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Espino Lau Blanca Termodinámica
“Año de la Consolidación Económica y Social del Perú”
UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA
TEMA:
Evaluación de las Propiedades Termodinámicas del Gas de Camisea
CURSO:
Termodinámica
DOCENTE:
Ing. Rosalio Cusi Palomino
ALUMNA:
Espino Lau Blanca Isabel
CICLO:
VI A
FACULTAD:
Ingenieria Quimica
Ica-Perú
2010
Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica/Facultad Ing. Química
Espino Lau Blanca Termodinámica
INDICE
Introducción
Resumen
CAPITULO I: Marco Teórico
1.1Gas natural
1.1.1 Clasificación
1.1.2-Propiedades físicas y químicas
1.2 Propiedades termodinámicas
1.2.1 Energia Interna
1.2.2 Entalpia
1.2.3 Entropia
1.2.4 Energia Libre de Gibbs
CAPITULOII: Calculo de las propiedades termodinámicas
2.1 Calculo de Energia Interna
2.2 Calculo de Entalpia
2.3 Calculo de Entropia
2.4 Calculo de Energia Libre de Gibbs
CAPITULO III: Gas de Camisea
3.1 Antecedentes
3.2 Recorrido y canon
3.3 Negociaciones para su exportación
3.4 Controversia
3.5 Importancia del gas de Camisea
Conclusiones
Bibliografía
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Introducción
El gas natural es un recurso energético y forma parte del conjunto de medios con los que los países del mundo intentan cubrir sus necesidades de energía. La energía es la base de la civilización industrial; sin ella, la vida moderna dejaría de existir. A largo plazo es posible que las prácticas de conservación de energía proporcionen el tiempo suficiente para explorar nuevas posibilidades tecnológicas.
El gas natural se podría decir que es uno de las fuentes de energía mas importantes de hoy en dia y que deberíamos darle la explotación y el uso adecuado para nuestro bienestar ya que es de gran relevancia en nuestras vidas.
Se denomina combustible gaseoso a cualquier mezcla gaseosa empleada como combustible para proporcionar energía en usos domésticos e industriales. Además de sus componentes combustibles la mayoría de estos gases contienen cantidades variables de nitrógeno y agua.
Resumen
En el presente trabajo se desarrollo el estudio general sobre el gas natural y el gas de Camisea.
En el primer capítulo se desarrollo la definición, clasificación, propiedades físicas y químicas y se a ahondado en las propiedades termodinámicas, los modelos matemáticos y desarrollos de estas.
En el capitulo dos se desarrollaron los cálculos respectivos sobre las propiedades termodinámicas y su aplicación a lo datos sobre el gas de Camisea.
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CAPITULO I
Marco teórico
1.1 GAS NATURAL:
El gas natural es una fuente de energía no renovable formada por una mezcla de gases ligeros que se encuentra frecuentemente en yacimientos de petróleo, disuelto o asociado con el petróleo o en depósitos de carbón. Aunque su composición varía en función del yacimiento del que se extrae, está compuesto principalmente por metano en cantidades que comúnmente pueden superar el 90 ó 95% (p. ej., el gas no-asociado del pozo West Sole en el Mar del Norte), y suele contener otros gases como nitrógeno, CO2, H2S, helio y mercaptanos. Como ejemplo de contaminantes cabe mencionar el gas no-asociado de Kapuni (NZ) que contiene hasta 49% de CO2. Como fuentes adicionales de este recurso natural, se están investigando los yacimientos de hidratos de metano que, según estimaciones, pueden suponer una reserva energética muy superiores a las actuales de gas natural.
Puede obtenerse también con procesos de descomposición de restos orgánicos (basuras, vegetales - gas de pantanos) en las plantas de tratamiento de estos restos (depuradoras de aguas residuales urbanas, plantas de procesado de basuras, de alpechines, etc.). El gas obtenido así se llama biogás.
