1. INTRODUCCIÓN 1.1 INGENIERÍA Es difícil dar una explicación

INTRODUCCIÓN
1. INTRODUCCIÓN
1.1 INGENIERÍA
Es difícil dar una explicación de ingeniería en pocas palabras, pues se puede decir
que la ingeniería comenzó con el hombre mismo, pero se puede intentar dar un
bosquejo general de la ingeniería como una profesión. La definición dada por el
Accreditation Board for Engineering and Technology es:
“ La ingeniería es la profesión mediante la cual se aplican racionalmente los
conocimientos de las matemáticas y de las ciencias naturales, adquiridos por el
estudio, la experiencia y la práctica, al desarrollo de métodos económicos de
utilización de los materiales y las fuerzas de la naturaleza para beneficio de la
humanidad”.
Se puede ampliar un poco más la definición y decir que los conocimientos que
necesita aplicar racionalmente en la actualidad un ingeniero para llevar a cabo un
buen desempeño abarcan muy diversas áreas ( además de las matemáticas y las
ciencias naturales), dentro de las cuales podemos mencionar las ciencias de
ingeniería (termodinámica, fenómenos de transporte, cinética), ciencias sociales y
humanas (economía, historia, sociología), legislación y ética, entre otras. Pero
como lo menciona la definición, estos conocimientos adquiridos por el estudio,
alcanzaran su máxima utilidad en el ingeniero a medida que éste se enfrente a
problemas cada vez más complejos, para cuya solución es necesario recurrir al
conocimiento adquirido por medio de la experiencia y se requiere a menudo hacer
gala de sentido común y creatividad.
Con estos conocimientos anteriormente mencionados (y por supuesto con nuevos
descubrimientos o teorías en esas áreas del conocimiento) y siempre teniendo en
cuenta los recursos disponibles, el ingeniero puede crear, diseñar, operar y
optimizar procesos que transformen dichos recursos con miras a obtener un
producto (bien o servicio) que satisfaga alguna necesidad de la sociedad a la cual
este producto será ofrecido. El ingeniero deberá por lo tanto estar atento no sólo a
encontrar soluciones tecnológicamente factibles sino también a preguntarse si esa
solución satisface las necesidades de la sociedad. Esto implica, por supuesto, que
el ingeniero debe cuidar al máximo y en la medida de sus posibilidades que el
proceso para llegar a un producto final afecte en la menor medida posible los
recursos ambientales.
En la figura 1.1 se presenta un esquema que resume la anterior exposición de la
ingeniería como una profesión.
1
FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA CLÁSICA
NO
HERRAMIENTAS:
DESARROLLO
CIENTÍFICO
RECURSOS
DISPONIBLES
- Matemáticas
- Ciencia básica
- Ciencia de ingeniería
- Ciencias sociales y
humanas
- Legislación
- Ética
- Experiencia
- Sentido común y
creatividad
DISEÑO Y
OPTIMIZACIÓN:
- Procesos
- Equipos
- Optim. económica
- Menejo del recurso
ambiental
- Menejo del recurso
humano
- Mercadeo y venta
El producto puede satisfacer
las necesidades de la
sociedad?
SI
El producto entra a competir
con otros ofrecidos a la
sociedad
Figura 1.1 Esquema de la ingeniería.
1.2 TERMODINÁMICA
Como se mencionó anteriormente, la termodinámica hace parte de las
herramientas que debe tener un buen ingeniero para su desempeño eficiente y
puede considerarse dentro de esa perspectiva como un puente entre los
conocimientos de las ciencias naturales y los conocimientos de las ciencias de
ingeniería.
La termodinámica nació como una forma de estudiar y comprender mejor
dispositivos que producen energía mecánica a partir del calor (de allí su nombre,
el cual significa: potencia obtenida a partir del calor) y no es extraño encontrar en
los primeros libros sobre el tema definiciones como “ Termodinámica es la ciencia
que trata de las relaciones entre calor y trabajo”. En la actualidad, se considera a
la termodinámica como un área con un mayor alcance y que se podría definir
como:
El estudio de las transformaciones energéticas y las restricciones a estas
transformaciones mediante la observación y medición de propiedades
macroscópicas de las sustancias en condiciones de equilibrio o cerca de éste.
Algunas de las palabras claves de esta definición como energía, propiedad,
sustancia y equilibrio, se explicarán y definirán con mayor detalle posteriormente.
Por ahora se puede decir que el análisis de estas transformaciones descansa en
unos postulados o leyes (llamadas las leyes de la termodinámica) que no se han
demostrado matemáticamente sino que su validez esta basada en la experiencia
recogida por la humanidad durante años de observación de la naturaleza. Dentro
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INTRODUCCIÓN
de las restricciones que impone la termodinámica, no se ha encontrado ningún
proceso que no cumpla con los postulados y es claro que ellos serán válidos
mientras no se hallen procesos o situaciones que los contradigan, momento en el
cual será la hora de desarrollar una nueva teoría.
