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Grado en Ingeniería Química Industrial

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Termodinámica Química Aplicada a la Ingeniería

Código asignatura
GIIQUI01-3-006
Curso
Tercero
Temporalidad
Primer Semestre
Materia
Ingeniería Química
Carácter
Obligatoria
Créditos
6
Pertenece al itinerario Bilingüe
No
Actividades
  • Clases Expositivas (49 Hours)
  • Tutorías Grupales (4 Hours)
  • Prácticas de Aula/Semina (7 Hours)
Guía docente

La asignatura de Termodinámica Química Aplicada a la Ingeniería (TQAI) se encuadra dentro de la materia de Ingeniería Química y del módulo de Tecnología Específica de Química Industrial, conforme a la memoria de verificación del título.

La asignatura aprovecha y complementa los conocimientos y competencias de Termodinámica que los alumnos ya han adquirido en asignaturas previas: los principios 1º y 2º de la Termodinámica en la asignatura de Mecánica y Termodinámica de primer curso, su versión aplicada a las reacciones químicas en la asignatura de Química de primer curso, y la aplicación de estos a máquinas y motores térmicos en la asignatura de Ingeniería Térmica de segundo curso. 

Con este bagaje de partida la asignatura TQAI hace hincapié en los aspectos químicos o materiales de la Termodinámica. Expresado de un modo resumido, la asignatura TQAI reformula los dos primeros principios utilizando el formalismo de las funciones termodinámicas de J. W. Gibbs para estudiar (1) las propiedades de equilibrio de las sustancias (fundamentalmente fluidas) puras y mezcladas, y (2) las condiciones de espontaneidad y equilibrio de los procesos físicos y reacciones químicas que pueden ocurrir entre ellas.

La asignatura requiere un moderado bagaje matemático, y a través de la presentación de conceptos como funciones termodinámicas, potencial químico, actividades, fugacidades, entre otros. Se convierte en una asignatura imprescindible para cursar el resto de las asignaturas de la materia de Ingeniería Química, tales como Operaciones Básicas, Cinética y Reactores Químicos o la Experimentación en Química y Tecnología Química.


 

Según se recoge en la memoria de verificación del título, la asignatura Termodinámica Química Aplicada a la Ingeniería no tiene impuesto ningún prerrequisito legal obligatorio que limite la matrícula en ella. Sin embargo, es recomendable que los alumnos que se matriculen en ella dispongan de conocimientos básicos o aplicados de Termodinámica (adquiridos en Mecánica y Termodinámica de primer curso y en Ingeniería Térmica de segundo curso), de Química (adquiridos en Química de primer curso) y de Matemáticas (especialmente los aspectos elementales del cálculo diferencial que se cursan en la asignatura Cálculo de primero).

En la asignatura TQAI se trabajarán las competencias generales indicadas con la notación CGn  (n = 3, 4, 5, 6 , 14 y 15) en la memoria de verificación del título.

Respecto de las competencias específicas del Grado de Ingeniería Química Industrial, los alumnos que superen la asignatura de TQAI desarrollarán partes de las siguientes:

CQ1: Conocimientos sobre balances de materia y energía, biotecnología, transferencia de materia, operaciones de separación, ingeniería de la reacción química, diseño de reactores, y valorización y transformación de materias primas y recursos energéticos.

CQ3: Capacidad para el diseño y gestión de procedimientos de experimentación aplicada, especialmente para la determinación de propiedades termodinámicas y de transporte, y modelado de fenómenos y sistemas en el ámbito de la ingeniería química, sistemas con flujo de fluidos, transmisión de calor, operaciones de transferencia de materia, cinética de las reacciones químicas y reactores.

Lo que se concreta en que los estudiantes que aprueben esta asignatura habrán demostrado ser capaces de o habrán adquirido los siguientes resultados de aprendizaje:

RTQ-1 Conocer las funciones termodinámicas como descripción completa de un sistema termodinámico y aplicarlas al estudio de mezclas y reacciones químicas.

RTQ-2 Deducir sistemáticamente cualquier relación necesaria entre las funciones termodinámicas y expresarla en términos de propiedades directamente medibles, así como reconocer el rango de aplicación o validez de tales relaciones.

RTQ-3 Utilizar las ecuaciones empíricas de estado y los diagramas y tablas termodinámicas para estimar las propiedades termodinámicas de los fluidos puros y sus mezclas.

RTQ-4 Calcular o estimar las composiciones de equilibrio entre fases y de equilibrio químico en los sistemas más habituales en la industria química.

