Programa del Curso Termodinámica Química Bibliografía 1. Introducción a la termodinámica termodinámica en Ingeniería Química 7 ª Edición, J.M. Smith, H.C. van Ness, M.M. Abbott, McGraw-Hill, 2008 2. Problemas de Termodinámica T ermodinámica para Ingenieros Químicos, M. Medeiros, UNAM 2010 3. Notas del Curso de Equilibrio Termodinámico, M. Medeiros, UNAM 2010 4. Termodinámica Molecular de los Equilibrios de Fase, 3ª Edición, J.M. Prausnitz, A.N. Lichtenthaler, E.G. Azevedo, Prentice Hall, 2000 5. The Properties of Gases and Liquids, B.E. Poling, J.M. Prausnitz, J.P. O’Connell, McGraw-Hill Companies, 1987 6. DIPPR – Physical and Thermodynamic Properties of Pure Compounds: Data Compilation, T.E. Daubert, R.P. Danner, 1989 7. Dechema Chemistry Data Series, Vols I-VI, J. Ghmeling, U. Onken, W. Arlt, 1977
Relaciones directas de la Termodinámica Química con otras materias del plan de estudios Álgebra
Equilibrio y Cinética
Cálculo
Bases cualitativas
Balances de Materia y Energía Termodinámica Química General
Cálculo Numérico Bases matemáticas Bases físicas y químicas
Estructura de la Materia
Termodinámica Química Ingeniería de Fluidos
Propiedades termodinámicas
Ingeniería de Calor
Propiedades termodinámicas
Propiedades termodinámicas Equilibrio de Fases Propiedades termodinámicas
Ingeniería de Reactores
Propiedades termodinámicas Equilibrio Químico
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Equilibrio de Fases Equilibrio Químico
Procesos de Separación Diseño de Procesos
Semana 1 - Introducción al curso y revisión de conceptos básicos Objetivo
El estudiante deberá identificar la relación entre la termodinámica y algunas de las operaciones unitarias de la Ingeniería Química Material de Lectura
Notas del Curso de Equilibrio Termodinámico, hasta inciso 1.3 Problemas de Termodinámica para Ingenieros Químicos: Introducción y Práctica 1 Smith-Van Ness-Abbott Capítulo 2, hasta inciso 2.8 Temario •
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Filosofía del curso o lecturas preliminares o retroalimentación interactividad o o discusión de problemas o solución de problemas en computadoras o evaluación bibliografía o Conceptos básicos o estado de equilibrio o propiedades intensivas y extensivas o simbología o procesos o espontaneidad o reversibilidad El problema general de la termodinámica o contexto un la Ingeniería Química o ejemplos Introducción al cálculo de propiedades con la herramienta SOLVER de Excel
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Semana 2 - Condiciones Generales de Equilibrio Objetivo
El estudiante deberá identificar los criterios y condiciones para determinar las propiedades de un sistema en equilibrio termodinámico Equilibrio Termodinámico 1ª y 2ª Leyes
Térmico
Mecánico
Material
Químico
Igualdad de temperaturas
Igualdad de presiones
G mínima
T α = T β = ...
pα = pβ = ...
Igualdad de potenciales químicos µiα = µβi = ...
o ∑ νij µi = 0 i
Material de Lectura
Problemas de Termodinámica para Ingenieros Químicos: Práctica 2 Notas del Curso de Equilibrio Termodinámico, hasta inciso 1.10 Termodinámica Molecular de los Equilibrios de Fase: Inciso 2.7 Temario •
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1a y 2a Ley de la termodinámica o Procesos Irreversibles o Procesos Casi-Estáticos o Ecuación Fundamental para sistemas cerrados Potenciales Termodinámicos y criterio de equilibrio y espontaneidad o Principio de máxima entropía - sistemas con U, V y N constantes o Sistemas con diferentes condiciones de frontera, mínimo de U, H, A y F o Ecuación fundamental en diferentes representaciones Potencial Químico o Definición matemática a partir de G o Interpretación de µ: condición de equilibrio material Potencial químico de gases ideales, puros y mezclas o Fugacidad y Actividad o Definición o Estados de referencia o Coeficientes de Fugacidad y Actividad Condición de equilibrio material con fugacidades o o Solución ideal: regla de Lewis o Ley de Raoult Aplicación: Cálculo de equilibrio líquido-vapor con la Ley de Raoult 3/14
Semanas 3/4 - Planteamiento de Problemas de Equilibrio Objetivo
Al final de estas sesiones el estudiante será capaz de plantear problemas de equilibrio entre fases, identificando las ecuaciones, incógnitas y grados de libertad del problema general
s e n o i c a u c E
Equilibrio Termodinámico • • • •
térmico mecánico material químico
Restricciones •
∑ x
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específicas del problema
α
i
=1
Balances • • •
material entálpico entrópico
Grados de Libertad #incógnitas - #ecuaciones
Relaciones Adicionales
Solución del Problema
Material de Lectura y Problemas
