Apuntes de Termodinámica Agosto 2017 PDF

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TERMODIN TERMODINÁMICA ÁMICA (AEF (AEF-1065) -1065) Tecnológico Nacion Nacional al de México Instituto Tecnológico De To Toluca luca Departamento de Ingeniería Química Y Bioquímica Apuntes d de e Termodinámica Elaboró: M. en C. Yenissei M. Hernández Castañeda [email protected] [email protected] [email protected] om

TERMODINÁMICA BÁSICA PARA INGENIER@S QUÍMIC@S

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INTRODUCCIÓN

“Lo que la oruga interpreta como el fin del mundo es lo que el maestro denomina mariposa” Richard Bach

El presente texto surge de manera formal a partir de la misión y actividades del área de Tutorías a cargo de la Ing. Susana Zuñiga Maya, y como un intento para incidir en el índice de reprobación de la asignatura “Termodinámica” cursada por estudiantes del programa de Ingeniería Química. El texto ha sido revisado continuamente y por lo tanto ha sufrido modificaciones desde su versión original; la revisión que se presenta a continuación corresponde al semestre Agosto-Diciembre 2017. Entre las mejoras incluidas están: revisión del lenguaje (menos técnico) y mayor número de ejercicios resueltos paso a paso.

Este material debe tomarse como una introducción al estudio de la Termodinámica. Para estudiantes más avanzadas/os se incluye una lista de bibliografía sugerida. Se hace la aclaración de que la mayoría de las figuras fueron tomadas de Internet o elaboradas por la facilitadora. Para el caso de las figuras o datos sacados de algún libro se incluye la referencia. Todas las tablas incluidas han sido seleccionadas con un fin didáctico, para introducir a el/la estudiante al manejo de las mismas, por lo que pudieran no corresponder a tablas incluidas en las últimas ediciones de las fuentes consultadas.

El texto está organizado en cinco capítulos, de acuerdo al programa “Termodinámica” (AEF-1065). Para todos los capítulos se incluyen ejercicios resueltos y un formulario. Para cualquier asunto relacionado con este material contactar a la facilitadora a través del correo electrónico: [email protected]

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TERMODINÁMICA BÁSICA PARA INGENIER@S QUÍMIC@S

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METODOLOGÍA GENERAL PARA LA RESOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN TERMODINÁMICA

Antes de empezar con el estudio de esta asignatura no debes perder de vista que:

▪

No es verdad que Termodinámica es una materia difícil. Requiere un poco de tiempo.

▪

Muy difícilmente acreditarás una asignatura de ingeniería estudiando un día antes del examen. Es preferible repasar un poco todos los días.

▪

A partir de esta asignatura ya no encontrarás problemas en donde todo lo que tengas que hacer es sustituir datos.

▪

Tampoco encontrarás dos problemas iguales.

▪

A veces los temas de ingeniería pueden ser “aburridos”. Enfrenta la situación y no la utilices como pretexto para no aprender.

▪

Hacer las cosas mal requiere más esfuerzo que tratar de hacerlas bien.

▪

La única forma de aprender a hacer las cosas es HACIÉNDOLAS (¿Cómo aprendiste a hablar/caminar/conducir/bailar?).

¿Qué necesito para poder resolver un problema de Termodinámica?

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▪

Ganas de aprender.

▪

No tener miedo a equivocarme.

▪

Perseverancia.

▪

Resiliencia.

▪

Reconocer que muchas veces detrás de la flojera se esconde el miedo (a equivocarme, a hacer las cosas bien, al cambio, a no ser capaz).

▪

Aceptar que soy responsable de mí mismo y eso incluye la preparación profesional.

▪

No ponerme metas demasiado altas.

▪

No ser demasiado exigente conmigo mismo y los demás.

▪

Buen humor.

▪

Y demás cosas necesarias: hojas, lápiz, plumones o lápices de colores, tablas, calculadora, libro de termo, etc.

TERMODINÁMICA BÁSICA PARA INGENIER@S QUÍMIC@S

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La siguiente metodología es sugerida a el/la estudiante en tanto no desarrolle su propia estrategia de resolución de problemas.

1.

Comprender lo conceptos del tema. Esto sólo se logra leyendo acerca del tema, utilizando diferentes fuentes de consulta en caso de ser necesario. Repasa el tema cuantas veces sea necesario. No pierdas de vista que, si entiendes el concepto, podrás resolver cualquier problema.

2.

