Termodinámica de Procesos IWQ

Termodinámica de Procesos IWQ-111SJ
Gonzalo Núñez
Laboratorio de Termodinámica de Procesos
Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
Descripción de la Asignatura
Termodinámica de Procesos es un curso de termodinámica clásica de contenidos y nivel de conocimiento
correspondiente a una asignatura del ciclo de ciencias de ingeniería. Su relevancia radica en que la termodinámica es
la ciencia que permite derivar herramientas de ingeniería para analizar sistemas y procesos sobre la base de los
principios que gobiernan la Naturaleza, i.e., conservación de la energía e incremento de la entropía.
La asignatura está orientada hacia el análisis de sistemas constituidos por fluidos puros que experimentas
modificaciones o procesos, empleando herramientas de balances, materia, energía, y entropía. Especial énfasis se
hace en el cálculo efectos térmicos asociados a, modificación de propiedades (calor sensible), cambios de fases de
compuestos puros (calor latente), y reacciones químicas (calor de reacción). La comprensión del marco conceptual y
las definiciones que se derivan dan origen a herramientas generales que permiten evaluar propiedades
termodinámicas de compuestos puros. Asimismo, entrega las bases que serán requeridas para el análisis de sistemas
multicomponentes en cursos superiores.
Para estudiantes del área de procesos el curso es la primera fracción en régimen semestral de un conjunto de
conocimientos de termodinámica que se completa anualmente con una segunda fracción que incluye la asignatura de
termodinámica del equilibrio. En general para estudiantes de otras áreas, Termodinámica de Procesos entrega las
bases de conocimiento de la mayor relevancia que serán empleadas en niveles superiores.
Requisitos de Ingreso a la Asignatura
• Conocimientos de Química Básica, Física General, Algebra y Cálculo.
• Conocimientos de Balance de Materia.
• Comprensión de textos técnicos en Inglés.
Competencias a las que Contribuye la Asignatura
• Aplicar el conocimiento de ciencia e ingeniería, para identificar y resolver problemas reales en el ámbito de la
ingeniería de procesos.
• Usar técnicas y herramientas actuales y/o innovadoras para la práctica y el emprendimiento en ingeniería.
Grado de Contribución a las Competencias de la Asignatura
Grado
Competencia
Estrategia
Alto
Aplicar el conocimiento de ciencia e
ingeniería, para identificar y resolver
problemas reales en el ámbito de la
ingeniería de procesos.
Resolución de problemas cualitativos y cuantitativos para los
cuales los estudiantes deben interpretar información, comprender
conceptos y aplicar herramientas de balances de materia, energía y
entropía.
Resolución de problemas utilizando herramientas para el cálculo de
efectos térmicos asociados a:
• Modificación de propiedades de compuestos puros (efecto
sensible).
• Cambios de fases de compuestos puros (efecto latente).
• Reacciones químicas (efecto de reacción).
Resolución de problemas utilizando herramientas de cálculo de
propiedades termodinámicas de compuestos puros, utilizando
tablas, diagramas y/o programas para cálculo para la descripción y
cuantificación.
Resolución de problemas conceptuales simples utilizando
herramientas asociadas a las definiciones termodinámicas
generales.
Alto
Usar técnicas y herramientas actuales
y/o innovadoras para la práctica y el
emprendimiento en ingeniería.
Empleo de tablas, diagramas y/o programas para cálculo para la
descripción y cuantificación de propiedades de compuestos puros.
Objetivos (Resultados del Aprendizaje): Al Aprobar la Asignatura, el Estudiante Será Capaz de:
1. Analizar procesos utilizando fundamentos y herramientas de termodinámica clásica:
• Balances de materia, energía, entropía
• Efectos térmicos asociados a modificación de propiedades (sensible) y cambios de fases (latente) de
compuestos puros, y reacciones químicas (reacción).
2. Comprender el marco termodinámico conceptual y aplicar las definiciones en las que se fundamentan las
herramientas de cálculo de propiedades termodinámicas de compuestos puros.
3. Establecer la base conceptual y definiciones termodinámicas requeridas para el análisis de sistemas multicomponentes.
Contenidos Temáticos de la Asignatura
1. Balance de Energía: Primer Principio (Unidades 1 - 6).
2. Balance de Entropía: Segundo Principio (Unidad 7).
3. Tablas y Diagramas de Propiedades de Fluidos de Procesos (Unidad 8).
4. Cálculo de Propiedades Volumétricas de Fluidos (Unidad 9).
5. Cálculo de Propiedades Termodinámicas de Fluidos (Unidad 10).
6. Termodinámica de Procesos en Flujo (Unidad 11).
7. Ciclos de Potencia y Refrigeración (Unidad 12).
Metodología de Enseñanza y de Aprendizaje de la Asignatura
• Clases expositivas con apoyo de medios audiovisuales.
• Aprendizaje basado en el análisis y discusión de casos, y ejemplos de aplicación.
Evaluación de la Asignatura
El proceso de evaluación contempla sesiones semanales de taller, controles, dos certámenes, y un certamen global
recuperativo (que incluye todos los contenidos presentados en la asignatura). La asistencia a los talleres es requisito
para aprobar la asignatura, se considera efectiva solamente si: (i) Al finalizar la sesión de taller se entregará(n)
resuelto(s) el(los) problema(s) propuesto(s); (ii) La participación en las sesiones de taller es igual o superior al 75 %
del total. Los controles se realizarán al finalizar la clase de catedra y se informarán con una semana de anticipación
los tópicos que serán evaluados.
