Plan anual de actividades académicas (2019) TERMODINÁMICA

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Plan anual de actividades académicas (2019) T

ERMODINÁMICA

1. Datos generales de la actividad curricular

Departamento: Ingeniería química Área: Química

Carácter: De la especialidad (Obligatoria) Régimen de dictado: Anual

Equipo docente:

Profesor: GODOY, Ezequiel;

Auxiliares: KAMINSKY, Marcela; GALETTI, Valeria; JUKONIS, Gastón;

2. Fundamentación de la materia dentro del plan de estudios

La asignatura Termodinámica se encuentra incluida en el 3º nivel del diseño curricular de la carrera de Ingeniería Química, en vista que el alumno cuente con los conocimientos de base necesarios para poder afrontar solventemente y alcanzar exitosamente los objetivos

propuestos por la misma.

La asignatura aborda el desarrollo de los conceptos, principios, relaciones y base experimental de la termodinámica. Asimismo, debido a que pertenece al bloque de las tecnologías básicas, apunta a la aplicación de los principios de la termodinámica en la resolución de problemas de la ingeniería, que permitan alcanzar una visión diversa de dicho campo.

3. Objetivos

Señalar los objetivos expresados en términos de competencias a lograr por los alumnos y/o de actividades para las que capacita la formación impartida.

Objetivos Generales

- Que el alumno demuestre capacidad de análisis y espíritu crítico

- Que el alumno sea capaz de comunicar de manera eficaz y eficiente los resultados obtenidos

Objetivos Específicos

- Que el alumno comprenda los conceptos, principios, relaciones y base experimental de la

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termodinámica para la evaluación energética y el sentido de evolución de los fenómenos naturales

- Que el alumno aplique sus conocimientos de termodinámica desde un punto de vista teórico-práctico, haciendo frente a escenarios novedosos orientados a procesos diversos en el campo de la ingeniería

4. Contenidos

Indicar los contenidos incluidos en el programa de la actividad curricular.

Unidad 1: Conceptos Fundamentales

Clases de sistemas: abiertos, cerrados y aislados. Variables de estado. Procesos. Ciclos.

Propiedades extensivas e intensivas. Concepto de temperatura. Escalas de temperatura. Ley Cero de la Termodinámica.

Bibliografía sugerida: Cengel Boles (2009) 1-39; Moran Shapiro (2004) 1-26

Unidad 2: Propiedades Termodinámicas

Energía y sus transformaciones. Conceptos de energía interna, energía cinética, energía potencial, entalpía y sus propiedades. Introducción a los conceptos de trabajo, calor y entropía, y sus propiedades. Definiciones de energía libre de Helmholtz y de Gibbs.

Ecuaciones de Maxwell. Ecuación de Gibbs-Helmholtz. Relaciones entre propiedades termodinámicas.

Bibliografía sugerida: Faires Simmang (1976) 29-57, Cengel Boles (2009) 663-686

Unidad 3: Diagramas Termodinámicos

Estados: sólido, líquido sub-enfriado, líquido saturado, vapor saturado, vapor sobrecalentado, vapor húmedo y título, gas, fluido supercrítico. Diagramas PvT en 3 dimensiones.

Proyecciones en 2 dimensiones: P-T, P-v, v-T. Diagramas T-s, P-h, h-s (Mollier). Diagramas P-v, T-s y P-h para gases. Representación de procesos y ciclos típicos en diagramas

termodinámicos. Relaciones entre presión, volumen y temperatura de gases, líquidos y sólidos puros. Ecuaciones de estado. Propiedades críticas. Propiedades reducidas. Estados de referencia. Estimación de propiedades de sustancias puras en fase líquida, sólida, vapor y gas.

Bibliografía sugerida: Wark Richards (2001) 87-119, Faires Simmang (1976) 61-77

Unidad 4: Primer Principio de la Termodinámica

Conservación de la energía. Primer principio para sistemas cerrados. Expresión diferencial.

Conceptos de energía interna, trabajo y calor desde el punto de vista del primer principio.

Primer principio para sistemas abiertos en régimen estacionario y dinámico. Aplicación de balances de energía a distintas operaciones ingenieriles típicas.