Leer cuidadosamente el enunciado, detecta cuál(es) es(son) la(s) incógnitas del problema (qué es lo que te piden calcular). Además, identifica los conceptos y palabras clave contenidos en él. Las palabras clave no son necesariamente datos numéricos, sino condiciones que pueden influir en el análisis. Por ejemplo, si se menciona que se trata de un recipiente rígido cerrado esto implicará que el volumen del sistema será constante y por lo tanto el valor de algunas propiedades (como la densidad y el volumen específico) no cambiará.

3.

Elaborar un dibujo, diagrama o esquema tan detallado como sea posible y anotar todos los datos numéricos. Incluye la información proporcionada por el enunciado. Este paso es crucial para la resolución del problema, si no logras esquematizar el problema es que no lo has comprendido.

4.

En base a los conceptos y palabras clave identificados, escribe las ecuaciones que posiblemente sean útiles. Trata de relacionar las ecuaciones entre sí, realizando las simplificaciones pertinentes (eliminación algebraica de términos o mediante el análisis del enunciado) y/o descartando las que no tengan aplicación en el problema en particular. Determina que datos te sirven y cuáles no.

5.

Sustitución numérica y cálculos. Buscar, si así es necesario, en tablas y gráficas los datos faltantes (conversión de unidades, valores de densidad, capacidad calorífica, etcétera). Efectuar las operaciones necesarias.

6.

Obtenga el resultado e interprételo de acuerdo a las unidades de medida obtenidas. Analizar si la respuesta numérica es congruente con el problema planteado. Preguntarse si el resultado es lógico. Por ejemplo, no es posible obtener una densidad relativa para un líquido mayor que la del mercurio (13.5).

7.

Busca errores. Revisa los pasos anteriores en busca de errores.

8.

Concluir en base al resultado obtenido.

9.

Resolver tantos problemas como sea posible. La práctica hace al maestro, ¡no desistas! Entre más problemas resuelvas cada vez te será más fácil.

10. Si no puedes resolver un problema toma un descanso y regresa a éste posteriormente. Puede ser necesario regresar al paso 1. 11. Si después de varios intentos no logras resolver el problema, no te desanimes. En el peor de los casos has aprendido varias formas de no resolver ese problema en particular. A eso se le conoce como EXPERIENCIA.

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1. CONCEPTOS Y PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

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1. CONCEPTOS Y PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

Competencias previas necesarias:

Herramientas necesarias:

✓

Notación científica

✓

Tablas de conversión de unidades

✓

Algebra básica

✓

Calculadora científica

✓

Geometría básica

✓

Conceptos de: mol, peso molecular, número de Avogadro

✓

Magnitudes escalares y vectoriales

✓

Suma de Vectores

✓

Sistemas de unidades

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1. CONCEPTOS Y PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

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1. INTRODUCCIÓN, CONCEPTOS BÁSICOS Y PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

Competencia específica a desarrollar: ▪

Comprende los conceptos básicos y definiciones de Termodinámica y sus propiedades para describir las diferentes formas de energía y sus variables.

1.0 Las funciones de el/la Ingeniero/a Químico/a La Ingeniería Química es la rama de la Ingeniería que se dedica al estudio, síntesis, desarrollo, diseño, operación y optimización de aquellos procesos industriales que producen cambios físicos, químicos y/o bioquímicos en los materiales. De acuerdo al Instituto Americano de Ingenieros Químicos (American Institute of Chemical Engineers, AIChE), la Ingeniería Química es la profesión en la cual el conocimiento de la matemática, química y otras ciencias básicas, ganados por el estudio, la experiencia y la práctica, es aplicado con juicio para desarrollar maneras económicas de usar materiales y energía para el beneficio de la humanidad. Por tanto, los/as Ingenieros/as Químicos/as están involucrados en todas las actividades que se relacionen con el procesamiento de materias primas (de origen animal, vegetal o mineral) que tengan como fin obtener productos de mayor valor y utilidad.

La ingeniería química surge a comienzos del siglo XX debido a la necesidad de generar conocimientos específicos para la producción de sustancias químicas y materiales, y también debido a que la Ingeniería Mecánica carecía de un patrón de análisis y solución de los problemas tecnológicos de las industrias de procesos químicos. En sus orígenes, la Ingeniería Química era básicamente una extensión de la Ingeniería Mecánica aplicada a resolver los problemas de fabricación de sustancias y materiales químicos.