A su vez, los anteriores resultados de aprendizaje pueden subdividirse en los siguientes objetivos:

  • Determinar las propiedades que caracterizan los sistemas en equilibrio y determinar las relaciones existentes entre las mismas
  • Identificar ecuaciones de estado cúbicas y generalizadas
  • Elegir la ecuación de estado más adecuada para la aplicación concreta en función de la precisión y la complejidad del cálculo
  • Manejar diagramas de fases y gráficos termodinámicos
  • Determinar los cambios de energía asociados a los procesos
  • Establecer las relaciones funcionales entre todas las variables termodinámicas
  • Calcular las propiedades termodinámicas de las sustancias reales mediante las ecuaciones de estado y las correlaciones generalizadas
  • Calcular volúmenes molares de cualquier compuesto puro
  • Identificar propiedades de compuestos puros, de compuestos en sistemas multicomponentes y de fases
  • Identificar propiedades de la fase líquida y de la fase vapor
  • Comprender las leyes que gobiernan las disoluciones y sus aplicaciones
  • Calcular composiciones de equilibrio de sistemas binarios bifásicos aplicando la ley de Raoult modificada
  • Desarrollar las expresiones para estimar las composiciones de fases en equilibrio

Describir el procedimiento para obtener la expresión de la constante de equilibrio en sistemas reaccionantes en función de la temperatura

Las anteriores competencias, resultados de aprendizaje y objetivos serán obtenidos a partir del siguiente programa de contenidos:

Lección 1. Introducción. El ámbito de la Termodinámica Química en la Ingeniería. Repaso de Termodinámica: sistemas, paredes y variables termodinámicas. Calculo diferencial e integral. Procesos reversibles e irreversibles. Primer Principio de la Termodinámica: Energía interna, Trabajo y Calor. Segundo Principio de la Termodinámica: Entropía. Las funciones de estado H, A y G.

Lección 2. Propiedades PVT de fluidos. Diagramas y ecuaciones de estado para gases y líquidos puros. Ecuaciones de estado para mezclas de gases. Estimación de propiedades PVT.

Lección 3. Propiedades termodinámicas de los fluidos puros. Funciones y relaciones termodinámicas. Cálculo de variaciones de las funciones de estado. Fugacidad. Propiedades residuales. Diagramas, tablas y estimación de propiedades termodinámicas.

Lección 4. Propiedades termodinámicas en sistemas multicomponentes de composición variable. Relaciones termodinámicas fundamentales. Potencial químico y condición de equilibrio de fases. Propiedades molares parciales. Magnitudes de mezcla. Estimación de propiedades termodinámicas: mezclas de gases ideales, fugacidad y coeficiente de fugacidad de un fluido mezclado. Disoluciones ideales y disoluciones reales: actividad y coeficiente de actividad. Propiedades de exceso.

Lección 5. Termodinámica del equilibrio de fases en disoluciones. Modelos simples para el equilibrio de fases. Estimación de propiedades en el equilibrio líquido-vapor, L-V, (fugacidad, actividad, propiedades de exceso, propiedades de mezcla). Modelos complejos para el equilibrio líquido-vapor, L-V. Equilibrio líquido-líquido, L-L.

Lección 6. Termodinámica de la reacción química. Termoquímica. Grado de avance de reacción. Condición de equilibrio. La constante de equilibrio y la energía de Gibbs. Efecto de la temperatura sobre la constante de equilibrio. Relación de la constante de equilibrio con la composición. Regla de las fases y el teorema de Duhem para los sistemas con reacciones. Equilibrio en reacciones múltiples.

Para la consecución de los objetivos, resultados de aprendizaje  y competencias propuestos, se utilizarán diferentes metodologías docentes, todas ellas coherentes con lo establecido en la memoria de verificación del título:

a) clases expositivas: El profesor presentará y discutirá la materia objeto de estudio haciendo especial hincapié en los aspectos más novedosos o de especial complejidad, integrando tanto los aspectos teóricos como los ejemplos que faciliten el razonamiento y análisis de la materia expuesta. Ocasionalmente y sin previo aviso   los alumnos resolverán en clase, en pequeños grupos, cortos ejercicios (los entregables) o cuestiones relacionadas con la materia que el profesor acabe de exponer. Estos ejercicios permitirán evaluar las competencias de trabajo en equipo (CG15) y de honradez, responsabilidad, compromiso ético y solidario (CG14). Por ello, es muy recomendable la asistencia regular a dichas clases expositivas.

b) clases de práctica de aula: En estas clases se llevará a cabo la aplicación de los conocimientos que los estudiantes hayan adquirido en las clases expositivas y en su trabajo no presencial. Los estudiantes dispondrán con anterioridad de una serie de cuestiones o problemas que deberán, previamente, haber trabajado para proceder al análisis y discusión, de forma individual o colectiva, de los mismos. Ocasionalmente se realizarán cortas pruebas individuales al final de la sesión PA (para valorar la CG4 sobre la capacidad de resolver problemas).

c) tutorías grupales: Las sesiones se desarrollarán en grupos reducidos de alumnos en las que aclararán con el profesor sus dudas, y se estimulará el análisis y razonamiento crítico. Para ello se propondrán a los alumnos actividades formativas que deberán resolver fuera del aula y presentar en estos seminarios o tutorías grupales.

