La Termodinámica en la Ingeniería Química - Parte I: IntroducciónEnviado por Francisco_Santander el Dom, 2010/02/21

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.

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...

Preguntas típicas son: 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.

La Termodinámica en la Ingeniería Química. Parte II: Leyes de la TermodinámicaEnviado por Francisco_Santander el Dom, 2010/03/07 - 3:33am.

Artículos Termodinámica

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.

Primera Ley de la Termodinámica

El principio del balance se puede expresar de la siguiente manera:

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.

Segunda Ley de la Termodinámica

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”.

La Termodinámica en la Ingeniería Química - Parte III: Aplicaciones de los Fundamentos de la TermodinámicaEnviado por Francisco_Santander el Mié, 2011/01/05 - 3:36am.

Artículos

Termodinámica

Los elementos teóricos mencionados en la Parte II de esta serie de artículos, se ponen al servicio de una aplicación por primera vez en el empleo de las tablas de propiedades termodinámicas del agua, especialmente en fase vapor. Su importancia se debe a que el vapor es un servicio industrial casi omnipresente en fábricas y plantas de procesamiento, y además a que es la base de la comprensión de la tecnología de las plantas de generación de energía termoeléctrica. De hecho, una planta termoeléctrica es básicamente una máquina térmica, como la de Carnot, solo que de la vida real, de gran tamaño e impulsada por vapor de agua.

Con el fin de ilustrar los conceptos, se apela a dispositivos de carácter mecánico, como los mecanismos cilindro-pistón, otros ciclos de producción de potencia, como los de los automóviles o los que impulsan a los aviones, así como ciclos de refrigeración. Esos aparatos en sí no son lo que se estudia, pues eso es de interés de la ingeniería mecánica; lo que es importante para la ingeniería química es conocer qué le pasa a la materia y a la energía cuando esos aparatos los transforman y manipulan.

Llegado a este punto, formas específicas de la materia ganan protagonismo: los fluidos. En consecuencia ya no se habla mucho en términos de transformación de la materia, sino de transformación de los fluidos. Debido a la importancia práctica que tienen los gases en diversos procesos químicos industriales, se dedica particular atención a su comportamiento y a las múltiples expresiones matemáticas que relacionan cuantitativamente tres propiedades de gran relevancia: presión, volumen y temperatura; se trata de las llamadas ecuaciones de estado. Necesariamente esto tendrá que ir acompañado del uso y aprendizaje de métodos de cálculo, que aunque en algunos casos pueden resultar nuevos, no son demasiado complicados.

Con el estudio de las ecuaciones de estado; surgen ideas generales a cerca del comportamiento cualitativo de los fluidos puros. En esencia, todas las sustancias puras se comportan de manera similar: los líquidos se calientan hasta vaporizarse, los vapores se condensan si se los comprime, los líquidos se congelan si se los enfría, etc. Lo particularmente interesante está en el hecho de que varias fases fluidas pueden coexistir bajo determinadas condiciones particulares, siendo esto el abrebocas del siguiente peldaño en el estudio de la termodinámica.

La Termodinámica en la Ingeniería Química - Parte IV: Teoría Termodinámica de las SolucionesEnviado por Francisco_Santander el Dom, 2011/02/20 - 7:37pm.

Artículos Termodinámica

Es natural pensar que es insuficiente conocer acerca de los fluidos puros, únicamente. Atendiendo a esa expectativa, una vez dominado el uso de los principios básicos en el estudio de las sustancias puras, se pasa a generalizar los conceptos a los sistemas fluidos de más de un componente en ausencia de reacciones químicas. Usualmente la generalización comienza de a poco y típicamente se comienza por un caso muy sencillo pero muy útil y común: el sistema aire - vapor de agua. A ese estudio se le llama psicrometría y es de enorme utilidad práctica en tecnologías como el acondicionamiento de aire y el secado (que es una operación unitaria y está fuera del alcance de la termodinámica).