En la definición también se habla de un enfoque macroscópico (a gran escala) de
la observación de la naturaleza. Este enfoque, llamado termodinámica clásica, no
considera los cambios ni procesos que ocurren a escala microscópica o molecular
y es claro que al estudiar los efectos globales no es necesario tener un modelo de
la estructura atómica de las sustancias y por lo tanto los nuevos descubrimientos o
teorías en este campo no modifican la validez de los postulados de la
termodinámica. La estructura de la termodinámica clásica es relativamente simple
debido a que sus conceptos son mas fácilmente aceptables intuitivamente y a que
las matemáticas involucradas en su estudio no contienen mayor complejidad o
nivel de abstracción, esta estructura simple involucra alguna desventaja: aunque
por medio de la termodinámica clásica se pueden predecir las relaciones entre las
propiedades de las sustancias, no puede mostrar porque tales relaciones tienen
una forma particular. Afortunadamente, en la mayoría de las aplicaciones de
ingeniería es más importante conocer los efectos globales que tener un
conocimiento detallado de lo que ocurre a nivel atómico.
En situaciones donde el enfoque macroscópico no es adecuado (como por
ejemplo cuando se hacen estudios de sustancias a alta temperatura y presión en
procesos de generación de energía magnetohidrodinámica), se debe emplear un
estudio basado en el comportamiento estadístico de gran número de partículas
(grupos del orden de 1020 o superiores). Este enfoque, llamado termodinámica
estadística, requiere de un modelo de la estructura de las sustancias y combina
técnicas de cálculo estadístico y teoría de probabilidades con conocimientos de
teoría cuántica. Por esto las matemáticas requeridas por la termodinámica
estadística son bastante más complejas que las requeridas por la termodinámica
clásica, pero esta complejidad se ve recompensada por la posibilidad de predecir y
explicar el comportamiento macroscópico de la materia.
Como se mencionó anteriormente, la mayoría de los problemas de ingeniería
solamente requieren de un análisis del efecto global de los procesos sobre las
sustancias, es por eso que la presentación de la termodinámica en este libro
tendrá esencialmente un enfoque clásico, el cual permite soluciones a menudo
más simples y una más fácil comprensión e interpretación de los resultados
obtenidos.
En la definición de termodinámica se dice que los estudios se hacen entre estados
de equilibrio (o cerca del equilibrio), esto quiere decir que sólo se consideran las
características o propiedades de las sustancias antes y después de un proceso de
cambio y no durante dicho proceso ni se estudia el mecanismo o la velocidad a la
cual se lleva a cabo la transformación. O en otras palabras, la termodinámica
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FUNDAMENTOS DE TERMODINÁMICA CLÁSICA
puede predecir lo que va a ocurrir en un caso determinado, pero no dirá nada
acerca de la velocidad a la que ocurrirá ni cual es el mecanismo involucrado.
1.3 MÉTODO DE LA TERMODINÁMICA
Para el estudio de procesos de transformación energética la termodinámica ha
desarrollado un método claro y un modo de obrar que permite, como ya se dijo,
soluciones relativamente simples a problemas reales de ingeniería. Este método
de análisis termodinámico se puede resumir en lo siguiente:
-
Análisis de las diferentes formas de energía que pueden estar involucradas
en un proceso particular.
-
Conocimiento de las propiedades de las sustancias que están relacionadas
con los procesos de transformación energética.
-
Determinación de la forma de medir estas propiedades y búsqueda de las
relaciones que permitan asociar propiedades de difícil medición con otras
cuya medición pueda ser más directa o sencilla.
-
Evaluación de la eficiencia de la transformación energética que ha tenido
lugar.
Para ilustrar este método con un ejemplo considere el dispositivo mostrado en la
figura 1.2 (una máquina térmica).
Gases de
combustión
Cámara de
combustión
1
Calor
Evaporador
Turbina
4
Combustibles
Generador
eléctrico
2
3
Trabajo
Trabajo
Condensador
Calor
Bomba
Figura 1.2
Máquina térmica para la producción de energía eléctrica.
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INTRODUCCIÓN
El principal objetivo de esta máquina térmica es transformar energía química del
combustible en la cámara de combustión (petróleo, carbón, gas, etc.) en energía
eléctrica. Por esta máquina circula una sustancia (llamada comúnmente sustancia
de trabajo) que será la encargada de recibir y entregar los flujos energéticos
involucrados y sufrirá cambios en sus propiedades a medida que pasa por cada
uno de los equipos.
Por medio de la determinación de las propiedades de la sustancia en los puntos 1,
2, 3 y 4 (condiciones anteriores y posteriores de la sustancia en cada uno de los
equipos) y un análisis termodinámico, se puede establecer cuanta de la energía
entregada a la sustancia de trabajo en la cámara de combustión se convirtió
realmente en energía eléctrica, así como la magnitud de los diferentes flujos
energéticos involucrados en todo el proceso. Cabe resaltar que la cuantificación
de los flujos energéticos dependerá sólo del valor de las propiedades de la
sustancia de trabajo en cada punto y no de la naturaleza de la sustancia utilizada
(esta característica tan importante, será explicada con mayor detalle en capítulos
posteriores).
Por último, cabe anotar que los resultados que se pueden obtener de un análisis
termodinámico de una situación en particular dependen en gran medida de la
“confiabilidad” de los datos que están disponibles. Es decir, que a medida que los
datos de las propiedades de las sustancias sean determinados con mayor
exactitud se obtendrán resultados (por medio de análisis termodinámicos) más
ajustados a la realidad, por esto en la actualidad la consecución de datos más
confiables de las propiedades y la búsqueda de mejores relaciones entre ellas es
uno de los campos de mayor actividad investigativa.
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