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INGENIERO QUÍMICO
SEGUNDO CURSO
PROYECTO DOCENTE DE LA ASIGNATURA (A EXTINGUIR DEL PLAN 98):
TERMODINÁMICA Y CINÉTICA QUÍMICA APLICADAS
Departamento de Ingeniería Química y Ambiental
A) PROFESORADO
Luis F. Vilches Arenas
(responsable de la asignatura)
Ángel Luis Villanueva Perales
Manuel Campoy Naranjo
B) PROGRAMA
TEMA 1:
CONCEPTOS BÁSICOS DE TERMODINÁMICA
El ámbito de la termodinámica. Aplicaciones de la termodinámica.
Recordatorio de conceptos previos. Presión, energía, formas de energía, calores de reacción, ecuaciones termoquímicas,
calores de formación, de combustión, de atomización, de disolución, de cambio de estado, entalpía de enlace, etc.
Variación de los calores de reacción con la temperatura. Calores específicos.
Concepto de sistema, tipos de sistemas; propiedades de los sistemas; variables intensivas y extensivas. Estado, equilibrio y
ecuación de estado.
Análisis de grados de libertad. Regla de las fases.
Procesos y ciclos.
TEMA 2:
PROPIEDADES TERMODINÁMICAS
Concepto de energía interna. Experimento de Joule. Primer principio.
Concepto de entalpía. Procesos de flujo continuo en estado estable.
Concepto de entropía. Procesos reversibles. Procesos irreversibles. Eficiencia. Segundo principio. Ecuaciones de entropía.
Estados de referencia. Tercer principio. Escalas de temperatura. Principio cero.
Concepto de energía de Gibbs.
Concepto de energía de Helmoltz.
TEMA 3:
ECUACIONES FUNDAMENTALES
Propiedades fundamentales o primarias. Propiedades compuestas.
Ecuaciones fundamentales. Ecuaciones de Maxwell.
Otras ecuaciones que conducen a parámetros de interés. Calores específicos. Compresibilidad isotérmica y expansividad
volumétrica. Ecuaciones generalizadas. Aplicaciones a gases ideales, gases reales con ecuación de estado conocida,
sustancias incompresibles.
TEMA 4:
ECUACIONES DE ESTADO Y DIAGRAMAS
Superficie PVT (H2O y CO2). Diagramas P-T. Diagramas P-v. Líneas de equilibrio, fases. Conceptos de temperatura y
presión de saturación, vapor y líquido saturados, vapor sobrecalentado, líquido comprimido. Aplicaciones a sistemas
cerrados (procesos isocóricos, isobáricos, isotérmicos, adiabáticos, politrópicos, isentrópicos; ciclos).
Tablas de propiedades de sustancias puras. Tablas de vapor saturado, sobrecalentado y de líquido comprimido. Mezclas
vapor-líquido, calidad o título.
Diagramas termodinámicos. Diagramas T-s, ln p-h, h-s (Mollier). Diagrama psicrométrico. Temperaturas de saturación
adiabática y de búlbo húmedo. Acondicionamiento de aire.
Termodinámica y cinética química aplicadas. Plan de la asignatura
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Ecuaciones de estado para gases. Punto crítico. Ecuaciones del virial. Ecuaciones cúbicas de estado (van der Waals,
Berthelot, Dieterici, Redlich/Kwong, Benedict/Webb/Rubin).
Gases reales. Variables reducidas. Principio de los estados correspondientes. Diagrama de compresibilidad generalizado.
Correlaciones generalizadas para líquidos.
Fugacidad de una sustancia pura. Coeficiente de fugacidad. Energía residual de Gibbs. Cálculo de fugacidades y
coeficientes de fugacidad. Equilibrio líquido-vapor en una sustancia pura. Factor de Poynting. Correlaciones generalizadas
para el coeficiente de fugacidad.
Relaciones termodinámicas generalizadas para entropía, energía interna, entalpía y calores específicos.
