La termodinámica en la ingeniería química

La Termodinámica en la Ingeniería Química
Francisco Santander.

Introduciendo la palabra “Termodinámica” en el buscador de un portal, se encuentran foros de discusión que plantean inquietudes acerca de la naturaleza de esa temática. Preguntas típicas son: qué cuestiones aborda, por qué está presente en tantos lugares en la mayoría de las mallas curriculares o a qué se debe su importancia. Elpropósito del presente escrito es describir qué es lo que se estudia en esta materia, señalando por qué es tan importante en la formación y en el quehacer de un ingeniero(a) químico(a).

La Ingeniería Química y la Termodinámica
Por un lado, la ingeniería química es, básicamente, el estudio de la transformación de la materia y la energía con el fin de generar valor y riqueza, por el otro, latermodinámica es, básicamente, el estudio de algunos aspectos fundamentales de la materia, la energía y su interacción. En ambas definiciones se encierra la razón por la que la termodinámica es uno de los pilares de la ingeniería química. Sin ella como fuente de fundamentos, la misión social de la ingeniería química no sería posible de cumplir a satisfacción.

El Ingeniero Químico y la TermodinámicaLa razón por la cual es importante que el ingeniero químico cuente con una formación sólida en esta materia, tiene que ver con algunas de las preguntas que en la práctica se formulan a la hora de emprender la tarea de generar valor con la transformación del material A en el B.
¿Es esa transformación realmente posible? (es decir, en el sentido de si la naturaleza realmente lo permite); si no,¿qué condiciones deberían cambiar para que lo fuese?; si resulta ser factible, ¿hasta dónde es posible hacer esa transformación?, ¿cuánta energía exige cierta cantidad de A para transformarse en B? Todas esas preguntas deciden si el proyecto de industria química resulta técnica y económicamente viable. Como se verá, son esas preguntas las que la termodinámica contesta.

Objeto de Estudio de laTermodinámica Clásica
De manera razonablemente general, la termodinámica estudia los sistemas, entendidos como porciones del espacio físico claramente delimitadas y bien definidas, sin que importe su forma o su tamaño, que cuentan con cierta cantidad de materia en un estado. Ese estado del sistema es el conjunto de características físicas que lo describen de manera cuantitativa, y cuya variaciónconstituye una señal de que el sistema ha sufrido un cambio. Una primera forma de entender el estado de un sistema es a partir de la identificación y cuantificación de características físicas cercanas a las personas a través de los sentidos: temperatura (que se percibe con el tacto), volumen (que podemos ver y medir), presión (como la que se experimenta con un machucón), etc. El conjunto de valorescuantitativos que en determinado momento toman todas estas propiedades termodinámicas, es lo que describe al sistema desde el punto de vista de la termodinámica. Si al menos una de esas propiedades cambia, se dice que el sistema sufrió un cambio de estado.

De manera un tanto más específica, y en el sentido clásico, la termodinámica se limita a estudiar los sistemas en el estado de equilibrio, esdecir, en ausencia de cualquier cambio. Más aún, la termodinámica no estudia cualquier cambio de estado, solo aquellos entre estados de equilibrio, y solo da explicaciones a cerca de los cambios netos sin reparar en sus causas ni tampoco en los medios como fueron posibles. Se dice pues que la termodinámica no explica la trayectoria de los procesos, tan solo los cambios netos entre un principio yun final.

Por ejemplo, la termodinámica estudia el hecho de que para calentar un kilo de agua líquida en una olla desde 20 hasta 25 ºC sea necesario suministrar unas 5 kcal. Va al hecho y punto. En cambio, hay una cantidad de aspectos que no hacen parte de su objeto de estudio: no es relevante si el calentamiento se hizo en un milisegundo o en diez años, si se calentó sobre el fogón de una...