Pla docent de l'assignatura

 

 

Tanca imatge de maquetació

 

Imprimeix

 

Dades generals

 

Nom de l'assignatura: Termodinàmica Aplicada

Codi de l'assignatura: 360267

Curs acadèmic: 2021-2022

Coordinació: Federico Calle Vallejo

Departament: Departament de Ciència de Materials i Química Física

crèdits: 6

Programa únic: S

 

 

Hores estimades de dedicació

Hores totals 150

 

Activitats presencials i/o no presencials

60

(A les classes generalment es presenten les bases teòriques i després es resolen problemes)

 

-  Teoricopràctica

Presencial i no presencial

 

60

Treball tutelat/dirigit

25

(Aquestes hores inclouen les tasques i els qüestionaris proposats al Campus Virtual.)

Aprenentatge autònom

65

(Aquestes hores inclouen les tasques i els qüestionaris per a autoaprenentatge proposats al Campus Virtual.)

 

 

Recomanacions

 

Per seguir el desenvolupament de l’assignatura cal conèixer i repassar tots els conceptes de termodinàmica adquirits a l’assignatura Química Física.

 

 

Competències que es desenvolupen

 

   -

Competències específiques. Fonaments científics (4). Tenir capacitat per fer servir els principis i els coneixements bàsics per establir i solucionar 'analíticament, numèricament i gràficament' una varietat de problemes típics de l'enginyeria química, que inclouen aquells més específics que involucrin canvis de la composició de les substàncies, i d'altres que involucrin només canvis físics d'estat, de nivell tèrmic, de condicions de circulació, d'estat d'agregació o qualsevol altre.

   -

Competències específiques. Fonaments científics (3). Comprendre els principis bàsics de l'enginyeria química: a) Balanços de matèria, energia i quantitat de moviment. b) Equacions d'equilibri físic i químic. c) Equacions cinètiques dels processos físics de transferència (de matèria, d'energia i de quantitat de moviment), i cinètica de la reacció química.

Objectius d'aprenentatge

 

Referits a coneixements

Adquirir els coneixements necessaris com a enginyer químic sobre l’aplicació de l’equilibri de fases, l’equilibri químic i l’equilibri electroquímic:

 

— Saber aplicar els criteris d’equilibri de fases en funció del potencial químic per a un sistema tancat.
— Conèixer i diferenciar els conceptes de grau de llibertat, fase i component d’un sistema. Saber aplicar la regla de les fases.
— Conèixer l’equilibri de fases per a sistemes amb un sol component.
— Conèixer i comprendre els diagrames d’equilibri de fases líquid-vapor, líquid-líquid i sòlid-líquid, per a sistemes binaris.
— Conèixer els sistemes en equilibri de fases de tres components líquids.

 

— Conèixer la constant d’equilibri termodinàmica per a una reacció química i la seva relació amb les variacions de les propietats termodinàmiques.
— Conèixer l’efecte de les variables experimentals sobre el desplaçament del punt d’equilibri d’una reacció.
— Conèixer diferents equilibris àcid-base i les seves constants d’equilibri termodinàmiques. Definir el concepte de pH i els mètodes que s’utilitzen per calcular-lo.
— Conèixer les constants d’ionització per a àcids i bases monopròtics febles.
— Conèixer el concepte d’hidròlisi.
— Conèixer la constant de l’equilibri químic heterogeni entre una sal sòlida i una dissolució saturada i entendre el concepte de solubilitat.

 


— Conèixer què és un sistema electroquímic que es troba en equilibri termodinàmic.
— Comprendre què és una pila i la seva força electromotriu.
— Entendre l’equació de Nernst.
— Conèixer les aplicacions de les mesures de la força electromotriu d’una pila.

 

Adquirir una visió pràctica dels conceptes fonamentals de la termodinàmica aplicats a l’estudi dels cicles generadors de potència, màquines frigorífiques i dispositius de conversió directa d’energia:

 


— Adaptar i ampliar els coneixements bàsics de la termodinàmica al camp de l’enginyeria: principis de conservació de massa i energia generalitzats (primer principi).
— Adoptar i dominar el mètode exergètic com a eina fonamental en l’anàlisi dels recursos energètics (segon principi).
— Conèixer les instal·lacions generadores de potència tant pel que fa als principals cicles termodinàmics que recorren com pel que fa als elements mecànics que les formen.
— Conèixer els dispositius de refrigeració i les bombes de calor i els cicles que segueixen.
— Conèixer els dispositius de transformació directa d’energia: piles de combustible, cèl·lules fotovoltaiques i dispositius termoelèctrics.

