ASIGNATURA: TERMODINAMICA ESPECIALIDAD: INGENIERIA QUIMICA PLAN: 1995 ADECUADO - ORD. Nº 1028 NIVEL: 3º MODALIDAD: CUATRIMESTRAL BLOQUE: TECNOLOGÍAS BÁSICAS DICTADO: 1ER CUATRIMESTRE HORAS: 8 HS SEMANALES CARGA HORARIA TOTAL: 128 HS AREA: QUÍMICA CICLO LECTIVO: 2011 EN ADELANTE Correlativas para cursar: Regulares: Análisis Matemático II y Física II Aprobadas: Álgebra y Geometría Analítica, Análisis Matemático I, Química General y Física I. Correlativas para rendir: Aprobadas: Análisis Matemático II, Integración II (int.) y Física II Regular: Termodinámica OBJETIVOSGENERALESDELAASIGNATURA Comprender y utilizar las relaciones que existen entre el trabajo y el calor, como parte fundamental del desarrollo de la humanidad, para su empleo en los procesos químicos de la forma más eficiente. Objetivosparticulares: El estudio en general de la Termodinámica está dividido en dos asignaturas en el diseño curricular de la carrera de Ingeniería Química: Termodinámica para las sustancias puras, y Fisicoquímica para sistemas de más de un componente. En este contexto, los objetivos particulares de la asignatura Termodinámica son: -Evaluar las propiedades termodinámicas lo más exactamente posible, utilizando las más recientes correlaciones disponibles. -Construir y utilizar los diagramas de fases de sustancias puras. -Determinar el trabajo y el calor evolucionados en los ciclos térmicos más importantes. Para el logro de estos objetivos, se utilizará en forma intensiva la computadora con software matemático de uso general. Página 47 de 203 Anexo I Res.: 1195/11
CONTENIDOS: Unidad1:CONCEPTOSBÁSICOS Fuerza. Presión. Volumen. Sistemas abiertos y cerrados. Propiedades extensivas e intensivas. Temperatura. Ley cero de la Termodinámica. Smith Van Ness pp. 1-17 Unidad2:RELACIONESPVT Relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura de gases, líquidos y sólidos puros. Diagramas PVT en 3 dimensiones, diagramas de fases en PV. Ecuaciones de estado (EoS). Propiedades críticas. Estimación de propiedades críticas. Propiedades reducidas. Factor acéntrico. Gases: Factor de compresibilidad. Principio de estados correspondientes (CSP). Ecuación de virial: Estimación del segundo y tercer coeficiente virial. Ecuaciones de estado analíticas - ecuaciones cúbicas: Van der Waals, Redlich-Kwong (RW), Soave- Redlich-Kwong (SRW), Peng-Robinson (PR), etc. Estimación de los parámetros de las ecuaciones cúbicas. Significado de las tres raíces de las ecuaciones cúbicas. Ecuaciones de estado no analíticas: Benedict Webb - Rubin (BWR, MBWR), Wagner, fluidos de referencia. Líquidos: Estimación del volumen molar líquido en el punto de ebullición. Método de Tin y Calus. Dependencia de la densidad del líquido saturado con la temperatura: Ecuación de Rackett. Dependencia de la densidad del líquido con la presión: métodos de Aalto y Huang-O Connell. Sólidos: Coeficientes de expansión isobárica (dilatación) y compresión isotérmica. Tablas. Obtención de las EoS para sólidos. Reid, Prausnitz, Poling, 5th edición, capitulo 2 y 4. Walas: Capitulo 1. Equations of state. pp 1-99 Unidad3:PRIMERPRINCIPIODELATERMODINÁMICA Definiciones de trabajo y calor. Experiencia de Joule. Primera Ley de la Termodinámica. Transformaciones isocoras. Capacidad calorífica a volumen constante (Cv).Transformaciones isobáricas. Entalpia. Capacidad calorifica a presión constante (Cp). Diferencia entre Cp y