Algunos de los gases que forman parte del gas natural extraído se separan de la mezcla porque no tienen capacidad energética (nitrógeno o CO2) o porque pueden depositarse en las tuberías usadas para su distribución debido a su alto punto de ebullición. Si el gas fuese criogénicamente licuado para su almacenamiento, el dióxido de carbono (CO2) solidificaría interfiriendo con el proceso criogénico. El CO2 puede ser determinado por los procedimientos ASTM D 1137 o ASTM D 1945. El propano, butano e hidrocarburos más pesados en comparación con el gas natural son extraídos, puesto que su presencia puede causar accidentes durante la combustión del gas natural. El vapor de agua también se elimina por estos motivos y porque a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente y presiones altas forma hidratos de metano que pueden obstruir los gasoductos. Los compuestos de azufre son eliminados hasta niveles muy bajos para evitar corrosión y olores perniciosos, así como para reducir las emisiones de compuestos causantes de lluvia ácida. La detección y la medición de H2S se puede realizar con los métodos ASTM D2385 o ASTM D 2725. Para uso doméstico, al igual que al butano, se le añaden trazas de compuestos de la familia de los mercaptanos entre ellos el metil-mercaptano, para que sea fácil detectar una fuga de gas y evitar su ignición espontánea.
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Generación de CO2:
El gas natural produce mucho menos CO2 que otros combustibles como los derivados del petróleo, y sobre todo el carbón. Además es un combustible que se quema más limpia y eficazmente.
La razón por la cual produce poco CO2 es que el principal componente, metano, contiene cuatro átomos de hidrógeno y uno de carbono, produciendo 2 moléculas de agua por cada una de CO2, mientras que los hidrocarburos de cadena larga (líquidos) producen sólo 1 molécula de agua por cada 1 de CO2 (recordemos que el calor de formación del agua es muy alto).
Como ventaja añadida es un combustible más versátil, que puede utilizar en sistemas de generación más eficientes como el ciclo combinado o la pila de combustible y su obtención es más sencilla en comparación con otros combustibles. Sin embargo, su contenido energético por unidad de volumen es bajo en comparación con otros combustibles.
El 87% de todas las formas de energía que usamos corresponde a hidrocarburos. El carbón, junto al petróleo genera 64%, el gas genera el 23% (equivalente a unos 50 millones de barriles de petróleo al día). Un 12% es generado con hidroeléctricas y plantas nucleares. Todas las demás formas de energía --eólica, solar, geotérmica, etc.-- representan solo el 1%. El gas natural es un hidrocarburo fósil atrapado bajo la tierra en depósitos que alcanzan enormes dimensiones. Como todo hidrocarburo, el gas natural, compuesto de carbono e hidrógeno, es un combustible con alto contenido de energía.
Generación de energía:
El gas natural puede ser empleado para producir hidrógeno que se puede utilizar en los vehículos de hidrógeno.
1 Nm3 (Normal metro cúbico,metro cúbico en condiciones normales, 20 °C de temperatura y 1 atmósfera de presión) de gas natural produce aproximadamente 10,4 kWh. 1000centimetros k
Impacto ambiental
-El CO2 y los otros más hidrocarburos; etano, propano, butano.. expulsado a la atmósfera por el gas producen una reacción solar menos energética. Esto, pues produce que la tierra se vea afectada por un incremento de 0,2-0,5 °C cada década ya que los rayos del sol inciden en la atmósfera pero una parte de ellos no sale y se refleja a la tierra.
Características:
El gas natural extraído de los yacimientos, es un producto incoloro e inodoro, no tóxico y más ligero que el aire. Procede de la descomposición de los sedimentos de materia orgánica atrapada entre estratos rocosos y es una mezcla de hidrocarburos ligeros en la que el metano (CH4) se encuentra en grandes proporciones, acompañado de otros hidrocarburos y gases cuya concentración depende de la localización del yacimiento.El gas natural es una energía eficaz, rentable y limpia, y por sus precios competitivos y su eficiencia como combustible, permite alcanzar considerables economías a sus utilizadores. Por ser el combustible más limpio de origen fósil, contribuye decisivamente en la lucha contra la contaminación atmosférica, y es una alternativa energética que destacará en el siglo XXI por su creciente participación en los mercados mundiales de la energía.La explotación a gran escala de esta fuente energética natural cobró especial relevancia tras los importantes hallazgos registrados en distintos lugares del mundo a partir de los años cincuenta. Gracias a los avances tecnológicos desarrollados, sus procesos de producción, transporte, distribución y utilización no presentan riesgos ni causan impacto ambiental apreciable.La distribución no homogénea de reservas petroleras, condiciona el crecimiento económico de un país, a
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la dependencia de este recurso."Ningún país del mundo que aliente expectativas de crecimiento de su economía, que cuente con reservas de gas natural y que especialmente no sea un país petrolero, no puede dejar de lado el uso intensivo del "GNC" como combustible alternativo".En corto tiempo, las estrictas normas de emisiones desarrolladas por las autoridades de control, serán aplicadas más severamente aun en los países en desarrollo.Las emisiones propias de naftas y gasoil, existen limitadas en los motores a "GNC", lo que permitirá progresar en el desarrollo de los mismos.En el mediano plazo, el énfasis se dará sobre vehículos y motores específicamente diseñados para usar "GNC". Esto permitirá el uso de motores de alta compresión, aprovechando el mayor índice de octano de este combustible que supera en un 30% a la nafta de mayor calidad, con lo que se logrará mayor potencia que el correspondiente vehículo naftero.
