EQUILIBRIO DE INTERFASES Y CINÉTICA FÍSICA 1637 DEPARTAMENTO DE FISICOQUÍMICA UBICACIÓN SEMESTRE 6o. TIPO DE ASIGNATURA TEÓRICO-PRÁCTICA NÚMERO DE HORAS/SEMANA Teoría 3 Práctica 3 CRÉDITOS 9 Este curso esta formado por dos partes relativamente independientes. En la primera se revisan los aspectos de equilibrio de la fisicoquímica de superficies y sistemas dispersos, y en la segunda se estudia la evolución temporal de los sistemas en que no se presentan cambios químicos. La primera parte del curso constituye a la vez una aplicación exhaustiva de la termodinámica a las superficies y por lo tanto a los sistemas dispersos, una descripción de los sistemas donde los efectos superficiales son especialmente importantes, el planteamiento de importantes problemas industriales y los principios de su solución. Los aspectos de evolución temporal de estos sistemas se tratan en la segunda parte. El estudio de la cinética física permite abordar la evolución temporal de numerosos sistemas, y es fundamental en aplicaciones de la fisicoquímica en procesos productivos porque determina, en última instancia, la velocidad a la que se presentarán los fenómenos físicos y las formas de modificarla. La cinética física puede plantearse dentro de un marco general que redunda en la unificación del tratamiento de muchos fenómenos en la consecuencia ganancia en claridad y simpleza; este marco general es la termodinámica de los procesos irreversibles. Esta se presenta en el curso a partir de las ecuaciones de cambio o de balance, y de la expresión de la producción de entropía. Se pueden manejar las variaciones especiales y temporales de las variables termodinámicas, para ligar causas y efectos, y se determinan los coeficientes de transporte.
Los principios generales se ilustrarán en todos los casos con aplicaciones inmediatas a difusión, flujo eléctrico, efectos hidrodinámicos, transporte de iones, etc. Objetivos Generales de aprendizaje. Al finalizar el curso, los alumnos: Compararán los aspectos termodinámicos de las distintas clases de intercaras. Evaluarán comparativamente los métodos experimentales para la determinación de propiedades intercaras. Propondrán los efectos de tensoactivos que se requieren para resolver distintos problemas industriales y de laboratorio. Emplearán los modelos de dobles capas para describir los fenómenos asociados con ellos y su posible modificación. Propondrán la modificación de los parámetros de equilibrio de sistemas dispersos. Establecerán ecuaciones de balance para las propiedades termodinámicas y mecánicas. Describirán los procesos irreversibles a través de las ecuaciones de producción de entropía. Incorporarán a las ecuaciones de cambio los flujos y fuerzas relacionados por las recíprocas de Changer. Calcularán las velocidades de cambio de propiedades a través de las ecuaciones de balance en forma cerrada para procesos de difusión, hidrodinámicos y de transporte de energía y de carga. Obtendrán las expresiones microscópicas de coeficientes cinéticos en casos selectos.
UNIDAD 1.- TERMODINÁMICA DE INTERFASES. 12 h. Aplicarán los principios de la termodinámica a sistemas con interfases. Describirán los métodos experimentales para caracterizar interfases. Describirán el fenómeno de adscripción y los principales modelos para estudiar este fenómeno. Sistemas homogéneos y heterogéneos. Interfases o intercaras. Equilibrio entre fases. Potenciales termodinámicos. Adición natural de los términos de intercara. Sistemas líquidolíquido, líquido-vapor (o gas), líquido-sólido, sólido-vapor y sólido-sólido. Tensión superficial e interfacial. Intercaras con curvatura. Ecuación de Young-Laplace. Métodos de determinación experimental.tensión superfacial dinámica, ángulo de contacto y mojado. Absorción, Isotermas de Langmuir, B.E.T. etc. UNIDAD 2.- M O D I F I C A C I Ó N D E I N T E R F A S E S. 4 h. Describirán y clasificarán las substancias que afectan la estructura interfacial (TENSOACTIVOS). Describirán el empleo de los tensoactivos en diversos procesos industriales y de laboratorio. Substancias tensoactivas; estructura y clasificación. Aplicaciones de los tensoactivos; detergencia, cristalización, separación, humectación, etc.
