Termodinámica

UNIVERSIDAD DE CONCEPCION FACULTAD DE INGENIERIA DEPTO. DE INGENIERIA QUIMICA

CURSO DE TERMODINAMICA APUNTES

Dr. Hugo Segura Revisión 2012

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Introducción La Termodinámica, del griego τερµοσ (thermos: calor, temperatura) y διναµισ (dinamis: dinámica, ναµι movimiento, fuerza), es una ciencia física que estudia la relación entre el calor y la mecánica. Específicamente, la Termodinámicaconsidera la energía asociada al calor y su transformación en trabajo, o en otras formas de energía. Históricamente, el gran desarrollo científico de la Termodinámica está vinculado a la Revolución Industrial en Inglaterra y, en particular, a la invención de la máquina de vapor durante el siglo XIX. Indudablemente, la termodinámica es una herramienta poderosa de análisis en la práctica de laIngeniería, en función a que el calor es una de las formas más comunes de producir trabajo útil. Por ejemplo, son frecuentes en la vida cotidiana la producción de energía en base al motor de cuatro tiempos, como también las turbinas de vapor para la producción de energía eléctrica o mecánica... el denominador común de estos casos es que se transfiere calor a la materia, la que por fenómeno de expansiónmueve un pistón o hace rotar un eje de un árbol de una turbina. Al igual que el calor puede transformarse en trabajo con la intervención de un fluido, el trabajo sobre un fluido puede liberar calor: el ejemplo más sencillo es un bombín para inflar los neumáticos de una bicicleta. En este caso, el trabajo aplicado sobre el pistón eleva la presión del aire, y eleva su temperatura por sobre latemperatura ambiental, lo que establece un flujo de calor. A diferencia de las otras especialidades de la Ingeniería, la Ingeniería Química procede sobre transformaciones Químicas y Físicas de la materia, de modo de obtener productos intermediarios o finales. Cualquiera de estas transformaciones requiere (o libera) energía. A modo de ejemplo, podemos considerar la reacciones químicas endo oexotérmicas, o un caso frecuente de tecnología de purificación como es la destilación. El diagrama de flujo más sencillo asociado a un proceso químico se aprecia en la siguiente Figura:

Q

Productos

intercambiador de calor
reactor

columna de destilación Subproductos

? Q ? W
compresor

Q Q

alimentación

bomba centrífuga Reciclo Purga

? W

1. Toda reacción química necesita de uncierto nivel de temperatura y presión de forma que ocurra, o de modo que la cinética de un producto deseado sea favorecida. Las materias primas, generalmente
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tomadas en las condiciones del ambiente, requieren de adecuación térmico-mecánica para alimentar al proceso. La presión puede controlarse con compresores, bombas centrífugas, válvulas y turbinas y, en algunos de estos procesos, se estátransfiriendo trabajo al fluido. De igual modo, la temperatura puede controlarse transfiriendo calor a los fluidos mediante intercambiadores de calor. La termodinámica permite calcular cuanto trabajo y calor se requiere para que una corriente proceda de un estado de equilibrio a otro. Calor y trabajo involucran costos energéticos, y la energía es un costo relevante en todo proceso químico. 2. Lasreacciones endotérmicas necesitan de calor para que la transformación ocurra. Las exotérmicas, en tanto, liberan calor, aumentando la temperatura de los reactivos probablemente por sobre la resistencia térmica de los equipos si no hay un control adecuado. Nuevamente, haciendo uso de la Termodinámica, podemos calcular qué transferencia de calor es necesaria, de modo que la reacción sea técnicamentefactible. Por otro lado, la Termodinámica nos permite conocer la probabilidad de ocurrencia de una reacción, y su máximo rendimiento. 3. Generalmente, las reacciones químicas entregan el producto deseado en una mezcla que contiene reactivos e impurezas. Según sabemos de la Físicoquímica, todos los compuestos difieren en temperatura de ebullición, de manera que las mezclas pueden ser vaporizadas...