Procesos industriales

“APUNTES PROCESOS INDUSTRIALES I”

SANTIAGO – CHILE MARZO 2009

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INDICE DE CONTENIDOS 1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES • Definición de termodinámica. Sistemas termodinámicos • Tipos de sistemas, estado de un sistema, equilibrio termodinámico • Propiedades de un sistema y propiedades termodinámicas • Gases ideales, gases reales. Ecuaciones de estado para gases: Ecuación de Van der Waals, Ec.generalizada de estado, Factores de compresibilidad. 2. LEY CERO DE LA TERMODINAMICA • Equilibrio térmico. Termometría y escalas termométricas 3. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA • Calor, trabajo y energía. Procesos cíclicos • Procesos termodinámicos reversibles. Trabajo de expansión • Entalpía y capacidad calorífica. • Procesos adiabáticos. Efecto Joule-Thompson (proceso irreversible). 4.• • • • • •5.• • 6.• • • • • SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Entropía. Principios espontáneos e irreversibles Ciclo de Carnot, máquina térmica. Máquina de refrigeración. Efecto Joule-Thompson. Refrigeradores. Ciclos de aire estandar: Ciclo Otto, ciclo Diesel, ciclo Brayton. Ciclo Rankine: turbina de vapor. Diagramas termodinámicos. ENERGIA LIBRE Y EQUILIBRIO QUIMICO Reversibilidad e irreversibilidad de unproceso. Energía libre de Gibbs. Equilibrio químico, constante de equilibrio. Ecuación de Van´t Hoff. EQUILIBRIOS DE FASE: SUSTANCIAS PURAS Y DOS COMPONENTES Equilibrios de fase, equilibrio líquido-vapor, Ecuación de Antoine. Diagramas de fases para sustancias puras. Equilibrios de fase, equilibrio líquido-vapor. Ecuaciones de Antoine y Clausius Clapeyron. Soluciones líquidas ideales. Ley deRaoult. Diagramas de equilibrio Y-X, temperaturafracción molar. Diagramas de punto de ebullición de mezclas líquidas binarias. Disolución de gases en líquidos. Ley de Henry.

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1. CONCEPTOS FUNDAMENTALES 1.1 Definición de termodinámica. Sistemas termodinámicos La termodinámica puede definirse como la ciencia que estudia la conversión de calor en trabajo y viceversa. La termodinámica estudia losprocesos de conversión de la energía. La termodinámica estudia las relaciones del calor con otras formas de energía Para estudiar un determinado fenómeno, la termodinámica define un sistema separado de su entorno o medio ambiente por fronteras reales o imaginarias, es decir:

Procesos

Sistema

Medio externo

De esta manera se cumple que: sistema + medio ambiente = universo El estudiotermodinámico no considera la variable tiempo y supone que los procesos que ocurren en el sistema se verifican de manera infinitesimalmente lentos. Hay diferentes tipos de sistemas: a) Sistema homogéneo: compuesto por una fase (gas, líquida, sólida). b) Sistema heterogéneo: compuesto por más de 1 fase, por ejemplo mezclas de hielo-agua líquida. Hay sistemas que son: a) Abiertos: intercambian energía ymateria con el medio. b) Cerrados: sólo intercambian energía con el medio. c) Aislados: no intercambian ni energía ni materia con el medio.

Estado de un sistema. El estado termodinámico de un sistema se define a través de variables de estado (presión, temperatura, cantidad de materia, etc.). Una ecuación de estado es una relación matemática entre variables de estado. La ecuación de estado másconocida es la Ecuación de gases ideales: PV =nRT. Las propiedades que definen un estado termodinámico se denominan funciones de estado. Una función de estado tiene un valor determinado en cada estado que puede tomar el sistema. Tal es el caso de la energía interna (U) de un sistema. De esta manera, si la energía de un sistema en un estado 1 es U1 y en el estado 2 es U2, entonces la variación totalde la energía es: ΔU = U2 - U1 Para una función de estado no interesa el camino ni el tiempo para llegar desde el estado 1 al estado 2, es decir no depende del camino recorrido. Todo sistema macroscópico está constituido por moléculas. Las moléculas almacenan energía en 3

forma de; energía de traslación, de vibración, de rotación, de enlace, electrónicas e interacciones moleculares. La...