En 1915, Arthur D. Little inventó el primer paradigma de la Ingeniería Química (en ciencia, el término “paradigma” se utiliza como significado de un conjunto de teorías o de marco teórico). Él le propuso al rector del Instituto Tecnológico de Massachusetts (Massachsetts Institute of Technology, MIT), que la educación en ingeniería química debería centrarse en algo que él denominó "operaciones unitarias". Una operación unitaria es cualquier proceso químico, sin importar la escala, puede resolverse en una serie coordinada de lo que puede llamarse “acciones unitarias”, como pulverización, mezclado, calentamiento, calcinación, absorción, condensación, lixiviación, precipitación, cristalización, filtración, dilución, electrólisis, etc. El número de estas operaciones unitarias básicas no es muy grande y, relativamente pocas de ellas, participan en un proceso en particular. Las operaciones unitarias en sí mismas son principalmente de carácter físico; sin embargo, es necesario el conocimiento de la química para comprender su significación real.

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1. CONCEPTOS Y PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

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En 1960 nace el segundo paradigma de la Ingeniería Química con la publicación del libro "Fenómenos de Transporte" de R. B. Bird, W. E. Stewart y E. N. Lightfoot, en el que se establece un método distinto para el análisis y estudio de los fenómenos fisicoquímicos; busca explicaciones moleculares para los fenómenos macroscópicos. El estudio de los fenómenos de transporte comprende aquellos procesos en los que hay una transferencia o transporte neto de materia, energía o momentum lineal (momentum es una magnitud física fundamental de tipo vectorial que describe el movimiento de un cuerpo).

Figura 1.1 El papel de el/la Ingeniero/a Químico/a en la industria de procesos.

Por todo lo anterior, los Ingenieros/as Químicos/as dependen de su conocimiento en matemáticas y ciencias para solucionar problemas técnicos de manera segura y económica. Las dos funciones principales de un/a Ingeniero/a Químico/a son:

1.

Diseñar procesos que convierten materias primas y fuentes básicas de energía en productos deseados o formas superiores de energía.

2.

Mejorar y operar procesos existentes de manera que lleguen a ser seguros, eficientes y económicos.

Es decir, un/a Ingeniero/a Químico/a no es otra cosa que un/a Ingeniero/a de Procesos. Los/as Ingenieros/as Químicos/as tienen un amplio campo laboral, pues trabajan en manufactura, farmacéutica, diseño y construcción, industrial del papel, petroquímica, industria alimenticia, especialidades químicas, microelectrónica y materiales avanzados, polímeros, biotecnología, empresas de servicios, seguridad industrial, ingeniería ambiental, ventas técnicas, gobierno, entre otras.

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1. CONCEPTOS Y PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

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1.1 Origen y alcance de la Termodinámica El término Termodinámica proviene del griego “therme” (calor) y “dynamis” (poder). En otras palabras, es el estudio de la energía y de sus transformaciones. La Termodinámica trata del calor y del trabajo y de aquellas propiedades de las sustancias que guardan alguna relación con el calor y el trabajo. Existe un debate sobre sí debe considerarse a la Termodinámica como una ciencia o seguir considerándola una rama de la Física. De cualquier manera, la Termodinámica involucra el estudio del almacenamiento, transformación y la transferencia de energía. La energía puede almacenarse en forma de energía interna (temperatura), energía cinética (movimiento), energía potencial (elevación) y energía química. Existen transformaciones entre estas diferentes formas de energía y pueden ser transferidas a través de la frontera de un sistema en forma de calor o trabajo. El/la Ingeniero/a Químico aplica los conceptos básicos de la Termodinámica (primera y segunda ley) en el análisis y diseño de dispositivos tales como: torres de enfriamiento, ciclos de potencia, turbinas, bombas, compresores, intercambiadores de calor, entre otros.

La Termodinámica surgió de manera desordenada a través de la historia y no fue sino hasta el año 1824 cuando un ingeniero francés de tan solo veintiocho años llamado Sadi Carnot, publica un tratado llamado “Reflexiones sobre la potencia motriz del calor y sobre las máquinas apropiadas para desarrollar esta potencia” en el cual se sentaron las bases de la Termodinámica. En dicho tratado Carnot describe la máquina térmica perfecta y deduce que ni siquiera está podrá alcanzar una eficiencia del cien por ciento al transformar entre diferentes tipos de energía. Por estas razones es que a Sadi Carnot se le considera el padre de la Termodinámica, aun cuando las bases matemáticas para la tesis que expuso en su tratado fueron desarrolladas por Rudolf Clausius hasta el año 1849. En 1865 Clausius introdujo el concepto de “entropía”.

Figura 1.2 A la izquierda: Sadi Carnot, considerado el padre de la Termodinámica. A la izquierda: Rudolph Clausius, quien sentó las bases matemáticas de la Segunda Ley de la Termodinámica.