Termodinámica Molecular de los Equilibrios de Fase: Capítulos 1 y 2 Problemas de Termodinámica para Ingenieros Químicos: Práctica 3 Smith-Van Ness-Abbott Capítulo 10, hasta inciso 10.2 Primera serie de problemas Temario • •
Propiedades termodinámicas intensivas: funcionalidad El problema general de la termodinámica o Identificación de las incógnitas o Identificación de las ecuaciones equilibrios térmico, mecánico, material balances de materia balances de energía balances de entropía - procesos de compresión y expansión adiabáticas reversibles Grados de Libertad o Problemas de puntos incipientes Grados de Libertad: regla de las fases de Gibbs o
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ELV - Puntos de rocío y burbuja o ELL - Puntos incipientes de separación de fases ESL - Solubilidad o o Sistemas de ecuaciones Problemas Flash o Teorema de Duhem o Composición global Razón de Vaporización o o Ecuación del Flash bifásico o Clasificación y planteamiento del sistema de ecuaciones o Transformación de problemas de puntos incipientes en problemas de flash Grados de Libertad y el control de una planta Solución y discusión de la primera serie de problemas Aplicaciones: Flash con Ley de Henry, Torre de enfriamiento, Ley de Raoult multicomponente o
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Semana 5/6 - Matemáticas del cálculo de propiedades Objetivo
Al final de estas sesiones el estudiante será capaz de generar propiedades termodinámicas a partir de las ecuaciones fundamentales. Además, el estudiante identificará las informaciones adicionales necesarias para la completa solución del problema general. Equilibrio Termodinámico 1ª y 2ª Leyes Ecuación Fundamental dU dS dA dH dG
Relaciones Primarias
Relaciones de Maxwell
Representación @ T y p
Representación @ T y V
Cálculo de f i, h, s, v
Ecuación de Estado / Modelo de Solución
Material de Lectura y problemas
Notas del Curso de Equilibrio Termodinámico, hasta inciso 1.9 Smith-van Ness-Abbott, capítulo 6 incisos 6.1 y 6.2 Problemas de Termodinámica para Ingenieros Químicos: Práctica 5 Segunda serie de problemas Temario • • • • •
Las ecuaciones fundamentales La ecuación fundamental para G/RT La ecuación de Gibbs Helmholtz o Forma Integrada para U y G Relaciones primarias Relaciones de Maxwell 6/14
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Integración de las relaciones de Maxwell o potencial químico como función de T,p y T,V o actividades y fugacidades como función de T,p y T,V Entalpías y Entropías como función de T,p y T,V Derivadas de las funciones termodinámicas en términos del factor de compresibilidad Fugacidades de fases condensadas puras Propiedades Termodinámicas de Gases Ideales o fugacidad o entalpía entropía o Propiedades Termodinámicas de Soluciones Ideales o fugacidad o entalpía o volumen Propiedades Residuales y de Exceso Solución y discusión de la segunda serie de problemas Aplicación: Cálculo de Propiedades con la ecuación Virial, substancia pura: flash, desobrecalentador y turbina isoentrópica
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Semana 7 - Diagramas de Fase Objetivo
Al final de esta sesión el estudiante será capaz de leer e interpretar los diagramas de fases para substancias puras y mezclas binarias. También, podrá relacionar los diferentes tipos de diagramas con las características fisicoquímicas de las substancias que componen las mezclas representadas. Material de Lectura y Problemas
Problemas de Termodinámica para Ingenieros Químicos: Práctica 5 Smith-Van Ness-Abbott, Capítulo 10, Capítulo 6, incisos 6.4 y 6.5 •
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Diagrama pT de substancias puras Equilibrios LV, LS y VS o o Ecuación de Clapeyron o Ecuación de Clausius-Clapeyron o Diagramas ph, Ts, Mollier Sistemas Binarios Diagramas pxy @ T o o Diagramas Txy @ p o Diagramas xy @T y @p o Diagramas pT Azeótropos o o Líquido-Líquido, Líquido-Sólido Sistemas ternarios, Diagramas Triangulares Sistemas Multicomponentes Aplicaciones o Solución de la práctica 5 con diagramas ph y Mollier. Limitaciones de la ecuación virial truncada en el 2 o término Equilibrio Sólido-Solución Ideal o
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Semanas 8/9/10 - Cálculo de Propiedades con Ecuaciones de Estado Objetivo
Al final de esta sesión el estudiante será capaz de calcular propiedades termodinámicas ( , h, s, v) a par tir de una ecuación de estado. Propiedades del Gas Ideal
Propiedades de la Solución Ideal
Propiedades del sistema: f i, h, s, v
Φi y propiedades residuales
γi y propiedades de exceso
Ecuación de Estado
Modelo de Solución
Datos Experimentales y/o Correlaciones Material de Lectura y Problemas