Bibliografía sugerida: Smith Van Ness Abbott (2007) 21-54, Moran Shapiro (2004) 35-76

Unidad 5: Segundo Principio de la Termodinámica

Necesidad y naturaleza del segundo principio. Reversibilidad e irreversibilidad de

transformaciones. Máquinas térmicas, máquinas frigoríficas y bombas de calor reversibles e irreversibles. Enunciado de Carnot. Enunciados de Kelvin y Clausius y Plank. Escala termodinámica de temperatura. Concepto de entropía desde el punto de vista del segundo

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principio. Entropía e irreversibilidad. Balance entrópico. Concepto de exergía y sus

propiedades. Variación exergética de transformaciones y procesos. Rendimiento de primer y segundo principio.

Bibliografía sugerida: Cengel Boles (2009) 281-318, 333-402, 429-475, Rodriguez (2000) 197-250

Unidad 6: Análisis Termodinámico de Procesos

Ciclos de máquinas térmicas a vapor. Ciclo Rankine. Sobrecalentamiento. Ciclo regenerativo. Múltiples niveles de vapor y extracciones.

Ciclos frigoríficos por compresión. Coeficiente de efecto frigorífico. Ciclos frigoríficos de absorción. Ciclos frigoríficos con gases permanentes.

Ciclos de motores a gas. Ciclo Otto. Ciclo Diesel. Ciclo Joule-Brayton. Ciclos de turbina de gas, con múltiples etapas y regenerativos. Ciclos combinados.

Intercambio de Calor. Diferencia mínima de temperatura. Influencia en el calor transferido y en el área de intercambio necesaria.

Análisis de procesos ingenieriles desde el punto de vista del primer y segundo principios de la termodinámica.

Bibliografía sugerida: Cengel Boles (2009) 493-536, 561-598, 617-646, Moran Shapiro (2004) 373-417, 427-505, 515-543, Howell Buckius (1990) 282-341

5. Distribución de carga horaria

Completar el siguiente cuadro con las actividades con carga horaria significativa exceptuando las actividades ocasionales que no resulten sustanciales para el desarrollo de la actividad curricular (conferencias, prácticas no sistemáticas o no obligatorias, fichado de material bibliográfico u otras).

Carga horaria total

Formación Teórica 40

Ejercitación de aula (problemas tipo de ingeniería) 64

Formación experimental --

Actividades de Proyectos y diseño --

Resolución de problemas abiertos de ingeniería 24

Sumatoria 128

6. Descripción de las actividades teóricas y prácticas

Describir brevemente la actividad curricular, las tareas a realizar por docentes y alumnos y los materiales didácticos, guías, esquemas, lecturas previas, otros que se requieran para desarrollarla.

La actividad curricular de la asignatura se fomentará en clases que aborden la formación teórico-práctica en el campo de la termodinámica, y realización de actividades de aula, incluyendo la resolución de problemas tipo de aplicación en la práctica ingenieril, así como la resolución de actividades que integren los conocimientos adquiridos mediante su

aplicación a casos de estudio típicos.

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Asimismo, durante el desarrollo de la asignatura, se propondrá la resolución de problemas abiertos de ingeniería, en modalidad grupal. Los mismos deberán ser planteados por los alumnos en función de los lineamientos mínimos establecidos por la cátedra, de manera que habiliten la aplicación de las temáticas abordadas en las distintas unidades de la asignatura.

Por su parte, en el aula virtual de la asignatura, los alumnos dispondrán de: material bibliográfico de acceso libre, links a recursos externos, incluyendo software, y guías prácticas. Asimismo, mediante el aula, los alumnos tendrán acceso a distintos recursos digitales que asisten en el proceso de enseñanza-aprendizaje, tales como libreta de calificaciones para las actividades prácticas, foros y mensajería, incluyendo panel de novedades, entre otros.

7. Metodologías de enseñanza

Listar las estrategias didácticas empleadas para garantizar la adquisición de conocimientos, competencias y actitudes en relación con los objetivos. Especificar cuáles son las estrategias implementadas para generar hábitos de autoaprendizaje.

Formación Teórico-Práctica

Para cada temática, se realizará una introducción expositiva de los objetivos y la ubicación de los mismos en el contexto de la materia, seguidos de la discusión abierta de los conceptos a tratar. Se incentivará a los alumnos de la cátedra a involucrarse en el desarrollo de los contenidos, solicitándoles la búsqueda de material relevante para su exposición y análisis.

Asimismo, se plantearán problemas de aplicación tipo que actuarán como hilo conductor para la profundización de los distintos aspectos teóricos-prácticos abordados en la asignatura, disponiéndose de guías para cada temática.