En la vida cotidiana existen innumerables dispositivos que transforman una forma de energía en otra, por ejemplo: un motor, una locomotora, una central termoeléctrica, un calentador de agua, un acondicionador de aire, un refrigerador, una lámpara de halógeno, entre otros. Algunos de estos dispositivos son capaces de transformar algún tipo de energía (particularmente la térmica) en trabajo (por ejemplo: el motor, la locomotora a vapor y la central termoeléctrica); a éstos se les conoce como máquinas térmicas. Algunos ejemplos de máquinas térmicas se muestran en las figuras 1.3 y 1.4.

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1. CONCEPTOS Y PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

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Figura 1.3 Ejemplos de Máquinas térmicas: a) Locomotora de vapor; b) Barco de vapor

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Figura 1.4 Algunas máquinas térmicas: a) Aeolipila; b) George Stephenson adaptó la máquina de vapor a una locomotora

Como ya se explicó, a través de la historia las máquinas térmicas se desarrollaron sin que hubiese la menor comprensión sobre la explicación científica de su funcionamiento, y no fue hasta los trabajos de Sadi Carnot que la teoría que gobierna el comportamiento de las máquinas térmicas comenzó a tomar forma. En la tabla 1.1 se presentan algunos hechos que contribuyeron al desarrollo de Termodinámica.

Tabla 1.1 Inventos y hechos que contribuyeron al desarrollo de la Termodinámica Año ~130 a. C.

Inventor Descubierta por Hero de Alejandría

Descripción Primera máquina térmica de la que se tiene evidencia escrita. “Aeolipila” se trataba de una turbina de vapor primitiva.

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1. CONCEPTOS Y PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

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Tabla 1.1 Inventos y hechos que contribuyeron al desarrollo de la Termodinámica Año

Inventor

Descripción

1663

Edward Somerset

En su obra Un siglo de Invenciones describe un método para elevar un volumen de agua usando vapor. Al carecer de bosquejos o figuras, aún está en duda si construyó o no la máquina.

1698

Thomas Savery

Obtiene la patente para una máquina utilizada para elevar cantidades considerables de agua. Se considera la primera máquina de vapor y se utilizó en la extracción de agua de las minas de carbón, distribución de agua para casas habitación y pequeñas comunidades. Su aplicación fue limitada dado que las calderas no podían soportar altas presiones.

1690

Denis Papin

Primera versión de una máquina de vapor usando un cilindro y un pistón.

1705

Newcomen y Cawley

Mejoran la máquina de Papin. John Smeaton realiza ajustes técnicos y la produce en gran tamaño, arranca su producción en serie.

1717

Gabriel Fahrenheit

Fabricación del termómetro (escala Fahrenheit), cuyo funcionamiento se basa en la Ley Cero de la Termodinámica, la cual aún no había sido formulada, aunque ya había sido tratada por personajes como Leonardo da Vinci y Galileo ya la habían observado (noción de equilibrio).

1770

James Watt

Realiza mejoras al diseño de Smeaton. Ideó la forma de usar la máquina para hacer girar un eje lo que permitió darle más aplicaciones a la máquina de vapor (además del bombeo).

1829

George Stephenson

Adapta la máquina de vapor a una locomotora.

1802

W. Symington

Navega el remolque “Charlotte Dundas”.

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1. CONCEPTOS Y PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

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Tabla 1.1 Inventos y hechos que contribuyeron al desarrollo de la Termodinámica Año

Inventor

Descripción

1803

Joseph Black

Distinción entre calor y temperatura, calor específico y latente.

1807

Robert Fulton

Hizo navegar un barco en el río Hudson con máquinas de vapor diseñadas por Boulton y Watt.

1884

Parsons

Desarrolla la turbina de vapor.

1889

Laval

Perfecciona la turbina de vapor. Mejoras en diseño y materiales.

1824

Sadi Carnot

Producción de trabajo mecánico (potencia motriz) a partir de fuentes que producen calor. Surge la teoría moderna de las máquinas térmicas y las leyes de la Termodinámica (2da ley de la termodinámica).

1865

Rudolph Clausius

Introduce el concepto y definición matemática de entropía, con lo que queda definida la Segunda Ley de la Termodinámica.

1.1.1 Clasificación de la Termodinámica La Termodinámica proporciona una descripción de la materia a escala macroscópica, en la que la materia se describe en términos de propiedades tales como presión, densidad, volumen y temperatura.

La Termodinámica puede clasificarse en Termodinámica clásica y Termodinámica estadística, dependiendo del enfoque de estudio de los fenómenos de transformación de energía. La Termodinámica clásica estudia la escala macroscópica, es decir, el promedio del comportamiento de las partículas individuales; mientras que la Termodinámica Estadística se basa en el comportamiento estadístico de grandes gr...