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Termodinámica Aplicada
La asignatura Termodinámica Aplicada forma parte del módulo Fundamental, materia Ingeniería Química, del 2º Curso del Grado en Ingeniería Química de la Universidad de Oviedo. La asignatura es impartida por el Área de Ingeniería Química del Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente.
Desde el punto de vista docente, la Termodinámica Aplicada (a la Ingeniería Química) es una materia básica, concernida en la descripción de las condiciones de equilibrio de las sustancias químicas en presencia de fenómenos de transferencia y reactividad. Por tanto, junto con los Fenómenos de Transporte, la Cinética Química Aplicada y las Bases de la ingeniería, es el fundamento inmediato e imprescindible de las demás asignaturas de Operaciones Básicas (transferencia de energía mecánica o flujo de fluidos, calor y materia) y Reactores Químicos (transformación de la materia), asignatura de la que es llave.
Los recursos que la Termodinámica ha de poner al servicio de la Ingeniería Química, o dicho de otra forma, los campos de investigación termodinámica de los que se ocupan y benefician más directamente los ingenieros químicos, son:
• Definición, medida, estimación y correlación de propiedades
• Estado y evolución de sistemas en un escenario termodinámico
• Elaboración y configuración de modelos
• Elementos para el cálculo de balances de materia y energía en operaciones de Transferencia y Transformación
Se pretende que al alumno comprenda el sentido físico y la utilidad práctica de las principales propiedades cinéticas y de equilibrio necesarias para definir, modelizar y calcular los fenómenos y operaciones implicados en los procesos químicos industriales, familiarizándose con los procedimientos para su cálculo, estimación y determinación experimental, así como para la compilación, correlación y manejo de datos.
Salvo que es obligado haber superado previamente la Química Física, la asignatura no tiene otros prerrequisitos especiales, pero resulta muy conveniente que los alumnos tengan conocimientos bien asentados de las materias básicas de Matemáticas Física y Química (especialmente los correspondientes a Cinética y Equilibrio Químico).
Las competencias que se trabajarán en esta asignatura son genéricas y específicas y se detallan a continuación.
4.1. Competencias genéricas
CG1: Capacidad para realizar análisis y síntesis de un proceso en un entorno bien o parcialmente definido
CG3: Comprender y hacerse comprender de forma oral y escrita en la propia lengua y, al menos, en una lengua extranjera relevante en el ámbito científico, tecnológico o comercial. Capacidad para elaborar, presentar y defender informes, tanto de forma escrita como oral
CG5: Capacidad de obtener, gestionar y almacenar de forma ordenada información relevante de su campo de estudio
CG7: Conocimientos para realizar mediciones, cálculos, valoraciones, tasaciones, peritaciones, estudi0os, informes, planes de labores y otros trabajos análogos.
CG13: Capacidad para resolver problemas con iniciativa, toma de decisiones, creatividad, razonamiento crítico y de comunicar y transmitir conocimientos, habilidades y destrezas en el campo de la Ingeniería Química.
CG15: Capacidad para el estudio, la investigación y el desarrollo científica y tecnológico en el ámbito de la Ingeniería Química, de forma creativa y continua.
CG20: Conocimiento en materias básicas y tecnológicas que les capacite para el aprendizaje de nuevos métodos y teorías y les dote de versatilidad para adaptarse a nuevas situaciones.
4.2. Competencias específicas
CE1: Capacidad para interiorizar, por vía de comprensión crítica, los conceptos fundamentales de las ciencias básicas experimentales e incorporarlos de forma fluida al pensamiento crítico y experto, fuera y dentro del ámbito del trabajo.
CE3: Conocimientos de termodinámica aplicada y transmisión de calor: Principios básicos y su aplicación a la resolución de problemas de ingeniería. Leyes generales de la Termodinámica y Cinética Física y Química, para establecer los modelos matemáticos que controlan las relaciones de equilibrio y de velocidad de los procesos.
CE4: Comprensión y dominio de los conceptos básicos sobre las leyes generales de la termodinámica y su aplicación para la resolución de problemas propios de la ingeniería.
CE27: Capacidad para el diseño y gestión de procedimientos de experimentación aplicada, especialmente, para la determinación de propiedades termodinámicas y de transporte, y modelización de sistemas y procesos en el ámbito de la Ingeniería Química, sistemas con flujo de fluidos, transmisión de calor, transferencia de materia, cinética de reacciones y reactores químicos.
CE28: Capacidad para concebir, modelizar y diseñar transformaciones físicas y químicas de interés práctico en el laboratorio y en la industria.