Ecuación de Clapeyron. Ley de Antoine. Regla de Trouton. coeficiente de Joule-Thomson.
TEMA 5:
TERMODINÁMICA DE SISTEMAS ABIERTOS
Sistemas abiertos, procesos de flujo. Ecuación general de balance. Balance de masa. Ecuación de continuidad. Balance de
energía. Ecuación de conservación de energía. Balances de masa y energía en procesos de flujo en estado estable. Balance
de entropía.
Flujo de fluidos compresibles en conductos. Toberas y difusores. Estrangulamientos. Turbinas, bombas, compresores,
ventiladores. Flujo en tuberías. Eyectores. Mezclas húmedas.
TEMA 6:
MÁQUINAS TÉRMICAS
2ª ley de la TD. Máquinas térmicas. Ciclo de Carnot. Principio de Carnot. Potencial de trabajo o calidad de la energía.
Desigualdad de Clausius. Entropía. Diagrama T-s de una máquina de Carnot. El refrigerador y la bomba de Carnot.
Coeficiente de operación.
Ciclos de potencia de vapor. Ciclo de vapor de Carnot. Ciclos de Rankine. Ciclos regenerativos. Efecto de las
irreversibilidades.
Refrigeración y licuefacción. El refrigerador de Carnot. Coeficiente de operación. Ciclos de compresión de vapor.
Selección del refrigerante. Refrigeración por absorción. Bomba de calor. Procesos de licuefacción. Cálculo de
instalaciones frigoríficas.
Ciclos de potencia de gases. Ciclo de Carnot de aire estándar. Motores de combustión interna. Ciclo de Otto de aire
estándar. Motor de Otto. Ciclo Diesel de aire estándar. Motor Diesel. Ciclo dual de aire estándar. Ciclo de Brayton.
Turbina de gas. Turboreactor. Ciclos de Ericsson y de Stirling.
TEMA 7:
ANÁLISIS TERMODINÁMICO DE PROCESOS. EXERGÍA
Concepto de exergía. Irreversibilidad. Eficiencia térmica. Exergía asociada a distintas formas de energía. Exergía asociada
a transferencias de calor y trabajo. Exergía química. Tratamiento de sistemas. Balances de exergía en sistemas cerrados y
abiertos. Análisis de generación de entropías en procesos.
TEMA 8:
TERMODINÁMICA DE SOLUCIONES I
Mezclas. Diferencial total de una función. Función de respuesta o propiedad parcial.
Potencial químico. Función generadora. Relaciones fundamentales. Adicionabilidad. Ecuación de Gibbs-Duhem.
Diagramas propiedad-concentración en mezclas binarias. Diagrama volumen-concentración. Diagrama entalpíaconcentración.
Mezclas de gases ideales. Teorema de Gibbs. Fugacidad y coeficiente de fugacidad en soluciones. Relación fundamental
de las propiedades residuales. Cálculo de fugacidades y coeficientes de fugacidad en mezclas. Solución ideal, regla de
Lewis y Randall. Variación de la fugacidad con la temperatura y la presión. Propiedades en exceso.
Cambio de propiedades en el mezclado. Efectos caloríficos en los procesos de mezclado. Diagramas entalpíaconcentración
Termodinámica y cinética química aplicadas. Plan de la asignatura
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TEMA 9:
TERMODINÁMICA DE SOLUCIONES II. EVL
Equilibrio líquido-vapor en soluciones. Ley de Henry, ley de Lewis y Randall. Desviaciones positivas y negativas.
Representaciones gráficas experimentales de coeficientes de fugacidad y de propiedades en exceso en mezclas binarias.
Reducción de datos. Ecuaciones de Margules.
Diagramas presión-composición en EVL. Prueba de consistencia de resultados. Modelos para la energía de Gibbs en
exceso.
TEMA 10:
TERMODINÁMICA DE SOLUCIONES III. APLICACIONES A SISTEMAS BINARIOS A PRESIONES BAJAS
Y MODERADAS
Expresión general del equilibrio V-L. Ley de Raoult modificada.