Problemas de Termodinámica para Ingenieros Químicos: Práctica 6/7/8 Smith-Van Ness-Abbott, Capítulo 6 incisos 6.1 a 6.3, Capítulo 14, inciso 14.2 Termodinámica Molecular de Los equilibrios de fases, Capítulo 3 Cuarta serie de problemas Temario •
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Principio de estados correspondientes (PEC) o Coordinadas reducidas o Ecuación de van der Waals en coordinadas reducidas factor acéntrico o o PEC-2, PEC-3 y PEC-4 o Correlaciones generalizadas de Lee-Kessler para z , h, s y Φ Ecuación de Estado Virial o Explícitas en presión y volumen o Segundos Coeficientes Viriales definición teórica - relación con fuerzas intermoleculares fuentes de datos estimación con PEC Reglas de Combinación y de Mezclado o o Cálculo de propiedades Ecuaciones de estado cúbicas o Las ecuaciones de PR y SRK
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los parámetros a y b o principio de estados correspondientes para a y b Reglas de combinación y mezclado o parámetro de interacción binaria o Cálculo de propiedades Discusión y solución de la cuarta serie de problemas Aplicaciones o Cálculo de Propiedades con ecuaciones cúbicas: substancia pura ciclo de refrigeración bomba de calor o Cálculo de ELV con ecuaciones cúbicas o Examen Práctico o
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Semanas 11/12 - Modelos de Solución Líquida Objetivo
El estudiante será capaz de determinar propiedades termodinámicas de soluciones líquidas a partir de un modelo de solución. Propiedades del Gas Ideal
Propiedades de la Solución Ideal
Propiedades del sistema: f i, h, s, v
Φi y propiedades residuales
γi y propiedades de exceso
Ecuación de Estado
Modelo de Solución
Datos Experimentales y/o Correlaciones Material de Lectura y Problemas
Problemas de Termodinámica para Ingenieros Químicos: Práctica 9/10/11 Smith-Van Ness-Abbott, Capítulo 10 incisos 10.4 a 10.5, Capítulo 11, inciso 11.3, 11.8 y 11.9 Quinta serie de problemas Temario •
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Propiedades de la solución ideal o regla de Amagat, regla de Lewis o Estados de referencia de la Ley de Henry y de Raoult o Propiedades termodinámicas g, h, s y v Soluciones no ideales actividad y coeficiente de actividad o o Propiedades de Exceso y Mezclado o Energía de Gibbs de Exceso Propiedades parciales molares o Ecuación de Gibbs-Duhem Consistencia termodinámica o Modelos de Solución o Empíricos Margules, van Laar, expansión de Redlich-Kister o Teóricos Solución Regular, parámetros de solubilidad o Semi-empíricos
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Wilson, NRTL, UNIQUAC o Contribución de grupos UNIFAC o Regresión de Parámetros: método de Barker Estabilidad Termodinámica o Condición de estabilidad o Equilibrio Líquido-Líquido Aplicaciones o Regresión de parámetros a partir de datos experimentales ELV o Análisis de consistencia termodinámica o Equilibro Líquido-Vapor con modelo NRTL o Equilibrio Líquido-Líquido con modelo NRTL Solución y discusión de la quinta serie de problemas
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Semanas 13/14/15 - Equilibrio Químico Objetivo
El estudiante será capaz de calcular composiciones de sistemas reaccionantes que alcanzan el equilibrio químico utilizando modelos de solución o ecuaciones de estado. Propiedades de las substancias Estado de referencia (T 0, p0) Relaciones termodinámicas Propiedades de las substancias Estado de referencia ( T , p0) K (T )
Estequiometria
K (T ) =
νi
νi
∏ a (T , p, ε ) i
i
Solución del problema general ε, x i’s
ai
Ecuación de Estado / Modelo de Solución Material de Lectura y Problemas
Problemas de Termodinámica para Ingenieros Químicos: Prácticas 12/13 Smith-Van Ness-Abbott, Capítulo 13 Sexta serie de problemas Temario • •
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Estequiometria y avance de reacción La condición de Equilibrio Químico La definición de constante de equilibrio termodinámica o o Estados de referencia para las actividades y para K o Contantes de Equilibrio de sistemas ideales, K p, K x , K c Número de reacciones independientes y determinación de estequiometrías o Dependencia de la constante de equilibrio con temperatura Principio de Le Chatelier Reacciones isotérmicas en fase gas Reacciones adiabáticas. Balances de energía en reacciones químicas Equilibrio Químico y de Fases simultáneos. Regla de las fases Enfoque no estequiométrico o Minimización de G con multiplicadores de Lagrange Aplicaciones 13/14
Reacciones en fase gas o Reacciones en fase líquida Reacciones Adiabáticas o Solución y discusión de la sexta serie de problemas o
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