Ingeniería Química - El Portal de Referencia para Ingenieros Químicos

La Termodinámica en la Ingeniería Química. Parte II: Fundamentos de la Termodinámica

Francisco_Santander — Sun, 07 Mar 2010 01:33:05 -0500

Por lo general un curso previo de física constituye previa contextualización de algunas nociones fundamentales como energía y su conservación, trabajo, movimiento, calor, temperatura etc. Se da por descontado que todas ellas se conocen en alguna medida al abordar la materia por primera vez.

Esas nociones primitivas se profundizan; se estudian todas las formas de energía que pueden tener que ver con un sistema, se distinguen claramente aquellas magnitudes físicas que son propiedades termodinámicas de aquellas que no lo son, y se diferencian clases de sistemas (abierto, cerrado, aislado, etc). Es en esta etapa donde se tiene un primer feliz encuentro con un racionamiento tan poderoso que será en adelante el santo grial de la interpretación matemática de una enorme cantidad de situaciones físicas prácticas: El principio del balance.

Lo que ingresa + Lo que se genera = Lo que sale + Lo que se acumula

Si se aplica para la materia en un sistema, se habla de la bien conocida ley de la conservación de la masa, que no se considera una ley de la termodinámica, pero es en todo caso de obligatorio cumplimiento. Cuando se aplica a la energía en un sistema, se habla de la conservación de la energía, el balance energético, o bien del primer principio o primera ley de la termodinámica. Incluso, si se asimila como filosofía de vida puede aplicarse con éxito en llevar con orden las finanzas personales.

Con la primera ley, se puede entender algo de enorme importancia para la tradición de la tecnología: una máquina térmica en la forma de un ciclo de vapor de agua. Es mucho más que una aplicación trivial, pues fue esa idea la que permitió la invención de la máquina de vapor durante la revolución industrial, lo cual condujo históricamente a que se sentaran las bases de la termodinámica como la conocemos hoy.

El estudio de esa máquina térmica consiste básicamente en conocer lo que le ocurre al vapor de agua cuando pasa por una caldera, una turbina, una bomba, un enfriador y una válvula, junto con el significado de todos esos términos. Adicionalmente, se trata de un rito de iniciación en el que los ojos del o la aprendiz de ingeniero(a) químico(a) ven por primera vez la luz de un proceso industrial de transformación con materia y energía interactuando.

Si se aplica apropiadamente el principio del balance a una magnitud física a la que todo mundo llama entropía, se entra en los terrenos del segundo principio o segunda ley de la termodinámica. Hasta aquí evité emplear la palabra entropía, pero mencionada la segunda ley ya no hay remedio.

No soy tan avezado como para intentar contestar aquí a la pregunta ¿qué es la entropía?. Solo mencionaré que ese espinoso asunto es paso obligado por cualquier proceso de aprendizaje de los fundamentos y acto seguido confesaré que no sé qué rayos es la entropía. Para poner un hasta aquí a ese particular, me limitaré a citar lo que dijo el físico estadounidense Arnold Sommerfeld cuando se le preguntó por qué no había escrito un libro de termodinámica:

“La termodinámica es un tema divertido. La primera vez que pasas por la materia, no la entiendes del todo. La segunda vez, crees entenderla salvo por uno o dos pequeños puntos. La tercera vez estás completamente seguro de que no la entiendes, pero para entonces estás tan acostumbrado a eso que ya no te importa”.

(Cengel, Y.; Boles, M. Thermodynamics: An engineering approach, 5 Ed. 2005.)

Sin embargo, sí me referiré a la segunda ley. Ésta establece que la primera no es criterio suficiente para decidir qué proceso es posible y qué proceso no lo es. Así, se convierte en la expresión de las restricciones que impone la naturaleza: no todo es posible y lo que es posible, tiene un límite y tiene un costo.

Si bien la energía se conserva a lo largo de una transformación tras otra, no siempre estará disponible para que nos podamos valer de ella; eventualmente llegará un momento en que, habiendo la misma energía que en un principio, se tendrá que ya no es energía útil. En esa condición, sacarle partido a esa energía “muerta” no resulta posible. Esa degradación paulatina de la que es objeto la energía, es en realidad una pérdida, un potencial que se tuvo pero se consumió; es un precio que hubo que pagar. La implicación es que no es posible usar energía sin que una porción se pierda, y el costo consiste en renovar lo perdido.

Una consecuencia muy famosa de la segunda ley es que resulta imposible la existencia de las llamadas máquinas de movimiento perpetuo, o aquellas que usan la misma energía una y otra y otra vez hasta la eternidad, sin que se degrade y sin que pierda disponibilidad. Este hecho está incluso arraigado en la cultura popular; una muestra de ello está en aquella ocasión en la que la inquieta Lisa Simpson presenta orgullosa a su padre, Homero, una máquina de movimiento perpetuo. Él la reprende diciéndole “señorita, en esta casa respetamos las leyes de la termodinámica”.