UNIDAD 3.- I N T E R F A S E S E L E C T R I F I C A D A S. 3 h. Describirán, al menos, dos modelos de doble capa eléctrica. Describirán los fenómenos electrocinéticos. Interfases electrificadas. Modelos de doble capa. Electrocapilaridad. Potencial zeta. Fenómenos electrocinéticos. UNIDAD 4.- S I S T E M A S D I S P E R S O S. 3 h. Describirán los sistemas con una relación grande superficie volúmen (sistemas dispersos), así como los métodos de preparación y purificación de los mismos. Analizarán la estabilidad de estos sistemas en base a modelos de interacción electrostática. Sistemas dispersos: clasificación, preparación y purificación. Floculación. Estabilidad por interacción de doble capa. Modelo DLVO. Aplicaciones industriales y de laboratorio. UNIDAD 5.- INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS IRREVERSIBLES. 2 h. Separarán, en casos específicos, los cambios de entropía generados por intercambio sistema-alrededores y los generados por producción de entropía debido a los procesos irreversibles que se desarrollan en el sistema. Producción de entropía e irreversibilidad.
UNIDAD 6.- ECUACIONES DE CAMBIO O BALANCE 3 h. Plantearán para sistemas seleccionados las ecuaciones de balance de: a) masa, con base en el principio de conservación de masa. b) cantidad de movimiento, a partir de la segunda ley de Newton. c) energía, con base en el principio de conservación de la energía. d) entropía, a partir de la segunda ley de la termodinámica. Ecuación general de cambio o balance. Ecuaciones de balance de: masa, cantidad de movimiento, energía. Principio de equilibrio local. Ecuación de balance de la entropía UNIDAD 7.- ECUACIONES FENOMENOLÓGICAS O CONSTITUTIVAS. 2 h. Describirán las ecuaciones constitutivas e identificarán en ellas a los coeficientes cinéticos. Enunciarán el principio de Curie-Prigogine. Enunciarán las relaciones recíprocas de Onsager. Ecuaciones constitutivas y coeficientes cinéticos. Principio de Curie-Prigogine. Relaciones recíprocas de Onsager.
UNIDAD 8.- L A S E C U A C I O N E S D I F E R E N C I A L E S. 8 h. Generarán las ecuaciones diferenciales que gobiernan la evolución de distintos sistemas a partir de las correspondientes ecuaciones de balance y las ecuaciones constitutivas. Resolverán las ecuaciones diferenciales para sistemas seleccionados y propondrán modificaciones a las propiedades de transporte de los mismos. Aplicarán los principios de los fenómenos de transporte a los sistemas electroquímicos. Sistemas discontínuos. Efectos electrocinéticos. Potenciales de unión líquida. Transporte en membranas. Termo ósmosis. Termoconducción. Sistemas contínuos. Conducción eléctrica. Transporte de iónes en las disoluciones: conductividad un número de transporte. Difusión. Sedimentación y centrifugación. Conducción térmica. Viscosidad y su modificación. UNIDAD 9.- TEORÍA MICROSCÓPICA DE LA CINETA FÍSICA 11 h. Calcularán los parámetros necesarios para describir ciertas colisiones moleculares. Evaluarán coeficientes de transporte en sistemas gaseosos a partir de parámetros microscópicos. Dinámica de colisiones. Funciones de distribución y su evolución temporal. Flujos moleculares de densidad, densidad de momento y densidad de energía. Coeficientes de transporte de gases. Intercambio de energía entre moléculas. Descripción estocástica del transporte. Funciones de correlación y coeficientes de transporte. Conductividad electrolítica.
BIBLIOGRAFÍA ADAMSON, A.W. "Physical Chemistery of Suffaces" 3a. Ed. J. Wiley New York 1976. HIEMENZ, P. "Principles of Colloíd and sufface Chemistery" M. Dekker, New York 1981. BERRY, R.S. RICE, S.A. ROSS, J. "Physical Chemistery" J. Wiley & Sons. New York 1980. METODOLOGÍA DE LA ENSEÑANZA. Exposición de cátedra con métodos participativos. Sesiones - simposio sobre lecturas seleccionadas en la literatura especializada reciente. Prácticas de laboratorio. EVALUACIÓN Exámenes parciales. Examen final. Calificación de laboratorio. REQUISITOS PARA LLEVAR EL CURSO. Equilibrio fisicoquímico y sus antecedentes.