4.3. Resultados del aprendizaje
Las competencias anteriormente mencionadas se concretan en los siguientes resultados de aprendizaje:
RTA1: Utilizar correctamente la terminología termodinámica, saber elegir, formular e interrelacionar adecuadamente las propiedades energéticas, conocer los principios, modelos y convenciones, y manejar correctamente las ecuaciones teóricas y empíricas en los distintos sistemas de medida.
RTA2: Conocer los distintos estados de agregación de la materia, sólido, liquido y gas, y la evolución de los cambios reversibles e irreversibles que en ellos se producen.
RTA3: Familiarizarse con las distintas formas prácticas de representar y correlacionar las propiedades (particularmente en los llamados diagramas de equilibrio de estado y de fases), prediciendo sus órdenes de magnitud y la variabilidad de las mismas en distintas condiciones y circunstancias.
RTA4: Interpretar y representar sobre dichos diagramas, con soltura y convicción, el estado y la evolución de las sustancias y de sus mezclas mediante líneas de operación, siendo capaces de llevar a cabo cálculos elementales acerca de balances, intercambios, consumos y producción de materia, calor y energía en procesos de transferencia y reactividad química.
Los contenidos de la asignatura Termodinámica Aplicada se hallan organizados de acuerdo con los siguientes bloques temáticos:
I. Termodinámica en Ingeniería Química. Conceptos básicos y formalismos. Termodinámica de procesos reversibles e irreversibles. Medida, estimación, compilación y correlación de propiedades termodinámicas y de transporte.
II. Escenarios termodinámicos para sistemas monocomponentes. Modelos particulares y modelos generalizados. Propiedades de fase de gases ideales y fluidos reales. Interfases. Tipos y análisis de diagramas termodinámicos. Principio de estados correspondientes. Generalización de propiedades y analogías termodinámicas. Fundamentos de las correlaciones.
III. Bases termodinámicas de las operaciones termo mecánicas. Equilibrio y energética de fases simples. Representación de operaciones y cálculos en los diagramas de equilibrio: Depósitos, conducciones, intercambiadores, turbinas, bombas y compresores, separadores de fases. Fundamentos de los Procesos integrados y de los ciclos termodinámicos: Producción de energía. Gestión del calor: Calefacción y refrigeración. Cambios de estado y separaciones termodinámicas
IV. Propiedades de sistemas multicomponentes. Caracterización de mezclas. Interfases. Formulación del equilibrio entre fases multicomponentes sin y con reacción química. Balance energético de mezclas ideales, reales y reactivas.
V. Escenarios termodinámicos para sistemas multicomponentes. Diagramas integrados. Diagramas de utilidad práctica en las regiones de equilibrio LV, LG, SL, LL, SLG. Sistemas reactivos.
VI. Fundamentos termodinámicos para las operaciones de transferencia de materia y reactores químicos. Representación de operaciones y cálculos en los diagramas de equilibrio. Operaciones de sorción y separación. Transporte simultáneo de materia y energía. Procesos integrados: Fundamentos termodinámicos de los reactores químicos: Equilibrio y energética con transformación química.
Al comienzo del curso, a los alumnos se les facilita acceso a un dossier con información complementaria, original y recopilada de la bibliografía y demás fuentes de información, al que se irá añadiendo el resto de la documentación que se vaya generando a lo largo del curso, y que se distribuirá impresa o a través de la red de forma ordenada según se avance en Programa de la asignatura.
Las clases expositivas se llevarán a cabo principalmente con el apoyo en los habituales recursos didácticos (pizarra y presentaciones en power point). Estas clases se dedican a la introducción y explicación de los conceptos básicos, a la realización de las demostraciones pertinentes y también a la resolución y explicación de problemas. El alumnado dispondrá con suficiente antelación de los apuntes teóricos de cada uno de los temas a través del Campus Virtual así como los enunciados de las cuestiones teórico prácticas, ejemplos y problemas que se desarrollarán durante las clases. Se realizarán cuestionarios al final de las clases expositivas a través de la plataforma Kahoot como herramienta para reforzar los conceptos que se observen que no se han asentado durante la impartición de las mismas.
Las prácticas de aula (PA) se dedican en gran medida al planteamiento y resolución de problemas numéricos similares a los de las pruebas de evaluación realizando una discusión en común de cuestiones teóricas y prácticas. El profesor plantea los problemas a llevar a cabo y resuelve las dudas que vayan surgiendo a lo largo de la clase. Si en algún momento se requiere su resolución y presentación de forma individualizada o colectiva se facilitará el enunciado con la debida antelación.