Estos motores son y serán prácticamente inofensivos para nuestro medio ambiente, reducen las emisiones de los gases responsables del llamado efecto invernadero hasta un 40%.
Componentes del gas natural:
Componente % Componente %
Metano 95,0812 i-pentano 0,0152
Etano 2,1384 Benceno 0,0050
Propano 0,2886 Ciclohexano 0,0050
n-butano 0,0842 Nitrógeno 1,9396
i-butano 0,0326 CO2 0,3854
n-pentano 0,0124 Otros 0,0124
Metano : sustancia no polar que se presenta en forma de gas a temperaturas y presiones ordinarias. Es incoloro e inodoro y apenas soluble en agua en su fase líquida.
En la naturaleza se produce como producto final de la putrefacción anaeróbica de las plantas. Este proceso natural se puede aprovechar para producir biogás. Muchos microorganismos anaeróbicos lo generan utilizando el CO2 como aceptor final de electrones.
Constituye hasta el 97% del gas natural. En las minas de carbón se le llama grisú y es muy peligroso ya que es fácilmente inflamable y explosivo.
Etano: Gas incoloro e inflamable, hidrocarburo de fórmula C2H6, el segundo miembro de la serie de los alcanos.
Eteno o Etileno : El eteno es un hidrocarburo de fórmula C2H4, el miembro más simple de la clase de compuestos orgánicos llamados alquenos. Es un gas incoloro, con un olor ligeramente dulce, arde con una llama brillante, es ligeramente soluble en agua.
Propano : El tercer hidrocarburo de la serie de los alcanos, de fórmula C3H8. Gas incoloro e inodoro. Se encuentra en el petróleo en crudo, en el gas natural y como producto derivado del refinado del petróleo. El propano no reacciona vigorosamente a temperatura ambiente, pero, a temperaturas más altas, arde en contacto con el aire.
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Butano : Cualquiera de los dos hidrocarburos saturados o alcanos, de fórmula química C4H10, en ambos compuestos, los átomos de carbono se encuentran unidos formando una cadena abierta. En el n-butano (normal), la cadena es continua y sin ramificaciones, mientras que en el i-butano (iso), o metilpropano , uno de los átomos de carbono forma una ramificación lateral. Esta diferencia de estructura es la causa de las distintas propiedades que presentan. El n-butano y el i-butano están presentes en el gas natural, en el petróleo y en los gases de las refinerías. Poseen una baja reactividad química a temperatura normal, pero arden con facilidad al quemarse en el aire o con oxígeno.
Pentano : Quinto miembro de los alcanos alcanos, de fórmula química C5H12, se presenta con dos configuraciones el n-pentano y el i-pentano.
Benceno : Líquido incoloro de olor característico y sabor a quemado, de fórmula C6H6, en estado puro arde con una llama humeante debido a su alto contenido de carbono. Sus vapores son explosivos, y el líquido es violentamente inflamable.
Yacimientos de gas:
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1.1.1-CLASIFICACION DEL GAS NATURAL:
Gas natural comprimido:
El gas natural comprimido, más conocido por la sigla GNC, es un combustible para uso vehicular que, por ser económico y ambientalmente limpio, []es considerado una alternativa sustentable para la sustitución de combustibles líquidos. En ocasiones se usan indistintamente los términos gas natural comprimido y gas natural vehicular (GNV). Sin embargo, el GNV, además de GNC, también puede ser gas natural licuado (GNL), que también es usado como combustible vehicular, aunque en muchísima menor medida.