Para lograr una verdadera y completa generalización de los fundamentos de la termodinámica a los sistemas de múltiples componentes, resulta muy necesario haber dominado y comprendido previamente algunos conceptos matemáticos, particularmente del ámbito del cálculo en varias variables. La aplicación de éstos permite obtener relaciones matemáticas entre todas las propiedades termodinámicas de interés, siendo de destacada importancia aquellas que relacionan magnitudes medibles con otras, que aunque no lo son, tienen un significado físico muy importante.

Los procesos mecánicos de expansión o compresión de los fluidos, que antes eran tan estudiados, dejan de figurar y se abre paso al entendimiento de cómo se comportan las mezclas. Al respecto hay cosas que son bastante útiles: calcular las propiedades de estos nuevos sistemas, cuantificar cuánto calor se consume o se produce durante el mezclado o entender qué fácil es mezclar y qué difícil es el proceso inverso. Pero lo que lejos de toda duda constituye la piedra angular de muchos de los estudios de otras ramas de la profesión es el estudio de los fluidos de múltiples componentes en equilibrio de fases, esto es, cuando un sistema conformado por más de una fase, se encuentra en equilibrio.

Cuando se aprende acerca de la posibilidad de existencia simultánea de vapor y líquido en una sustancia pura, uno no se sorprende mucho; finalmente todo mundo ha puesto a hervir agua en una olla. Esa es quizás la experiencia más cotidiana y convencional que resulta más cercana a un líquido generando su vapor en equilibrio. Cuando lo que se pone a hervir es un líquido de múltiples componentes, éstos se reparten en el líquido y el vapor de una manera determinada y conocible. Una fase es más rica en ciertos componentes y la otra es más rica en otros.

Al estudio del aparato teórico que permite calcular la distribución de las especies en las diferentes fases en equilibrio de un sistema fluido de múltiples componentes, se le suele llamar Teoría termodinámica de las soluciones. Se trata de uno de los contenidos más extensos y profundos en termodinámica, en donde se aplican los conocimientos de la química acerca de cómo interactúan diferentes moléculas y cómo esos comportamientos en la microescala tienen serias consecuencias en cómo se comportan cantidades de material muy grandes y de interés industrial.

A primera vista alguno podría pensar que calcular cómo se reparten las especies en el equilibrio de fases es tan solo un aspecto dentro de muchos otros que deberían estudiarse, y que por eso no se justifica un estudio tan extenso acerca de tantas teorías que pretenden explicar ese fenómeno. Pues resulta que, si bien la habilidad para conocer la distribución de especies en las fases en equilibrio es solo una entre tantas otras, se trata de un conocimiento de una importancia tan enorme que sin él la ingeniería química no sería lo que se conoce hoy.

Cuenta la historia más aceptada, que no antes del siglo X un alquimista árabe fue el primero en entender cómo preparar una bebida alcohólica a partir de granos de cereal fermentados en agua.

Lo que le permitió lograrlo fue el entendimiento de que ese “espíritu” que deseaba obtener, prefería salir primero que todo lo demás cuando calentaba el fermento. Más aún, los vapores eran más ricos en “espíritu” que en agua, especialmente al comienzo del calentamiento, lo cual era importante por que más “espíritu” proporcionaba una experiencia sensorial más intensa.

Hoy sabemos que ese “espíritu” es en realidad el alcohol etílico. Y que por tratarse del material clave más volátil en ese caso, prefiere estar en la fase gaseosa. Como ya se mencionó, las sustancias se distribuyen en las diferentes fases de una manera que lejos de ser aleatoria está muy bien definida. Además, según sean las condiciones de temperatura y presión cada sustancia preferirá estar en una fase u otra, según lo dicte su naturaleza química.

Lo que hace tan importante estudiar, entender, cuantificar, y explicar con teorías el por qué las sustancias se comportan de esa manera, es que en ese comportamiento se halla el fundamento de esa tecnología tan antigua, y que hoy por hoy resulta emblemática para la ingeniería química: la destilación.

Se trata de una operación unitaria que consume aproximadamente el 3% de toda la energía consumida en todo el mundo (Soave, G.; Feliu, J. A., Saving energy in distillation towers by feed splitting. Applied Thermal Engineering 2002, 22, (8), 889.).