Las tutorías grupales (TG) serán obligatorias y evaluables, destinándose a comprobar las habilidades prácticas basadas en la resolución de problemas numéricos.
El valor de cada uno de los sistemas de evaluación tanto en convocatorias ordinarias como extraordinarias, expresado en porcentaje, será el siguiente:
Sistema de evaluación | Resultados de aprendizaje | Porcentaje |
Evaluación continua (PA y TG) | Todos | 20% |
Examen | Todos | 80% |
Es obligatoria la asistencia a las a las Prácticas de Aula y Tutorías Grupales, si bien, en casos debidamente justificados será válida una asistencia superior al 80% . Se tendrá en cuenta la participación activa y el trabajo realizado por cada estudiante en mismas. Un 20% de la calificación final del estudiante se corresponderá con la valoración de estos aspectos.
Evaluación final: Al final de cada curso se realizará un examen escrito para comprobar el dominio de las materias correspondientes al curso, consistente en la respuesta a cinco cuestiones de carácter teórico o teórico-práctico (50% de la nota) y la resolución de dos problemas (50% de la nota), unas y otros con una valoración que se especificará expresamente. No se puede aprobar la prueba con menos del 30% de la calificación máxima asignada a cada parte, teórica o práctica. Un 80% de la calificación final del estudiante corresponderá a la nota obtenida en el examen.
Para aprobar la asignatura en la convocatoria Diciembre-Enero, la calificación de la evaluación final, examen escrito, no podrá ser inferior al 40% de su valor máximo. Si se cumplen estas condiciones, la calificación final se calculará teniendo en cuenta los porcentajes de ponderación señalados en la tabla anterior.
Para todas las demás convocatorias, la calificación final se calculará con la nota obtenida en las Prácticas de Aula y Tutorías Grupales y la nota obtenida en la evaluación final correspondiente a la convocatoria, teniendo en cuenta los porcentajes de ponderación señalados para cada uno de ellos en la tabla anterior. También serán de aplicación los porcentajes mínimos correspondientes a la evaluación final, indicados más arriba. En caso de no disponer nota en las Prácticas y Aula y Tutorías Grupales por no haber asistido en su momento, se asignará un cero en ese apartado en todas estas convocatorias.
En los casos de evaluación diferenciada, no será obligatoria la asistencia a PA y TG. La calificación correspondiente a la evaluación continua se obtendrá de las tareas y trabajos propuestos. El examen escrito será el mismo que para el resto del alumnado. En la calificación final, los porcentajes de ponderación y mínimos serán los indicados anteriormente.
A continuación, se mencionan los principales libros de texto teóricos recomendados:
- Bueno, J.L. Termodinámica para Ingeniería Química. Textos Universitarios EdiUnO. Servicio de Publicaciones Uniovi (2016)
- Denbigh, K. Equilibrio Químico. Editorial AC (1985)
- Compañ, V., Díaz Calleja, R., Sanchís Sánchez, M.J., Termodinámica aplicada. Ed. Universidad Politécnica de Valencia (2005)
- Hougen, O., Watson, K, Ragatz, R. Principios de los procesos químicos: (II) Termodinámica.Ed. Reverté (1964)
- Levine, I.N. FisicoquÍmica. McGraw-Hill, 5ª ed (2004)
- Smith, J.M., Van Ness, H.C., Abott, M.M. introducción a la termodinámica en ingeniería química. McGraw-Hill, 7ª ed
- (2007).
- Poling, B.E., Prausnitz, J.M., O’Connell, J.P. Properties of Gases and Liquids. Ed. McGraw Hill, 5th edition (2001)
- Prausnitz, J.M., Lichtenthaler, R.N., Gomes de Acevedo, E. Temodinámica molecular de los equilibrios de fases. Prentice Hall Editores, Madrid (2000)
A continuación, se mencionan los principales libros de problemas resueltos recomendados:
- Bueno, J.L., Suárez, O., Matos, M., Pizarro, C. Problemas de termodinámica para ingeniería química. Textos Universitarios EdiUnO. Servicio de Publicaciones Uniovi (2021)
- Renuncio, J.A.R., Ruiz, J.J., Urieta, J.S. 1. Termodinámica Química y 2. Problemas resueltos de Termodinámica Química. Síntesis (1998)
- Felder R.M., Rousseau, R.W. principios elementales de los procesos químicos. Addison-Wesley, 3ª ed (1991)