Cv. Dependencia del Cp con la temperatura. Cp de sólidos: ecuación de Debye. Cp de gases: uso de tablas y estimación a partir CSP. Cp de líquidos. Uso de tablas y estimación a partir de Cp del gas. Determinación del calor y trabajo evolucionado en las transformaciones isocoras e isobáricas. Garcia, capitulo 4 Reid, Prausnitz, Poling, 5th edicion, capitulo 6 Klotz, capitulos 3, 4 y 6 Unidad4:SEGUNDOPRINCIPIODELATERMODINÁMICA Necesidad de un segundo principio. Naturaleza del segundo principio. El ciclo de Carnot. La escala termodinámica de temperatura. Definición de entropía de un sistema. Demostración de que la entropía es una función de estado. Los cambios de entropía en procesos reversibles e irreversibles. Diagrama temperatura entropía. Página 48 de 203 Anexo I Res.: 1195/11
Transformaciones isotérmicas, adiabáticas o isoentrópicas, politrópicas e isoentálpicas. Determinación del trabajo y el calor evolucionado en estas transformaciones. Klotz, cap. 7 Unidad5:EVALUACIONDEPROPIEDADESTERMODINAMICAS Relaciones entre las propiedades termodinámicas para fase homogénea y sustancias puras. Definiciones de energía libre de Helmholtz y de Gibbs. Ecuaciones de Maxwell. Ecuación de Gibbs Helmholtz. Cambios de fase. Estados de referencia. 3er Principio de la Termodinámica. Gráficas de las funciones termodinámicas de estado en función de dos variables independientes cualesquiera. Fugacidad, coeficiente de fugacidad de sustancias puras. Smith, Van Ness, cap. 6 Unidad6:EQUILIBRIODEFASESDESUSTANCIASPURAS Condiciones generales. Equilibrios líquido - vapor, sólido - vapor y sólido - líquido. Diagramas P-T, P V, T-S, P-H, H-S (Mollier). Curvas G - T y G - P. Ecuaciones de Clausius Clapeyron. Ecuaciones de presión de vapor: Antoine, Wagner, Ambrose Walton CSP. Smith, Van Ness, Cap. 6 Reid, Prausnitz, Poling, 5th edicion, capitulo 7 Unidad7:CICLOSTERMODINÁMICOS Ciclo de compresión. Compresión en etapas. Espacio nocivo. Rendimiento volumétrico. Presión máxima de compresión. Descripción de compresores de desplazamiento positivo. Ciclo de refrigeración. Ciclo de Carnot invertido. Ciclo frigorífico de compresor a régimen húmedo y a régimen seco. Ciclo frigorífico con compresores a múltiples etapas. Ciclo de motores a gas. Ciclo Otto. Ciclo diesel. Ciclo de Brayton. Ciclos de turbina de gas. Ciclos combinados. Determinación del trabajo y el calor evolucionado en estos ciclos. Garcia, cap 5, 12 y 14 Unidad8:EXERGIA Definición de exergía. Evaluación de exergía para sistemas cerrados y abiertos. Aplicaciones. Rotstein, Fornari, cap. 3 BIBLIOGRAFÍA: -Walas, S., Phase equilibria in chemical engineering. Ed. Butterworth. (1985) -Smith, Van Ness, Termodinámica para ingeniería química. Ed. McGraw-Hill. (1997) -Washburn, E. (Editor in chief). International Critical Tables of numerical data, physics, chemistry and technology. Ed. Knovel (2003) Página 49 de 203 Anexo I Res.: 1195/11