Actividades Prácticas

Durante el dictado de la asignatura, se propondrá el planteo y resolución de actividades prácticas, en modalidad tanto individual como grupal, que profundicen sobre distintos aspectos de las temáticas abordadas. Se incentivará a los alumnos a que redacten un informe para cada actividad durante el desarrollo de la clase, describiendo la resolución propuesta y discutiendo críticamente los resultados alcanzados, contando con la guía de los docentes.

Resolución de problemas abiertos de ingeniería.

En la modalidad de grupos de trabajo, se planteará la resolución de un problema abierto de aplicación que abarque las distintas temáticas abordadas en la asignatura. El problema a resolver quedará a elección de cada grupo de trabajo, dentro de los lineamientos mínimos proporcionados por la cátedra. Se realizará el seguimiento continuo del desarrollo del mismo, programándose la defensa de los adelantos alcanzados. Para la resolución de esta actividad, se propondrá la utilización de herramientas informáticas tanto de acceso libre como licenciadas por la universidad.

8. Evaluación

Describir las formas de evaluación, requisitos de promoción y condiciones de aprobación de los alumnos (regulares y libres) fundamentando brevemente su elección. Indicar si se anticipa a los alumnos el método de evaluación y cómo acceden estos a los resultados de sus evaluaciones como complemento de la enseñanza.

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Condiciones de Regularización

Para acceder a esta instancia, el alumno deberá demostrar que ha alcanzado satisfactoriamente o superado los siguientes resultados de aprendizaje:

- Conocimiento de los conceptos teóricos y los principios fundamentales de la

termodinámica en relación a su aplicación a la resolución de problemas de aplicación prácticos tipo de ingeniería

- Capacidad de resolución de problemas abiertos de ingeniería con base en los conocimientos adquiridos en el campo de la termodinámica

A los fines, se realiza el seguimiento de cada alumno en base a:

- Participación activa en clases y en actividades grupales

- Resolución satisfactoria y entrega de informe de al menos el 80% de las actividades prácticas, incluyendo la resolución de un problema abierto de ingeniería

- Defensa, deliberación y análisis crítico de los resultados alcanzados

El alumno que no haya demostrado que ha alcanzado satisfactoriamente los resultados de aprendizaje esperados antes listados durante el dictado de la asignatura, podrá acceder a dos (2) instancias de Recuperación. Las mismas consistirán en la exposición oral de los

conceptos, principios, relaciones y base experimental de la termodinámica que hubieren abarcado las correspondientes actividades prácticas.

Condiciones de Aprobación Directa

Para acceder a esta instancia, el alumno deberá demostrar que ha alcanzado satisfactoriamente o superado los resultados de aprendizaje esperados para la Regularización, y adicionalmente el siguiente:

- Habilidad de aplicación de los conocimientos adquiridos en termodinámica para la resolución de problemáticas comunes y novedosas orientadas al campo de la ingeniería de procesos

A los fines, se programan en el cronograma de la asignatura una (1) instancia de Evaluación Integradora y una (1) instancia de Recuperatorio. Estas serán en la modalidad de evaluación escrito/oral, abarcando todos los contenidos del programa de la asignatura, tendiendo a que el alumno aplique sus conocimientos de termodinámica en la búsqueda de soluciones para problemáticas típicas y novedosas orientadas a procesos diversos en el campo de la ingeniería.

Examen Final

El alumno que haya alcanzado las condiciones de regularización, pero no las de aprobación directa, estará habilitado a rendir Examen Final. Este será en la modalidad de evaluación escrito/oral, abarcando todos los contenidos del programa de la asignatura, tendiendo a que el alumno aplique sus conocimientos de termodinámica en la búsqueda de soluciones para problemáticas típicas y novedosas orientadas a procesos diversos en el campo de la ingeniería.

9. Articulación horizontal y vertical con otras materias

Articulación Horizontal

La asignatura se articula horizontalmente con:

- Físico Química: Sistemas Multi-componente, Sistemas Heterogéneos

- Fenómenos de Transporte: Transporte de Masa, Energía y Cantidad de Movimiento

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- Integración III: Procesos a Escala Industrial, Balances de Masa y Energía Articulación Vertical

La asignatura se articula verticalmente con:

- Análisis Matemático II: Derivadas Parciales, Diferenciales, Integrales - Física II: Calor

- Integración II: Operaciones Unitarias, Ley de Conservación de Masa, Balances de Masa

10. Bibliografía

Detallar la bibliografía. En el caso de libros especificar el título, los autores, la editorial y el año de edición e indicar en el cuadro la cantidad de ejemplares disponibles para los alumnos en la biblioteca y los años de sus ediciones.