Cerca de un 90% de todas las operaciones de recuperación y purificación en la industria son destilaciones, lo cual convierte a la destilación en una de las operaciones unitarias más estudiadas en toda la historia de la ingeniería química. Sólo en Estados Unidos existen más de 40.000 columnas de destilación en funcionamiento (Humphrey, J., Separation processes: playing a critical role. Chemical Engineering Progress 1995, 91, (10), 43-54.).

Pero la destilación no es todo en cuanto a la importancia de la termodinámica de las soluciones. Son muchas las operaciones unitarias de amplia aplicación industrial que se basan en el hecho de la diferencia de composición que tienen las fases de un sistema de múltiples componentes, cuando dos de ellas coexisten y tienden a estar en equilibrio. Es el caso de la extracción líquida, la percolación, la absorción y desorción de gases, el intercambio de iones y la cristalización.

La utilidad de la teoría termodinámica de las soluciones se pone de manifiesto trayendo a colación la segunda ley de la termodinámica: no todo es posible y lo que es posible, tiene un límite y tiene un costo.

Lo posible: la teoría permite conocer si determinado proceso de separación es termodinámicamente factible o no.

Lo que es posible tiene un límite: en caso de factibilidad afirmativa, sirve para conocer cuál es el grado máximo de separación que se puede lograrse.

Y finalmente, lo que es posible tiene un costo: Sin la teoría sería imposible poder estimar qué tecnología o equipo es necesario para determinada operación, o conocer cuánta energía demanda realizarla.

De hecho, diseñar un aparato de separación (campo de estudio de la Transferencia de Masa y de las Operaciones Unitarias) sin la termodinámica que describe la distribución de los componentes en las diferentes fases, es una empresa imposible.

La Termodinámica en la Ingeniería Química - Parte V: Termodinámica en Ingeniería de las Reacciones QuímicasEnviado por Francisco_Santander el Lun, 2011/05/23 - 6:43pm.

Artículos Termodinámica

Si hay algo que pueda equipararse a las Operaciones Unitarias en importancia para la concepción y diseño de plantas químicas industriales, es sin duda el conjunto de principios que permiten entender y diseñar equipos de reacción: la ingeniería de las reacciones químicas.

Una vez que se han estudiado los fundamentos de la termodinámica generalizados a los sistemas de múltiples componentes en ausencia de reacciones químicas, el siguiente

paso naturalmente consiste en eliminar esa restricción y traer de nuevo a colación aquello de que no todo es posible y lo que es posible, tiene un límite y tiene un costo.

Lo posible: es necesario conocer si determinada reacción química es termodinámicamente factible o no.

Lo que es posible tiene un límite: si una reacción es factible, es preciso establecer hasta dónde puede avanzar.

Y finalmente, lo que es posible tiene un costo: debe aclararse cuánta energía es preciso proveer o retirar con el fin de que la reacción deseada se verifique, y además es necesario establecer las condiciones de presión, temperatura y composición que favorecen la reacción.

Todo ello hace uso tanto de los fundamentos de la termodinámica como de la teoría termodinámica de las soluciones. Esto completa el mínimo recorrido por lo que se considera el estudio de la termodinámica en ingeniería química.

Comentarios Finales

El completo estudio de la termodinámica en ingeniería química abre paso a las aplicaciones en Operaciones Unitarias, Fenómenos de Transporte, Ingeniería de reacciones, diseño de plantas químicas, e incluso administración de instalaciones industriales. De ahí que ratifique lo expresado en la introducción al reafirmar que la termodinámica es uno de los pilares de la profesión.

Es de anotar que lograr apreciar el poder y la belleza de la termodinámica de forma máxima, requiere una formación sólida y concienzuda de los principios matemáticos que allí se usan. De la manera más categórica debo decir que eso sí es muy importante. Decir que las matemáticas en termodinámica tienen poca o nula importancia o que no son tan necesarias, sería un vil engaño.