Solución ideal. Diagramas P-xy y T-xy. Destilación. Cálculos del punto de burbuja y del punto de rocío. Evaporación
instantánea. Coeficiente de distribución.
Cálculos en mezclas no ideales. Interpretación molecular de las desviaciones. Azeótropos.
Equilibrio líquido-líquido. Equilibrio sólido-líquido. Equilibrio gas-líquido.
TEMA 11:
SISTEMAS REACTIVOS. EQUILIBRIO EN LAS REACCIONES QUÍMICAS
Números estequiométricos. Coordenadas de reacción. Criterio de equilibrio para las reacciones químicas. Actividad.
Energía estándar de Gibbs y constante de equilibrio. Efecto de la temperatura sobre los equilibrios. Relación de las
constantes de equilibrio con la composición. Reacciones en fase gaseosa. Reacciones en fase líquida Fuerza iónica.
Conversiones de equilibrio para reacciones individuales. Reacciones en sistemas heterogéneos; gas-líquido, gas-sólido.
Equilibrio en reacciones múltiples.
TEMA 12:
CINÉTICA QUÍMICA
Velocidad de reacción. Grado de conversión. Determinación de la velocidad de reacción. Leyes de velocidad. Ecuación de
Arrhenius. Efecto de la temperatura. Órdenes de reacción. Leyes diferencial e integral. Periodo de semirreacción y vida
media. Interpretación de datos cinéticos y cálculo experimental de los órdenes de reacción.
Mecanismos de reacción. Etapas en serie. Reacciones en paralelo. Selectividad. Reacciones autocatalíticas. Reacciones
reversibles. Reacciones en cadena. Explosiones.
TEMA 13:
CINÉTICA DE LAS REACCIONES HOMOGÉNEAS
Comparación entre la cinética de las reacciones gaseosas y las líquidas. Métodos de relajación. Teoría de las colisiones.
Teoría del estado de transición. Efecto de la polaridad del disolvente. Efecto de la permitividad eléctrica. Efecto de la
presión. Efecto de la fuerza iónica.
TEMA 14:
CATÁLISIS
Conceptos previos. Catalizadores, inhibidores, venenos, activación/desactivación.
Catálisis homogénea, heterogénea y enzimática. Ecuaciones cinéticas en reacciones catalíticas.
Catálisis homogénea. Catálisis ácida y básica.
Catálisis heterogénea. Mecanismo. Fisisorción y quimisorción. Isoterma de adsorción de Langmuir. Mecanismo de
Langmuir-Hinshelwood. Mecanismo de Eley y Rideal.
Catalizadores sólidos. Criterios de elección del catalizador. Diseño de un catalizador sólido. Tipos de desactivación.
Métodos de protección. Soportes. Propiedades superficiales.
Reacciones enzimáticas.
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C) BIBLIOGRAFÍA
Libro de texto de referencia:
Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. SMITH. McGraw Hill, 1997.
Libros de texto auxiliares:
Termodinámica. WARK. McGraw Hill.
Chemical and Engineering thermodynamics. SANDLER. John Wiley & Sons, 1999.
Problemas resueltos de Termodinámica. BARRIO CASADO. Thomson, 2005.
Cuestiones de Termodinámica. NIETO. Síntesis, 1998.
Problemas de Termodinámica. PELLICER. Alianza, 1996.
Ingeniería Termodinámica. JONES. Prentice Hall.
Fundamentos de Termodinámica Técnica. MORAN. Reverté, 1998.
Cinética Química. HARRIS. Reverté. 1973.
Ingeniería de las Reacciones Químicas. LEVENSPIEL. Reverté, 1975.
D) CRITERIOS DE EVALUACIÓN Y CALIFICACIÓN
Para aprobar la asignatura se requiere superar un examen final con cuestiones teóricas y problemas de todo el programa de la asignatura
en el que se prestará especial atención a la evaluación de la capacidad del alumnado para aplicar los conceptos de los diferentes temas
del programa.
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