 

Referits a habilitats, destreses


Referits al bloc d’equilibri:

— Calcular o estimar les propietats termodinàmiques de substàncies pures i dissolucions, les variacions de funcions termodinàmiques en operacions i processos, i les composicions d’equilibri entre fases i d’equilibri químic en els diferents sistemes que es poden presentar en la indústria química.
— Saber aplicar la regla de les fases per calcular el nombre de graus de llibertat d’un sistema termodinàmic d’un o més components.
— Identificar quan un sistema multifàsic es troba en equilibri termodinàmic o, en cas contrari, predir en quin sentit evolucionarà espontàniament. Ser capaç de dibuixar i d’interpretar els diagrames de fases en sistemes formats per un únic component i per diversos components.
— Analitzar quan un sistema químic reactiu es troba en equilibri termodinàmic o, en cas contrari, predir en quin sentit evolucionarà espontàniament.
— Analitzar i calcular composicions d’equilibri de cada espècie en sistemes amb reacció química, la constant d’equilibri i com es modifica aquest equilibri.
— Saber utilitzar les constants d’ionització.
— Saber com es ionitzen els àcids polipròtics i com es calculen les concentracions de totes les espècies en aquestes dissolucions.
— Saber aplicar la hidròlisi a dissolucions de sals de bases fortes o febles i àcids forts o febles, respectivament.
— Saber usar les constants termodinàmiques del producte de solubilitat i com es determinen.
— Avaluar sistemes químics en els quals intervé el corrent elèctric, com ara les piles galvàniques, i com s’apliquen per mesurar magnituds termodinàmiques.
— Saber descriure en una pila els processos que tenen lloc en cada elèctrode i el procés global.
— Saber mesurar i interpretar una valoració potenciomètrica.

 


Referits al bloc de termodinàmica tècnica:

— Saber aplicar balanços de matèria i energia a sistemes tancats i a sistemes oberts amb flux de matèria.
— Saber plantejar un balanç exergètic distingint les diferents contribucions, com ara la disponibilitat energètica o les irreversibilitats.
— Saber calcular i millorar el rendiment i la potència dels cicles termodinàmics que recorren les diverses instal·lacions generadores de potència.
— Saber determinar i millorar el coeficient de refrigeració i el de calefacció dels dispositius refrigeradors i de les bombes de calor, respectivament, i la potència consumida.
— Saber analitzar de manera crítica el funcionament de les diferents instal·lacions i de les modificacions que s’hi incorporen per millorar-les.
— Saber expressar el rendiment dels diferents dispositius de conversió directa d’energia en funció dels paràmetres que controlen el procés físic en què es basa cadascun d’ells.

 

Referits a actituds, valors i normes

— Adoptar una actitud crítica vers la relació entre la matèria que s’estudia i els processos que tenen lloc a la naturalesa, intentant relacionar els conceptes introduïts amb aplicacions quotidianes conegudes.
— Mostrar una actitud receptiva envers els continguts de l’assignatura per entendre’ls i no només memoritzar-los.
— Adquirir la capacitat d’obtenir la informació adequada per afrontar nous problemes científics que es plantegin.
— Analitzar de manera crítica el resultat dels exercicis pràctics.
— Plantejar-se sempre solucions alternatives per obtenir un resultat determinat i discutir-ne la viabilitat.
— Resoldre les qüestions que es plantegen al llarg del curs i mostrar una actitud participativa a classe a l’hora de comentar-les.
— Ser respectuós amb els dubtes que plantegen a classe altres companys de curs, a fi de fomentar la participació de tothom.
— Ser capaç d’organitzar-se, planificant l’aprenentatge de l’assignatura al llarg de tot el curs.
— Mantenir una comunicació fluida i continuada amb el personal docent perquè cap dubte impedeixi l’aprenentatge normal de temes posteriors.