-Reid, R. Prausnitz, J., Poling, B. The properties of gases and liquids. 4th. Edition. Ed. McGraw-Hill (1987) -Poling, B. Prausnitz, J., O Connell, J. The properties of gases and liquids. 5th. Edition. Ed. McGraw-Hill (2004) -Garcia, C. Termodinámica técnica. Ed. Alsina (1984) -Rotstein, E; Fornari, R; Termodinámica de procesos industriales: exergia y creación de entropía. Ed. Edigem (1984) -Rodriguez, J. Introduccion a la Termodinamica con aplicaciones en Ingeniería. FRRo. -Klotz, I.; Rosenberg, R. Termodinámica Química. Teoria y métodos básicos. Ed. AC. 1ra edición en español (1977) -Klotz, I., Rosenberg, R. Chemical thermodynamics, basic concepts and methods. 7th Edition. Ed. Wiley (2008) -Cengel, Y; Bolles, M. Thermodynamics: an engineering approach. 5th Edition. Ed. McGraw-Hill (2005) -Greene, R. (Editor en jefe); Compresores: Selección, uso y mantenimiento. Ed. McGraw-Hill (1992) -Criado-Sancho, M.; Casas-Vazquez, J.; Termodinámica química y de los procesos irreversibles. Ed. Pearson (Addison Weasley) (2004) -Redlich, O.; Thermodynamics: fundamentals, applications. Ed. Elsevier (1976) -Guggenheim, M.A.; Thermodynamics: an advanced treatment for chemists and physicists. Ed. Elsevier (1967) -Gaskell, D.; Introduction to metallurgical thermodynamics. Ed. McGraw-Hill (1973) -Lupis, C.H.; Chemical thermodynamics of materials. Ed. Prentice Hall (1983) METODOLOGÍADEENSEÑANZAAPENDIZAJE Condicionesderegularización La condición de alumno regular se alcanza con la aprobación de dos parciales, con nota no menor a 4 (cuatro) en cada uno. Los parciales consistirán principalmente en la resolución de problemas, y se llevarán a cabo en forma individual en una computadora. Sólo puede recuperarse un parcial y la recuperación se realiza al final del cuatrimestre. En caso de obtener en los dos parciales un promedio de 7 (siete) con notas no inferiores a 6 (seis) se promociona la parte práctica, no exigiéndose en este caso en el examen final. Condicionesdeexamen No se prevé la promoción de la asignatura, por lo que en todos los casos la materia se aprobará mediante un examen final. Se considera necesario el examen porque es la oportunidad en que el alumno puede relacionar, correlacionar y madurar los conocimientos adquiridos. En caso de no tener promocionada la parte práctica, el examen comienza con una evaluación de conocimientos mediante resolución de problemas en computadora. La modalidad del examen teórico es mediante exposición en pizarrón. Es decir, al comienzo del examen, se indican tres temas, de los cuales el alumno elige uno, y el docente asigna otro, que el alumno expondrá en forma oral. Durante esta exposición, se efectuarán preguntas a los fines de analizar la profundidad de los conocimientos construidos. Para aprobar, analizando la claridad de los conceptos, se deberá Página 50 de 203 Anexo I Res.: 1195/11
presentar más del 90% de un tema, y por lo menos el 60% del otro tema. Dada esta base, la nota se basará en los siguientes criterios de evaluación. -Claridad de conceptos -Capacidad de transferencia de los conocimientos construidos -Capacidad de ejemplificación de los contenidos teóricos -Innovación e impacto de la presentación del tema. PLANEAMIENTODELDICTADODECLASESTEÓRICAS/PRÁCTICAS Distribución de actividades El curso tiene una duración de 128 hs cátedra. Horas destinadas a clases teóricas: 39 Horas cátedra destinadas a ejercicios y problemas. 65 Horas destinadas a clases de consulta y evaluación 16. Horas de feriados (promedio): 8 hs. Distribuciónhoraria Unidad Clase teórica Clase Práctica (horas) (horas) 1. Conceptos básicos 2 0 2. Relaciones PVT 7 15 3. Primer Principio de la Termodinámica 6 10 4. Segundo Principio de la Termodinámica 6 10 5. Evaluación de propiedades termodinámicas 6 10 6. Equilibrio de fases de sustancias puras 3 5 7. Ciclos termodinámicos 6 15 8. Exergia 3 0 Página 51 de 203 Anexo I Res.: 1195/11