Cuadro resumen de las actividades y su distribución temporal

TRABAJO PRESENCIAL

TRABAJO NO PRESENCIAL

Temas

Horas totales

Clase Expositiva

Prácticas de aula /Seminarios/ Talleres

Prácticas de laboratorio /campo /aula de  informática/ aula de idiomas

Tutorías grupales

Sesiones de Evaluación

Total

Estudio de Teoría

Resolución de  problemas

Preparación de Actividades Individuales y/o en Grupo

Total

1

6

1

4

2/2h

6

7

8

2

9

1

6

7

3

10

1

6

7

4

12

2

6

7

5

7

1

6

7

6

5

1

6

7

Total

49

7

4

4

64

36

42

8

150

La siguiente tabla resume el sistema de evaluación que se empleará en la asignatura TQAI, que es conforme con lo establecido en la memoria de verificación.

Aspecto a evaluar

Criterios de evaluación

Instrumento de evaluación

Peso

Los resultados de aprendizaje  y  los objetivos más concretos.

Se valorará el grado de consecución de los resultados de aprendizaje y objetivos.

Exámenes escritos con cuestiones y problemas

70%

(35% cada parcial)

La competencia de resolver problemas

Se valorarán los conocimientos y habilidades demostradas al resolver problemas individualmente en clase de PA.

Ejercicios individuales al final de algunas PAs

10%

Las competencias de responsabilidad  y trabajo en equipo

Se valorarán, además de los conocimientos, la participación activa, el trabajo en equipo, la responsabilidad, etc al resolver los entregables en clase CE.

Entregables de  equipo dentro de las CE

10%

Las competencias de

comunicar en forma oral y escrita  y trabajo en equipo

Se valorará la preparación del material a tratar, la participación activa de  los estudiantes y la capacidad para comunicarse con sus compañeros y con el profesor durante las sesiones de TG.

Ejercicios

preparados en grupos reducidos y

expuestos al resto de estudiantes.

10%

Convocatoria Ordinaria: Se realizarán dos parciales, el primero sobre las lecciones 1, 2 y 3 y el segundo sobre las lecciones 4, 5 y 6. Este segundo parcial coincidirá en fecha con el examen final ordinario.

Para presentarse al segundo parcial es necesario tener un mínimo de 4.0 en el primer parcial.

Para aprobar la asignatura en convocatoria ordinaria deben cumplirse estas condiciones:

(1) En los exámenes escritos  debe obtenerse una calificación numérica igual o superior a 4 sobre 10.

(2) En el resto de actividades evaluables (entregables de CE, ejercicios de PA y sesiones de TG) debe obtenerse en conjunto una calificación numérica igual o superior a 4 sobre 10.

(3) La nota final obtenida como suma ponderada de todos los aspectos evaluables debe ser igual o superior a 5 sobre 10.

En el caso de que no se alcance el mínimo de 4 en cualquiera de las partes (exámenes o continua CE+PA+TG), se asignará una nota final de 4 como máximo.

Convocatorias Extraordinarias: De acuerdo con el reglamento de evaluación de los resultados de aprendizaje y de las competencias adquiridas por el alumnado de la Universidad de Oviedo (Artículo 6), para que el alumno pueda superar la asignatura en convocatorias extraordinarias se realizará un examen final escrito con toda la materia y peso del 100%. No se tendrá en cuenta el 30% de evaluación continua indicado en la tabla, ni la posible existencia del primer parcial aprobado.

Evaluación diferenciada: De acuerdo con el artículo 7.2 del reglamento de evaluación de los resultados de aprendizaje de la Universidad de Oviedo, para aquellos alumnos que estén reconocidos como estudiantes a tiempo parcial por la Comisión de Gobierno del Centro, la evaluación se realizará mediante un examen final escrito con toda la materia y peso del 100%.

Como recurso básico de trabajo en el aula, el alumno puede disponer en el Campus Virtual de diferente material, como los gráficos y tablas que aparecerán a lo largo de la explicación del profesor en clase y los enunciados de los problemas prácticos a resolver.

Para llevar a cabo la tarea personal del estudiante se proponen los siguientes textos básicos:

  • Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. J.M. Smith, H.C. Van Ness y M.M. Abbott, Ed. McGraw-Hill, 7ª edición, 2007.
  • Físicoquímica, I.N. Levine, (2 volúmenes), Ed. McGraw-Hill, 5ª edición, 2004.

Como libros complementarios de consulta se pueden tener en cuenta los siguientes textos:

  • Principios de los Procesos Químicos: Termodinámica (volumen 2), O. A. Hougen, K.M. Watson y R.A. Ragatz, Ed. Reverté. 1982.
  • The properties of gases and liquids, B.E. Poling, J.M. Prausnitz y J. P. O’Connell, Ed. McGraw-Hill, 5ª edición, 2001.
  • Principios elementales de los procesos químicos, R.M. Felder y R.W. Rousseau, Ed. Limusa Wiley, 3ª edición, 2003.