Cada certamen, para un total de 100 puntos, estará estructurado en dos secciones: (i) Un total de 5 problemas de
corta resolución (aplicados y/o conceptuales) evaluados con 14 puntos cada uno, para un total de 70 puntos; (ii) Un
problema integral (aplicado y/o conceptual) evaluado con 30 puntos. El trabajo para ambas secciones incluye el uso
de formulario y se estima en 2.2 h el tiempo necesario para completar las respuestas. Las tablas 1 y 2 presentan,
respectivamente, el detalle de fechas y condiciones para la aprobación del curso.
Tabla 1 Fechas, horario y salas para evaluación del Curso Termodinámica para Ingenieros Químicos IWQ-111SJ, Segundo Semestre de 2013.
Evaluación
Fecha
Horario
Salas
Certamen 1
09.11.2013
2.00 pm
…
Certamen 2
11.01.2014
2.00 pm
…
Certamen Global Recuperativo 22.01.2014
2.00 pm
…
Observaciones
Las inasistencias deberán ser justificadas con un documento formal en la Secretaría del Departamento de Ingeniería
Química y Ambiental, dentro de los 5 (cinco) días hábiles posteriores a la fecha de rendición (ver Tabla 1), requisito
que habilita para la rendición del Certamen Global Recuperativo. No hay recuperación de controles.
Tabla 2 Evaluación del Curso Termodinámica de Procesos IWQ-111SJ, Segundo Semestre de 2013.
Calificación Final (SIGA)
= 0.70·(Promedio de Certamen 1 y Certamen 2) + 0.30 (Promedio
Controles)
= 0.50·(Promedio de Certamen 1 y Certamen 2) + 0.40·(Certamen
Global Recuperativo(1)) + 0.10 (Promedio Controles)
Condición
•
(Promedio de Certamen 1 y Certamen 2) ≥ 70
•
(Promedio de Certamen 1 y Certamen 2) ≥ 55, y (Notas de Certamen 1 y
Certamen 2) ≥ 40
•
Participación en sesiones de Taller ≥ 75 %
•
(Promedio de Controles) ≥ 55
•
(Promedio de Certamen 1 y Certamen 2) < 70, y (Notas de Certamen 1 ó
Certamen 2) < 40
•
(Promedio de Certamen 1 y Certamen 2) < 55
(1)
(2)
•
(Promedio de Controles) < 55
•
Participación en sesiones de Taller < 75 %
•
Inasistencia a Certámenes(2)
Calificación mínima del Certamen Global Recuperativo para aprobar la asignatura, 55 puntos
Cálculo del promedio incluye calificación(es) de solo el(los) certamen(s) rendido(s)
Bibliografía
1. R.E. Balzhiser, M.R. Samuels, J.D. Eliassen, Chemical Engineering Thermodynamics, Prentice-Hall, 1972.
2. J.R. Elliott, C.T. Lira, Introductory Chemical Engineering Thermodynamics, Prentice Hall, 1999.
3. R.M. Felder, R.W. Rousseau, Elementary Principles of Chemical Processes, J. Wiley and Sons, 2000.
4. O.A. Hougen, K.M. Watson, R.A. Ragatz, Chemical Process Principles, J. Wiley and Sons, 1977.
5. O. Levenspiel, Fundamentos de Termodinámica, Prentice-Hall, 1997.
6. B.E. Poling, J.M. Prausnitz, J. P. O'Connell, The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill, 2000.
7. S.I. Sandler, Chemical and Engineering Thermodynamics, J. Wiley and Sons, 2006.
8. J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. Abbott, Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química, McGraw-Hill,
2004.
9. J.M. Prausnitz, R. Lichtenthaler, E. Gomes de Azevedo, Molecular Thermodynamics of Fluid-Phase Equilibria,
Prentice Hall, 1999.
Plan Tentativo de Actividades
Las actividades a desarrollar en el curso han sido tentativamente resumidas en la Tabla 3, presentada a continuación.
Tabla 3 Plan de actividades tentativas del curso Termodinámica de Procesos IWQ-111SJ, Segundo Semestre de 2013.
Mes
Septiembre 2013
Contenidos / Actividades
U1 Introducción Definiciones y Conceptos Fundamentales
U2 Balance de Energía Primer Principio; U3: Reversibilidad
Ejemplo de aplicación U2 y U3
U4 Gases Ideales en Procesos Simples de Compresión y Expansión
Ejemplo de aplicación U4
Octubre 2013
U5 Balance de Energía de Sistemas en Flujo
Ejemplo de aplicación U5
U6 Efectos Térmicos de Procesos
Ejemplo de aplicación U6
U7 Incremento de la Entropía Segundo Principio
Ejemplo de aplicación U7
U8 Tablas y Diagramas de Propiedades de Fluidos de Procesos
Ejemplo de aplicación U8 (Tablas)
Certamen 1: Sábado 09; 2.00 pm; Salas: C225, C226, C227
Noviembre 2013
Ejemplo de aplicación U8 (Diagramas)
U9 Cálculo de Propiedades Volumétricas Ecuaciones de Estado
Ejemplo de aplicación U9
U10 Cálculo de Propiedades Termodinámicas
Ejemplo de aplicación U10
Diciembre 2013
U11 Termodinámica de Procesos en Flujo
Ejemplo de aplicación U11
U12 Ciclos de Potencia y Refrigeración
Ejemplo de aplicación U12
Enero 2014
Certamen 2: Sábado 11; 2.00 pm; Salas: C225, C226, C227
Certamen Global Recuperativo: Miércoles 22; 2.00 pm; Salas: C225, C226