● Benitez, Fransisco, Termodinámica, Buenos Aires: EdUTecNe. 2013

● Cengel, Yunus A. ; Boles, Michael A., Termodinámica, Mexico: McGraw-Hill. 2009

● Facorro Ruiz, Lorenzo A., Curso de termodinámica con 310 problemas, Buenos Aires: Nueva librería. 2011

● Faires, Virgil Moring ; Simmang, Clifford M. ; Brewer, Alexander, Problemas de termodinámica, México: Uteha. 1976

● Garcia, Carlos A., Problemas de termodinámica técnica, Buenos Aires: Alsina. 1997

● Garcia, Carlos A., Termodinámica técnica, Buenos Aires: Alsina. 2002

● Greco, Fransisco I., Calor y principios de la termodinámica, Buenos Aires: Nueva librería.

1981

● Hougen, Olaf Andreas ; Watson, Kenneth M. ; Ragatz, Roland A., Principios de los procesos químicos: termodinámica, Barcelona: Reverte. 1980

● Howell, John R. ; Buckius Richard O., Principios de Termodinámica para Ingenieros: McGraw- Hill. 1990

● Huang, Francis F., Ingeniería termodinámica: fundamentos y aplicaciones, México:

Continental. 2003

● Moran, Michael ; Shapiro, Howard, Fundamentos de termodinámica técnica, Barcelona:

Reverte. 2004

● Potter, Merle C. ; Somerton, Craig W., Termodinámica para ingenieros, Madrid: McGraw-Hill.

2004

● Rajput, R. K., Ingeniería termodinámica, Mexico: Cengage. 2011

● Rodriguez, Jorge, Introducción a la Termodinámica con Algunas Aplicaciones de Ingeniería.

2000

● Rolle, Kurt C., Termodinámica, México: Pearson Educacion. 2006

● Sherwin, Keith., Introducción a la termodinámica, Wilmington: Addison-Wesley. 1995

● Smith, Joseph Mauk ; Van Ness, Hendrick C. ; Abbott, Michael, Introducción a la termodinámica en ingeniería química, México: McGraw-Hill. 2007

● Wark, Kenneth ; Richards, Donald E., Termodinámica, Madrid: McGraw-Hill. 2001

● Zemansky, Mark Waldo, Calor y termodinámica, Madrid: Aguilar. 1979

* Disponible en la biblioteca para uso de los alumnos.

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11. Cronograma estimado de clases

Fecha Actividad

P ri m e

r c u a tr i m e s tr e

Semana 01

Turno Noche: 11/marzo Turno Tarde: 13/marzo Introducción a la Asignatura

Clases de sistemas: abiertos, cerrados y aislados. Concepto de temperatura.

Escalas de temperatura. Ley Cero de la Termodinámica.

Semana 02

Turno Noche: 18/marzo Turno Tarde: 20/marzo

Variables de estado. Procesos. Ciclos. Propiedades extensivas e intensivas.

Semana 03

Turno Noche: 25/marzo Turno Tarde: 27/marzo

Energía y sus transformaciones. Conceptos de energía interna, energía cinética, energía potencial, entalpía y sus propiedades. Introducción a los conceptos de trabajo, calor y entropía, y sus propiedades.

Actividad Integradora 1

Semana 04

Turno Noche: 01/abril Turno Tarde: 03/abril

Definiciones de energía libre de Helmholtz y de Gibbs. Ecuaciones de Maxwell. Ecuación de Gibbs-Helmholtz. Relaciones entre propiedades termodinámicas.

Semana 05

Conservación de la energía. Primer principio para sistemas cerrados.

Expresión diferencial.

Semana 06

Conceptos de energía interna, trabajo y calor desde el punto de vista del primer principio. Primer principio para sistemas abiertos en régimen estacionario y dinámico.

Semana 07

Turno Noche: 22/abril Turno Tarde: 08/mayo

Aplicación de balances de energía a distintas operaciones ingenieriles típicas.

Semana 08

Turno Noche: 06/mayo Turno Tarde: 22/mayo

Estados: sólido, líquido sub-enfriado, líquido saturado, vapor saturado, vapor sobrecalentado, vapor húmedo y título, gas, fluido supercrítico.

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Diagramas PvT en 3 dimensiones. Proyecciones en 2 dimensiones: P-T, P- v, v-T. Diagramas T-s, P-h, h-s (Mollier).