Otra interpretación de la segunda ley, particularmente útil para la ingeniería química, está en el hecho de que todo proceso de transformación tiene una condición extrema de máximo rendimiento, mínima degradación y máxima disponibilidad de la energía, que solo es posible de alcanzar en teoría. Se trata de aquel límite que tiene todo aquello que es posible. Tal proceso imaginario, será lo más cercano a algo perfecto sin violar ni la primera ni la segunda leyes.

En el caso de la máquina térmica, la que cuenta con esas características tan particulares, se le estudia como el Ciclo de Carnot en honor al ingeniero francés así llamado, quien por vez primera concluyó que una máquina de vapor real podría tener en sus más atrevidos sueños un aprovechamiento energético máximo bastante inferior al 100%. Cualquier esfuerzo adicional por mejorar la eficiencia, sería completamente inútil.

Todo esto es, gruesamente, una pasada por el cuerpo teórico básico de la termodinámica clásica. Su estudio y apropiada comprensión es absolutamente necesaria; sin esos cimientos firmes, no se prosperará en las aplicaciones. Como bien reza el refrán: “no hay nada más práctico que una buena teoría”.

Becas para grado y postgrado en Ingeniería Química de la Fundación Roberto Rocca

luiscabrales — Tue, 23 Feb 2010 09:02:45 -0500

La fundación Roberto Rocca otorga becas de grado y postgrado en ingeniería química, entre otras áreas de ingeniería y ciencias. La fundación Roberto Rocca es patrocinada por las compañías Tenaris, Ternium y Techint.

Las becas de grado son destinadas para estudiantes de Argentina, Brasil, Colombia, México, Uruguay y Venezuela. Los requisitos , beneficios y áreas de estudios varían de país a país y las becas solo son para estudiantes de ciertas universidades.

Las becas de postgrado son para estudiantes de Argentina, Brasil, Colombia, México y Venezuela. Los estudios deber realizarse en una universidad fuera del país donde el estudiante es originalmente. Las becas son de hasta 50,000 dólares por año durante dos años que va hacia el pago de cuotas, matrícula y manutención. Las becas se pueden renovar por dos años más. Estas becas solamente aplican para estudios en ciencias de materiales, metalúrgica, ingeniería química, mecánica, eléctrica y de petróleo. Específicamente para el área de ingeniería química la beca solo se puede solicitar si él estudiante realiza estudios relacionados a una de las siguientes áreas: procesamiento de productos de desecho de fabricas de laminación de acero, controles ambientales de emisiones, electroquímica, nanotecnología química, energías alternativas y gasificación de combustibles sólidos. La fecha de inicio para nuevas solicitudes es alrededor de octubre de cada año.

Para estudiantes de México existe también la opción de becas de maestría en las siguientes instituciones: Instituto Politécnico Nacional, Instituto Tecnológico de Morelia, Instituto Tecnológico de Orizaba, Universidad Nacional Autónoma de México y el CINVESTAV en Saltillo.

Para más información se puede visitar la página de internet de la Fundación Roberto Rocca en el siguiente enlace:

Fundación Roberto Rocca

La Termodinámica en la Ingeniería Química - Parte I: Introducción

Francisco_Santander — Sun, 21 Feb 2010 01:29:18 -0500

Introduciendo la palabra “Termodinámica” en el buscador de este portal, me he encontrado con foros de discusión de personas que apenas comienzan los estudios y que plantean inquietudes acerca de la naturaleza de esa temática: qué cuestiones aborda, por qué está presente en tantos lugares en la mayoría de las mallas curriculares o a qué se debe su importancia.

El propósito del presente escrito es precisamente describir qué es lo que se estudia en esta materia tan interesante y bella, señalando por qué es tan importante en la formación posterior 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 y por esa vía contribuir al bienestar de la sociedad. Por su parte, la termodinámica 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 principios y fundamentos, la misión social de la ingeniería química no sería posible de cumplir a satisfacción; al menos no con buen juicio y verdadero criterio de ingeniería.

El Ingeniero Químico y la Termodinámica

La razón práctica por la cual es tan importante que el ingeniero(a) químico(a) cuente con una formación suficientemente sólida en esta materia, tiene que ver con algunas de las preguntas más básicas y necesarias que en la práctica se formulan a la hora de emprender la tarea de generar valor con la transformación del material A en el material 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, lejos de ser de poca monta, deciden si el proyecto de industria química resulta técnica y económicamente viable o no. Como se verá, son esas preguntas las que la termodinámica contesta con completa idoneidad. Con el fin de argumentar suficientemente ese punto, así como para ampliar un poco la perspectiva, conviene echar un vistazo a qué es lo que estudia la termodinámica, desde sus fundamentos hasta los linderos de las aplicaciones tecnológicas clásicas en ingeniería química.

Objeto de Estudio de la Termodinámica 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.