 

 

Blocs temàtics

 

1. Equilibri químic

1.1. Equilibri de fases en sistemes d’un component

Condició d’equilibri de fases termodinàmic. Regla de les fases. Diagrames de fases per a sistemes d’un component. Equacions de Clapeyron i de Clausius-Clapeyron

1.2. Equilibri de fases en sistemes multicomponents

Equació general de l’equilibri líquid-vapor. Llei de Raoult. Equilibri líquid-vapor per a dissolucions ideals de dos components. Diagrames de fase. Equilibri líquid-vapor per a dissolucions no ideals de dos components. Azeòtrop. Equilibri líquid-líquid per a sistemes de dos components: líquids totalment miscibles, líquids parcialment miscibles i líquids immiscibles. Equilibri líquid-sòlid. Diagrames. Equilibri de fases per a sistemes de tres components líquids. Diagrames

1.3. Equilibri químic

Condició d’equilibri químic i constant d’equilibri termodinàmica. Afinitat. Isoterma de reacció. Influència de la temperatura en la constant d’equilibri. Equació de Van’t Hoff. Desplaçament de l’equilibri: principi de Le Châtelier. Equilibri químic de sistemes gasosos homogenis. Equilibri químic en dissolucions d’electròlits i en dissolucions de no electròlits. Aplicació als equilibris iònics. Regla de les fases en sistemes reaccionants. Equilibri en sistemes amb reaccions múltiples

1.4. Equilibri electroquímic

Condició d’equilibri electroquímic. Potencial electroquímic. Piles i elèctrodes reversibles. Equació de Nernst. Potencials d’elèctrode. Aplicacions a les mesures de la FEM d’una pila

2. Termodinàmica tècnica

2.1. Tema preliminar I: anàlisi energètica de sistemes (treball parcialment tutelat)

Primer principi generalitzat. Ampliació a l’estudi de volums de control

2.2. Tema preliminar II: anàlisi exergètica de sistemes (treball parcialment tutelat)

Aplicació del segon principi a l’aprofitament de recursos energètics

2.3. Introducció als cicles generadors de potència

Consideracions bàsiques. Processos termodinàmics. Metodologia d’anàlisi

2.4. Cicles de gas generadors de potència

Cicles de motors de combustió externa: Stirling, Ericson. Cicle Brayton. Modificacions del cicle Brayton: reescalfament, interrefrigeració i regeneració de calor. Cicles de motors de combustió interna: motors alternatius. Anàlisi exergètica

2.5. Cicles de vapor generadors de potència

Cicle de Rankine bàsic. Modificacions del cicle de Rankine: reescalfament i regeneració de calor. Cogeneració. Cicles de vapor binaris. Cicles combinats gas-vapor. Anàlisi exergètica

2.6. Cicles de refrigeració

Refrigeradors i bombes de calor. Cicles de refrigeració per compressió de vapor. Sistemes de refrigeració en cascada. Sistemes de refrigeració amb absorció de refrigerant. Cicles de refrigeració de gas (treball tutelat). Aplicacions: liqüefacció (treball tutelat)

2.7. Cicles de conversió directa d’energia (treball tutoritzat)

Descripció i classificació. Dispositius termoelèctrics. Piles de combustió. Cèl·lules fotovoltaiques

 

 

Metodologia i activitats formatives

 

L’aprenentatge d’aquesta assignatura comporta un esforç important per part dels alumnes i una metodologia docent apropiada als continguts, la qual es basa fonamentalment en la presència de l’alumne a classe.

El grau de presencialitat de les activitats docents i avaluatives es pot veure modificat en funció de les restriccions derivades de la crisi sanitària. Qualsevol modificació serà oportunament informada a l’alumnat a través dels canals habituals. Les classes poden ser eventualment retransmeses online en el cas que l’aforament no permeti la presència de tots els estudiants i l’aula disposi dels mecanismes tècnics. També, en cas que l’aforament no permeti la presència de tots els estudiants a l’aula es poden plantejar activitats formatives online i síncrones que consistiran en la distribució/presentació de determinats continguts teòrics combinades amb sessions presencials de desenvolupament/aplicació/problemes/exercicis/seminaris en grups reduïts i a l’aula assignada.

L’assignatura consta de dos blocs clarament diferenciats (Bloc I: Equilibris; Bloc II: Termodinàmica tècnica), la qual cosa permet que puguin ser impartits simultàniament, dedicant 2 h/setmana a cada bloc.

Les classes tenen com a objectiu presentar, desenvolupar i reflexionar sobre els continguts proposats en cadascun dels temes de l’assignatura. Les classes que ho requereixen es complementen amb la resolució de problemes per aclarir, aprofundir i discutir els conceptes més rellevants que s’estiguin introduint en el desenvolupament dels continguts de l’assignatura.

Les característiques de l’assignatura permeten fomentar la participació dels estudiants tant en les discussions de casos pràctics com també en l’exposició dels continguts teoricopràctics, sempre que la dinàmica del curs ho permeti.

En l’espai de l’assignatura en la plataforma del Campus Virtual es trobarà el material de suport necessari per seguir el curs.

