatura, éste será compensado con una nota. Después de la clase: Previo la finalización de la clase, el estudiante deberá realizar los talleres asignados, los cuales serán evaluados de manera periódica. Realizará trabajos intermedios y el proyecto final, actividades que son calificables. EVALUACIÓN (Políticas y peso de las evaluaciones) Exámenes Porcentaje Módulos a Evaluar Semana de realización Primer Parcial 20% Primera Ley de 6 termodinámica Segundo Parcial 20% Segunda Ley 12 termodinámica Quices y tareas 15% Durante el semestre Examen Final 25% Ciclos de Potencia 17 Proyecto Final 20% 16 Termodinámica 5
BIBLIOGRAFÍA - Yunus A Cengel. Michael A Boyles. Termodinâmica. Mc Graw-Hill. México, 2012, séptima edición. - Gordón J. Wylen. Fundamentos de Termodinámica. Limusa Wiley. México, 2006, segunda edición. - Sonntag & Bortgnakke. Introduccion a la termodinâmica para Ingeniería.. Limusa Wiley. México, 2006, primera edición. - Kurt C Rolle. Termodinâmica. Pearson Hall. México, 2006, sexta edición. - JB Jones, R.E, Dugan P.H.H. Ingeniería Termodinámica. México, 1997 Termodinámica 6
Planeación por sesión: Unidad Tema de estudio O ( nombre de la sesión) sesión o clase Materiales- recursos de aprendizaje Trabajo previo a la clase (1). Conceptos fundamentales de termodinámica Tema 1.Simbología, unidades y nomenclatura a utilizar durante el desarrollo del curso. Formas de evaluación. Criterios y características del proyecto transversal de fin de curso. Tema 2. Conceptos fundamentales de: energía y formas de energía, sistema Termodinámico. Propiedades de un sistema, Intensivas, extensivas. Sustancias puras. Diagramas de fases (1) Texto guía, medios audiovisuales, internet, discusión por grupos de trabajo (2) Texto guía, medios audiovisuales, internet, trabajo colaborativo discusión del trabajo previo realizado por el grupo. Se asigna para la próxima clase un cuestionario de preguntas asignado por el profesor a grupos de estudiantes sobre los conceptos fundamentales de la termodinámica Se continúa profundizando sobre la solución al cuestionario. Se deben presentar por escrito la siguiente clase. Tema 3. Gases ideales, ecuaciones de estado, calores específicos, capacidad calorífica. Procesos politrópicos y Gases reales (3) Texto guía, medios audiovisuales, internet, discusión por grupos de trabajo de especialistas Evaluación corta sobre el tema visto (4) Discusión sobre el tema visto y su relación con los temas posteriores y otras asignaturas Cada grupo debe presentar de forma escrita la respuesta a cada una de las preguntas del cuestionario la próxima clase o sesión Lecturas sugeridas sobre la primera ley de la termodinámica (2). Primera ley de la termodinámica. Sistemas cerrados y sistemas abiertos Tema 1. Generalidades sobre la primera ley, conceptos de energía y masa, trabajo y calor. Propiedades de estado termodinámico. Manejo de tablas Tema 2. Análisis de la ecuación para el balance de energía y balance de masa para un sistema cerrado e identificación de las propiedades de estado termodinámico. (5) Presentación magistral sobre el tema a abordar, utilizando los medios audiovisuales disponibles (6) Presentación magistral sobre el tema a abordar, utilizando los medios audiovisuales disponibles Lecturas sugeridas sobre la primera ley de la termodinámica para sistemas cerrados Se asignan ejercicios para resolver fuera de clase Termodinámica 7
(3).Segunda ley de la termodinámica. Máquinas térmicas y entropía. Taller sobre los temas 1 y 2 (7) Se entrega un taller el cual debe ser resuelto por los estudiantes de forma colaborativa Tema 3. Análisis de la ecuación para el balance de energía y balance de masa para un sistema abierto e identificación de las propiedades de estado termodinámico. Tema 4. Descripción de dispositivos utilizados en sistemas abiertos y la aplicación de la primera ley de la termodinámica Tema 5. Descripción de un proceso productivo industrial que relaciones los temas vistos en la unidad 2 (8) Presentación magistral sobre el tema a abordar, utilizando los medios audiovisuales (9) Presentación magistral sobre el tema a abordar, utilizando los medios audiovisuales con casos reales en los procesos productivos. (10) Presentación audiovisual y power point por uno de los integrantes del grupo Lecturas sugeridas sobre la primera ley de la termodinámica para sistemas abiertos. Se organizan grupos de estudiantes, el cual debe estudiar un proceso productivo, elaborar un documento que debe ser entregado el día de la exposición ante el grupo general Se asignan ejercicios para resolver fuera de la clase Taller de aplicación de la primera ley para sistemas abiertos (11) Trabajo colaborativo entre estudiantes. El profesor es el último