Los sistemas se caracterizan por contar con cierta cantidad de materia, la cual se encuentra en determinado estado. Ese estado del sistema es el conjunto de características físicas que lo describen de manera cuantitativa, y cuya variación constituye una señal inequívoca 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 todas aquellas características físicas cercanas a las personas a través de la experiencia 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 valores cuantitativos 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, es decir, le interesan los sistemas en ausencia de cualquier causa de cambio o cuando toda causal de transformación ha cesado por completo. Más aún, la termodinámica no estudia cualquier cambio de estado, solo se interesa por aquellos cambios de estado 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 esos cambios fueron posibles. Se dice pues que la termodinámica no explica la trayectoria de los procesos, tan solo los cambios netos entre un principio y un 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 estufa doméstica o si se metió la olla en un horno para aprovechar toda su superficie. El enunciado termodinámico se limita a afirmar que si se tiene un kilo de agua a 20ºC sin que ningún factor dentro o fuera de ella tienda a cambiar esa condición (esto es, en equilibrio), es necesario hacerle llegar 5 kcal por cualquier mecanismo o artilugio que haya a la mano, con el fin de que esté 5ºC más caliente en un nuevo estado de equilibrio.

En una palabra, la termodinámica es el estudio de los qués y no de los cómos. El estudio sistemático de los mecanismos involucrados en los cambios de estado de un sistema, junto con sus causas y de más detalles, es el objeto de estudio de los Fenómenos de Transporte. Uno de ellos, la Transferencia de Calor, será la encargada de estudiar los mecanismos a partir de los cuales aquellas 5 kcal pueden ser llevadas hasta el kilo de agua, permite estimar cuánto tardará la tarea según sea ese mecanismo, estudia las posibles causales de pérdida de energía dependiendo la situación y la cuantifica, y nos permite a los ingenieros e ingenieras estimar los recursos materiales mínimos o equipos, que resultan necesarios para someter el agua a ese grado de calentamiento. Para la termodinámica todo eso está fuera de alcance.

Una forma de apreciar la importancia que tiene la formación en termodinámica para los estudios posteriores y para la profesión en general, es a partir de una rápida revisión de aquellos temas que deben estudiarse en diferentes asignaturas. Esto además servirá de guía para aquellos interesados en saber a qué se enfrentan cuando del estudio de la termodinámica se trata. La división presentada en las siguientes partes de esta serie de anotaciones es completamente arbitraria y no necesariamente coincide con las mallas de materias de todos los programas académicos.

Cálculos de Precisión en Ingeniería Química

emilio — Fri, 13 Nov 2009 18:06:00 -0500

Una de las herramientas computacionales más usadas por los ingenieros químicos son las hojas de cálculo. Varios libros se han escrito sobre el uso de Microsoft Excel en ciencia e ingeniería, sin embargo estudios recientes sugieren que quizá no es la mejor alternativa para usos científicos o ingeniería.

La cuestion entonces es: Existe alguna herramienta tan fácil de usar como Excel pero de mayor precisión?

La respuesta parece ser afirmativa: Una de las hojas de cálculo que posee un mejor desempeño entre varias consideradas es Gnumeric. En varios estudios estadísticos se ha demostrado que supera a Excel en precisión de cálculo. Lo mejor de todo: Es gratuita.

Más información en el artículo adjunto.

GNumeric se puede descargar para Windows y para Linux en:
projects.gnome.org/gnumeric/downloads.shtml (la versión disponible para Windows es la 1.9.11)

Desarrollo de un Módulo Tutorial de una Torre de Destilación Basado en el Modelo Matemático de Sorel

duff985 — Wed, 27 May 2009 21:53:57 -0400

El proyecto adjunto consiste en el desarrollo de un módulo tutorial para la enseñanza del funcionamiento de una torre de destilación basada en el modelo matemático de Sorel, con el cual se pretende generar una herramienta alternativa que permitirá a sus usuarios tener una ayuda de aprendizaje didáctica e interactiva, la cual facilitará y hará mas breve el estudio de cómo funciona una torre de destilación que opera con mezclas binarias.

Para el desarrollo de este módulo se seleccionaron unas mezclas binarias las cuales servirán como motor de enseñanza explicando de manera clara y detallada, cada una de las etapas que intervienen en el proceso de destilación, y a su vez mostrará como se llevan a cabo los diferentes cálculos, contará con una guía teórica que permitirá tener una fundamentación mas clara de todos los modelos matemáticos, que se utilizaron para llegar a los diferentes valores que se obtienen durante el desarrollo de los ejercicios que contiene el módulo, esto con el fin de tener una opción de enseñanza practica, rápida y aplicada.

El modulo fue desarrollado con una serie de ambientes computacionales, que tienen la capacidad de dar aspectos didácticos, al software, además de hacer más fácil el uso de este.
Los resultados fueron comparados contra otro tipo de simuladores y ejemplos de textos citados en la bibliografía.

Si alguien desea probar el software puede escribir al siguiente correo: duff985@gmail.com y se les hace llegar.