En la mesura del que sigui possible, s’incorporarà la perspectiva de gènere en el desenvolupament i activitats de l’assignatura.

 

 

Avaluació acreditativa dels aprenentatges

 

— La nota final de l’alumne es calcula a partir dels resultats d’un conjunt de proves específiques basades en els apartats següents:

a) Dues provas escritas a mitjan semestre que representen cadascuna el 17.5 % de la qualificació global (alternativament, es podria fer una sola prova de 35 %).

b) Una prova escrita a final de semestre que representa el 50% de la qualificació global. 

c) Un qüestionari d’equilibri químic i motors de combustió interna que representa un 15% de la qualificació global.

— Per poder qualificar l’assignatura és obligatori presentar-se a les proves escrites a, b i c.

— Aquestes proves poden constar de preguntes curtes, temes, preguntes amb exercicis relacionats i problemes. La puntuació de cada qüestió, pregunta o problema s’indica a l’enunciat de l’examen.

Reavaluació

Segons l’acord del Consell d’Estudis, per presentar-se a la reavaluació cal que el resultat de l’avaluació continuada sigui com a mínim de 3,5. Aquesta prova té caràcter d’avaluació única (prova escrita que inclou tot el programa de l’assignatura) i té lloc en les dates que estableix el Consell d’Estudis. L’estudiant que, havent superat l’assignatura, vulgui millorar la seva nota a la reavaluació, ha de renunciar a la qualificació mitjançant un escrit presentat al professor amb còpia a la Secretaria del centre.

 

Avaluació única

L’alumnat que ho sol·liciti serà avaluat amb una sola prova global que suposa el 100 % de la qualificació total. Per renunciar a l’avaluació contínua i demanar l’avaluació única cal que l’estudiant presenti a professor la instància que hi ha a l’efecte a la web de la facultat abans de presentar-se la primera prova escrita. Si no s’expressa aquesta renúncia en un document firmat, es considera per defecte que s’opta per l’avaluació continuada.


Reavaluació

Segons l’acord del Consell d’Estudis, per presentar-se a la reavaluació cal que el resultat de l’avaluació continuada sigui com a mínim de 3,5. Aquesta prova té caràcter d’avaluació única (prova escrita que inclou tot el programa de l’assignatura) i té lloc en les dates que estableix el Consell d’Estudis. L’estudiant que, havent superat l’assignatura, vulgui millorar la nota a la reavaluació, ha de renunciar a la qualificació mitjançant un escrit presentat al professor amb còpia a la Secretaria del centre.

 

 

Fonts d'informació bàsica

Consulteu la disponibilitat a CERCABIB

Llibre

Albalat Piñol, Rosa. Termodinàmica aplicada. Barcelona : Edicions UB, 2000. (Manual ; 38)  Enllaç

  Font bibliogràfica bàsica. Llibre recomanat per ampliar coneixements corresponents al bloc de termodinàmica tècnica de l’assignatura.

Atkins, P. W. ;  De Paula, Julio. Elements of physical chemistry. 5th ed. Oxford : Oxford University Press, 2009  Enllaç

  Font bibliogràfica complementària. Llibre de lectura recomanat per ampliar coneixements corresponents al bloc 1 de l’assignatura.

Claret Bonet, Josep ; Muller Jevenois, Carlos ; Reigada Sanz, Ramon. Química Física I. Aplicació de la Termodinàmica a sistemes d’interès químic. 2a ed. rev. i actualitzada. Barcelona : Universitat de Barcelona, DL 2013 (Textos docents ; 367)  Enllaç

  Font bibliogràfica bàsica. Llibre recomanat per ampliar coneixements corresponents al bloc 1 del programa.

Edició de 2011  Enllaç

Moran, Michael J. ; Shapiro, H. N. Fundamentos de termodinámica técnica. 2a ed. Barcelona : Reverté, cop. 2004  Enllaç

  Font bibliogràfica complementària. Llibre de lectura recomanat per ampliar coneixements corresponents al bloc 2 de l’assignatura.


Edició anterior  Enllaç

Albalat Piñol, Rosa. Termodinàmica aplicada. Barcelona: Edicions UB, 2020. (Metodologia ; 23). ISBN: 978-84-9168-568-5

  Font bibliogràfica bàsica. Llibre recomanat per ampliar coneixements corresponents al bloc de termodinàmica tècnica de l’assignatura.

https://cercabib.ub.edu/iii/encore/record/C__Rb2688029__Srosa%20albalat__Orightresult__U__X4?lang=cat&suite=def  Enllaç