Semana 09

Turno Noche: 13/mayo Turno Tarde: 29/mayo

Diagramas P-v, T-s y P-h para gases. Representación de procesos y ciclos típicos en diagramas termodinámicos.

Semana 10

Turno Noche: 20/mayo Turno Tarde: 05/junio

Relaciones entre presión, volumen y temperatura de gases, líquidos y sólidos puros. Ecuaciones de estado. Propiedades críticas. Propiedades reducidas. Estados de referencia. Estimación de propiedades de sustancias puras en fase líquida, sólida, vapor y gas.

Semana 11

Turno Noche: 3/junio Turno Tarde: 12/junio

Unidad 3: Diagramas Termodinámicos Actividad Integradora 2

Semana 12

Unidad 4: Primer Principio de la Termodinámica Actividad Integradora 3

Semana 13

Unidad 4: Primer Principio de la Termodinámica Actividad Integradora 3

Semana 14

Turno Noche: 17/abril Turno Tarde: 29/abril Mesa de examen escalonada

Semana 15

Turno Noche: 24/junio Turno Tarde: 26/junio Mesa de examen escalonada

Semana 16

Turno Noche: 17/junio Turno Tarde: 01/mayo Feriados

S e g u n d o c u a tr i m e

Semana 17

Turno Noche: 22/julio Turno Tarde: 24/julio

Necesidad y naturaleza del segundo principio. Reversibilidad e irreversibilidad de transformaciones. Máquinas térmicas reversibles e irreversibles. Enunciado de Carnot

Semana 18

Turno Noche: 29/julio Turno Tarde: 31/julio

Máquinas frigoríficas y bombas de calor reversibles e irreversibles.

Enunciado de Carnot. Enunciados de Kelvin y Clausius y Plank. Escala termodinámica de temperatura.

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s tr

e Semana 19

Turno Noche: 5/agosto Turno Tarde: 7/agosto

Concepto de entropía desde el punto de vista del segundo principio.

Entropía e irreversibilidad. Balance entrópico.

Semana 20

Turno Noche: 12/agosto Turno Tarde: 21/agosto

Concepto de exergía y sus propiedades. Variación exergética de

transformaciones y procesos. Rendimiento de primer y segundo principio.

Semana 21

Turno Noche: 02/septiembre Turno Tarde: 28/agosto

Unidad 5: Segundo Principio de la Termodinámica Actividad Integradora 4

Semana 22

Turno Noche: 09/septiembre Turno Tarde: 04/septiembre

Semana 23

Turno Noche: 25/septiembre Turno Tarde: 25/septiembre

Semana 24

Turno Noche: 16/septiembre Turno Tarde: 02/octubre

Ciclos de máquinas térmicas a vapor. Ciclo Rankine. Sobrecalentamiento.

Ciclo regenerativo. Múltiples niveles de vapor y extracciones.

Semana 25

Turno Noche: 23/septiembre Turno Tarde: 09/octubre

Ciclos frigoríficos por compresión. Coeficiente de efecto frigorífico.

Ciclos frigoríficos de absorción. Ciclos frigoríficos con gases permanentes.

Semana 26

Turno Noche: 21/octubre Turno Tarde: 16/octubre

Ciclos de motores a gas. Ciclo Otto. Ciclo Diesel. Ciclo Joule-Brayton.

Ciclos de turbina de gas, con múltiples etapas y regenerativos. Ciclos combinados.

Semana 27

Turno Noche: 28/octubre Turno Tarde: 23/octubre

Intercambio de Calor. Diferencia mínima de temperatura. Influencia en el calor transferido y en el área de intercambio necesaria.

Semana 28

Turno Noche: 04/noviembre Turno Tarde: 30/octubre

Análisis de procesos ingenieriles desde el punto de vista del primer y segundo principios de la termodinámica

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Semana 29

Turno Noche: 14/agosto Turno Tarde: 26/agosto Mesa de examen escalonada

Semana 30

Turno Noche: 18/septiembre Turno Tarde: 30/septiembre Mesa de examen escalonada

Semana 31

Turno Noche: 19/agosto-7/octubre-14/octubre Turno Tarde: --

Feriados

Semana 32 Turno Noche y Turno Tarde: 6/noviembre Examen de la asignatura

12. Clases de consulta

Las clases de consulta se realizan los días miércoles a las 14hs. Los alumnos deberán confirmar su asistencia por mail con al menos 24hs de antelación.

13. Observaciones

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Firma y aclaración del titular de cátedra o responsable del equipo docente