Química e Ingeniería Eléctrica La electricidad participa en mucho de los experimentos a partir de los cuales se derivó la teoría de la estructura atómica. El hecho de que los objetos pueden tener carga eléctrica fue observado por primera vez por los antiguos egipcios, quienes notaros que al frotar ámbar con lana o seda, este atraía pequeños objetos. Se puede observar el mismo fenómeno al frotar un globo. Los rayos o las descargas que se perciben en ocasiones al tocar la manija de una puerta, se deben al desplazamiento de una carga eléctrica de un sitio a otro. En la época de Benjamín Franklin, estadista e inventor estadounidense, estadounidense, ya se habían descubierto dos tipos de carga eléctrica. Estos son algunos temas que relacionan la química con la ingeniería eléctrica:
ELECTRÓLISIS
Es un proceso que tiene lugar cuando se aplica una diferencia de potencial entre dos electrodos y se realiza una reacción redox. La diferencia de potencial aplicada a los electrodos depende del electrolito y del material que constituye los él electrodos. Las pilas que producen corriente eléctrica se denominan pilas voltaicas mientras que las pilas que consumen corriente eléctrica se denominan pilas electrolíticas. En algunas electrólisis, si el valor de la diferencia de potencial aplicada es tan sólo ligeramente mayor que el calculado teóricamente, teóricamente, la reacción es lenta len ta o no se produce, por lo que resulta necesario aumentar el potencial aplicado. Este fenómeno se da cuando en alguno de los electrodos se produce algún desprendimiento de gas. El potencial añadido en exceso se denomina potencial de sobretensión. La cantidad de producto que se forma durante una electrólisis depende de: a. La cantidad de electricidad que circula a través de la pila electrolítica. b. De la masa equivalente de la sustancia que forma el electrolito. La cantidad de electricidad que circula por una celda electrolítica puede determinarse hallando el producto de la intensidad de la corriente, expresada en amperios por el tiempo transcurrido, expresado en segundos. Es decir, Q(culombios) = I*t. Tras efectuar múltiples determinaciones, Faraday enunció las dos leyes que rigen la electrólisis y que son:
Leyes de Faraday:
1. La masa depositada por electrólisis es directamente proporcional a la cantidad de electricidad que ha circulado. 2. Si varias celdas electrolíticas conectadas en serie y provistas de electrodos inertes son atravesadas por la misma cantidad de corriente eléctrica, las cantidades de sustancia depositadas en cada electrodo son proporcionales a los equivalentes-gramo de las sustancias depositadas. Se denomina equivalente electroquímico de una sustancia a la masa en gramos de dicha sustancia depositada por el paso de un culombio. De acuerdo con esta definición podemos escribir:
m=P I t /(96500 n)
Dónde: m= masa en gramos. P= peso atómico del elemento. n= número de electrones intercambiados. I= intensidad de la corriente en amperios t= tiempo en segundos. 6500 es el factor de equivalencia entre el Faraday y el Culombio. 1 F= 96500 C
PRINCIPIOS DE LA TERMODINAMICA (Para encontrar el área del disipador de calor por los que pasa una alta cantidad de corriente de acuerdo con su temperatura de funcionamiento y la temperatura de unión semiconductora y la velocidad de conmutación.) La termodinámica se dedica al estudio y a la explicación de las interacciones energéticas que ocurren entre sistemas. Por lo dicho la termodinámica es el campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como sus intercambios energéticos. Los principios de la termodinámica tienen una importancia fundamental para todas las ramas de la ciencia y la ingeniería.
Un concepto esencial de la termodinámica es el de sistema macroscópico, que se define como un conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable. El estado de un sistema macroscópico se puede describir mediante propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen, que se conocen como variables de estado. Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico. Las leyes o principios de la termodinámica, descubiertos en el siglo XIX, determinan la naturaleza y los límites de todos los procesos termodinámicos.
Principio cero de la termodinámica: Cuando dos sistemas están en equilibrio mutuo, comparten una determinada propiedad. Esta propiedad se puede medir, y se le puede asignar un valor numérico definido. Una consecuencia de ese hecho es el principio cero de la termodinámica, que afirma que si dos sistemas distintos están en equilibrio termodinámico con un tercero, también tienen que estar en equilibrio entre sí. Esta propiedad compartida en el equilibrio es la temperatura. La temperatura se mide con un termómetro. Un termómetro se construye a partir de una sustancia con estados fácilmente identificables y reproducibles, por ejemplo el agua pura y sus puntos de ebullición y congelación en condiciones normales. Si se traza una escala graduada entre dos de estos estados, la temperatura de cualquier sistema se puede determinar poniéndolo en contacto térmico con el termómetro, siempre que el sistema sea grande en relación con el termómetro.
Primer principio de la termodinámica: El primer principio es una ley de conservación de la energía. Afirma que, como la energía no puede crearse ni destruirse —dejando a un lado las posteriores ramificaciones de la equivalencia entre masa y energía; la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía transferida en forma de trabajo sobre el sistema debe ser i gual al aumento de la energía interna del sistema. El calor y el trabajo son mecanismos por los que los sistemas intercambian energía entre sí. Cuando un sistema se pone en contacto con otro más frío que él, tiene lugar un proceso de igualación de las temperaturas de ambos.
Segundo principio de la termodinámica: No es posible desarrollar un sistema que opere según un ciclo termodinámico de manera que ceda una cantidad neta de trabajo a su entorno si recibe calor de una única fuente térmica.
El segundo principio impone una condición adicional a los procesos termodinámicos. No basta con que se conserve la energía y cumplan así el primer principio. Una máquina que realizara trabajo violando el segundo principio se denomina "móvil perpetuo de segunda especie", ya que podría obtener energía continuamente de un entorno frío para realizar trabajo en un entorno caliente sin coste alguno. A veces, el segundo principio se formula como una afirmación que descarta la existencia de un móvil perpetuo de segunda especie.