que actúa y participa si lo ve necesario. Se les sugiere que revisen y se apropien de la metodología presentada para resolver problemas Primera evaluación parcial, unidad 1 y 2 (12) De forma escrita e individual Lectura sobre la segunda ley de la termodinámica. Tema 1. Generalidades sobre la segunda ley, conceptos de degradación de la materia y la energía, pérdidas de energía y eficiencia o aprovechamiento Tema 2. Maquinas térmicas, ciclo de Carnot, enunciado de Kelvin Planck y Claussius eficiencia térmica, coeficiente de aprovechamiento (13) Presentación magistral sobre el tema a abordar, utilizando los medios audiovisuales (14) Presentación magistral sobre el tema a abordar, utilizando los medios audiovisuales Lectura sobre la segunda ley de la termodinámica. Máquinas térmicas. Ejercicios propuestos sobre máquinas térmicas. Taller sobre máquinas térmicas (15) Trabajo colaborativo estudiantes Ejercicios propuestos sobre máquinas térmicas. Evaluación corta sobre la segunda ley de la termodinámica. (16) Se hace de forma escrita e individual Lectura sobre la segunda ley de la termodinámica. Cambio de entropía en sustancias puras sólidas y líquidas. Tema 3. Segunda ley, cambio de entropía en sólidos y líquidos (17) Presentación magistral sobre el Lectura sobre la segunda ley de la Termodinámica 8
Proyecto transversal de fin de curso (4). Ciclos de potencia Rankine (4). Ciclos de potencia Otto y Refrigeración Exergía tema a abordar, utilizando los medios audiovisuales disponibles Tema 4. Segunda ley, cambio de entropía en gases ideales (18) Presentación magistral sobre el tema a abordar, utilizando los medios audiovisuales Revisión del anteproyecto transversal de fin de curso por subgrupos (3 estudiantes) Revisión del anteproyecto transversal de fin de curso por subgrupos (3 estudiantes) Taller sobre la segunda ley de la termodinámica, cambio de entropía en sustancias líquidas, sólidas y gases ideales (19) Los subgrupo presenta su propuesta de proyecto transversal, al cual se le hacen los ajustes (20) Los subgrupo presentan su propuesta de proyecto transversal, al cual se le hace ajustes, y recomendaciones Resolver taller en clase de forma colaborativa Segunda evaluación parcial, cambio de entropía en sustancias líquidas, sólidas y gases ideales unidad 3 (21) Evaluación de forma escrita e individual Definición y características del ciclo Rankine, eficiencia térmica. (22) Exposición por un subgrupo de estudiantes Evaluación grupal. Taller sobre balance de masas de un ciclo (23) Resolución del taller en Rankine subgrupos, se debe entregar Revisión y asesoría sobre el avance del proyecto transversal de (24) Los subgrupo presentan el fin de curso trabajo de campo realizado y la estructura del informe final escrito del proyecto transversal Definición y características del ciclo Otto, eficiencia térmica. (25) Exposición por un subgrupo de estudiantes Definición y características del ciclo de Refrigeración, coeficiente (26) Exposición por un subgrupo de de operación. estudiantes Taller sobre ciclos de potencia y refrigeración (27) Se realiza en clase de forma colaborativa Definición y características de la exergía y su importancia en la eficiencia energética (28) Exposición por un subgrupo de estudiantes termodinámica. Cambio de entropía en gases ideales Ejercicios propuestos sobre la segunda ley de la termodinámica, cambio de entropía sobre todas las sustancias vistas Planeación y desarrollo del proyecto transversal de fin de curso Planeación y desarrollo del proyecto transversal de fin de curso Ejercicios sobre la segunda ley de la termodinámica, cambio de entropía sobre todas las sustancias vistas Lectura sobre ciclos de potencia y refrigeración. Lectura complemento del tema abordado Ajustes al desarrollo del proyecto transversal, elaboración de documento y preparación de la sustentación final Lectura complemento del tema abordado Lectura complemento del tema abordado Lectura complemento del tema abordado Termodinámica 9
Proyecto transversal Taller sobre exergia (29) Se realiza en clase de forma colaborativa Asesoría sobre el proyecto transversal (30) Se presta de forma individual o colectiva en el salón de clase Sustentación del proyecto transversal y entrega del documento final Sustentación del proyecto transversal y entrega del documento final (31) Los subgrupos exponen de forma aleatoria ante el resto del grupo su proyecto transversal de fin de curso (32) Los subgrupos exponen de forma aleatoria ante el resto del grupo su proyecto transversal de fin de curso. Evaluación final sobre ciclos de potencia y refrigeración (33) Se realiza de forma escrita e individual Notas definitivas Entrega individual de notas (34) Termodinámica 10