Tercer principio de la termodinámica: El tercer principio de la termodinámica afirma que el cero absoluto no se puede alcanzar por ningún procedimiento que conste de un número finito de pasos. Es posible acercarse indefinidamente al cero absoluto, pero nunca se puede llegar a él. La termodinámica y la electrónica se combinan en lo que se llama la mecatrónica, por ejemplo, el control de procesos, en donde circuitos electrónicos controlan plantas químicas y de vapor, motores de explosión, turbinas de aviones, etc. Que son todos procesos termodinámicos. En cuanto a la termodinámica de los circuitos electrónicos, ´solo se puede decir que los circuitos electrónicos disipan calor, de acuerdo a la ley de watt y la temperatura de los componentes electrónicos no puede exceder el valor para el cual fueron diseñados. En la ingeniería eléctrica se usa para encontrar el área del disipador de calor por los que pasa una alta cantidad de corriente de acuerdo con su temperatura de funcionamiento y la temperatura de unión semiconductora y la velocidad de conmutación.
ESTRUCTURA ATOMICA Los átomos están formados por tres partículas básicas, los protones los electrones y los neutrones. Los protones y los neutrones se encuentran en el núcleo del átomo, los electrones en capas concéntricas alrededor del núcleo que a su vez se dividen en subcapas. Los protones tienen carga positiva, los electrones tienen una carga negativa y los neutrones no tienen carga, es decir son neutros. En la materia por lo general se encuentran los electrones y protones en equilibrio, pero los electrones se pueden mover de un átomo a otro causando que los cuerpos se carguen eléctricamente. Los electrones que se mueven con más facilidad son aquellos que se encuentran en las subcapas más alejadas del núcleo.
RADIOACTIVIDAD La radiactividad tiene que ver mucho con la electricidad cuando de producir energía nuclear se habla. Esto debido a que en las centrales nucleares se usa l a radiactividad para producir energía eléctrica. En el interior de estos complejos hay varias varas de zirconio en el interior con bastante material radiactivo como Uranio y Plutonio luego estos son bombardeados con neutrones por lo cual inician un proceso de fisión y se comienzan a calentar liberando gran cantidad de vapor el cual hace girar unas turbinas generando electricidad. Se relacionan con la capacidad de producir energía nuclear. O sea que un Isotopo Radiactivo puede generar electricidad mediante el proceso de fisión. La energía nuclear procede de reacciones de fisión o fusión de átomos en las que se liberan gigantescas cantidades de energía que se usan para producir electricidad. En 1956 se puso en marcha, en Inglaterra, la primera planta nuclear generadora de electricidad para uso comercial. En 1990 había 420 reactores nucleares comerciales en 25 países que producían el 17% de la electricidad del mundo. En los años cincuenta y sesenta esta forma de generar energía fue acogida con entusiasmo, dado el poco combustible que consumía (con un solo kilo de uranio se podía producir tanta energía como con 1000 toneladas de carbón). Pero ya en la década de los 70 y especialmente en la de los 80 cada vez hubo más voces que alertaron sobre los peligros de la radiación, sobre todo en caso de accidentes. El riesgo de accidente grave en una central nuclear bien construida y manejada es muy bajo, pero algunos de estos accidentes, especialmente el de Chernobyl (1986) que sucedió en una central de la URSS construida con muy deficientes medidas de seguridad y sometida a unos riesgos de funcionamiento alocados, han hecho que en muchos países la opinión pública
mayoritariamente se haya opuesto a la continuación o ampliación de los programas nucleares. Además ha surgido otro problema de difícil solución: el del almacenamiento de los residuos nucleares de alta actividad. Obtención de energía por fisión nuclear convencional. El sistema más usado para generar energía nuclear utiliza el uranio como combustible. En concreto se usa el isótopo 235 del uranio que es sometido a fisión nuclear en los reactores. En este proceso el núcleo del átomo de uranio (U -235) es bombardeado por neutrones y se rompe originándose dos átomos de un tamaño aproximadamente mitad del de uranio y liberándose dos o tres neutrones que inciden sobre átomos de U-235 vecinos, que vuelven a romperse, originándose una reacción en cadena. La fisión controlada del U-235 libera una gran cantidad de energía que se usa en la planta nuclear para convertir agua en vapor. Con este vapor se mueve una turbina que genera electricidad. El mineral de uranio se encuentra en la naturaleza en cantidades limitadas. Es por tanto un recurso no renovable. Suele hallarse casi siempre junto a rocas sedimentarias. Hay depósitos importantes de este mineral en Norteamérica (27,4% de las reservas mundiales), Africa (33%) y Australia (22,5%). El mineral del uranio contiene tres isótopos: U-238 (9928%), U-235 (0,71%) y U-234 (menos que el 0,01%). Dado que el U-235 se encuentra en una pequeña proporción, el mineral debe ser enriquecido (purificado y refinado), hasta aumentar la concentración de U-235 a un 3%, haciéndolo así útil para la reacción. El uranio que se va a usar en el reactor se prepara en pequeñas pastillas de dióxido de uranio de unos milímetros, cada una de las cuales contiene la energía equivalente a una tonelada de carbón. Estas pastillas se ponen en varillas, de unos 4 metros de largo, que se reúnen en grupos de unas 50 a 200 varillas. Un reactor nuclear típico puede contener unas 250 de estas agrupaciones de varillas.
Universidad Industrial de Santander “UIS”
Trabajo de Química Básica
Profesor: José Luis Pinto
Realizado Por: Jhon Anderson Estévez Vanegas. Código: 2112876 Daniel Amado Pinzón. Código: 2112048