Tradicionalmente, se ha asociado el gas natural con el consumo doméstico de calefacción y actualmente el GNC ya está perfectamente disponible y aceptado como combustible de automoción equiparable en sus prestaciones al gasoil y a la gasolina con la diferencia de que el GNC es mucho más eficiente que los carburantes derivados del petróleo
Características:
El GNC es esencialmente gas natural almacenado a altas presiones, habitualmente entre 200 y 250 bar, según la normativa de cada país. Este gas natural es principalmente metano, que al tener un alto índice de hidrógeno por carbono (4) produce menos co2 por unidad de energía entregada, en comparación con otros hidrocarburos más pesados (con más átomos de carbono y un menor ratio H/C).[
]Gas natural licuado:
El gas natural licuado (GNL) es gas natural que ha sido procesado para ser transportado en forma líquida. Es la mejor alternativa para monetizar reservas en sitios apartados, donde no es económico llevar el gas al mercado directamente ya sea por gasoducto o por generación de electricidad. El gas natural es transportado como líquido a presión atmosférica y a -161 °C donde la licuefacción reduce en 600 veces el volumen de gas transportado.
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Razones para licuar el gas natural :
El gas natural se transporta generalmente utilizando gasoductos pero, para grandes distancias, resulta más económico usar buques. Para transportarlo así es necesario licuarlo, dado que a la temperatura ambiente y a la presión atmosférica ocupa un volumen considerable. El proceso de licuefacción reduce el volumen del gas natural 600 veces con respecto a su volumen original. Aproximadamente la mitad de las reservas de hidrocarburos conocidas hoy son yacimientos de gas natural. Con frecuencia se encuentran ubicadas en regiones con poca demanda de gas. Sin embargo, al licuarlo, puede transportarse con total seguridad hasta su mercado de destino utilizando buques, de manera similar al petróleo crudo.
Proceso de licuefacción:
Cuando se extrae el gas natural de los yacimientos subterráneos, a menudo contiene otros materiales y componentes que deben ser eliminados antes de que pueda ser licuado para su uso:
Helio por su valor económico y por los problemas que podría producir durante el licuado; Azufre, corrosivo a equipos, dióxido de carbono que se solidifica en las condiciones de
licuefacción, y mercurio, que puede depositarse en instrumentos y falsificar las mediciones; Agua, que al enfriar el gas se congelaría formando hielo o bien hidratos que provocarían
bloqueos en el equipo si no se eliminaran; Hidrocarburos pesados, llamados condensado, que pueden congelarse al igual que el agua y
producir bloqueos del equipo y problemas en la combustión del gas.
El GNL producido debe ser usado en procesos de combustión y por lo tanto hay que extraer algunos hidrocarburos para controlar su poder calorífico y el índice de Wobbe. Dependiendo del mercado final, la remoción de etano, propano y otros hidrocarburos debe estar controlada mediante una unidad de remoción de líquidos que puede estar integrada en el proceso de licuefacción.
Proceso de enfriamiento:
Para convertir el gas natural en líquido, se enfría el gas tratado hasta aproximadamente -161 °C, que es la temperatura a la cual el metano —su componente principal— se convierte a forma líquida. El proceso de licuefacción es similar al de refrigeración común: se comprimen los gases refrigerantes produciendo líquidos fríos, tales como propano, etano / etileno, metano, nitrógeno o mezclas de ellos, que luego se evaporan a medida que intercambian calor con la corriente de gas natural. De este modo, el gas natural se enfría hasta el punto en que se convierte en líquido. Una vez que el gas ha sido licuado se somete a un proceso de Joule Thompson o expansión con extracción de trabajo para poderlo almacenar a presión atmosférica. El GNL producido se almacena en tanques especiales para ser luego transferido a buques tanques especiales de transporte.
El diseño de estas plantas está gobernado por normas estrictas, en la industria de GNL hay cuatro diseñadores de plantas que se usan industrialmente: proceso con intercambiados de tubos en espiral de Air Products (APCI y APX), la cascada optimizada de Phillips, el triple ciclo refrigerante de Linde y el proceso de caja fría con mezcla refrigerante de Black and Veatch (PRICO).
Todos estos procesos son usados en la industria y competencias de diseño son realizadas para seleccionar el proceso que va a generar el proyecto más rentable a lo largo de toda su vida útil.
Almacenamiento del GNL :
El GNL se almacena a -161 °C y a presión atmosférica en tanques criogénicos especiales para baja temperatura. El típico tanque de GNL tiene doble pared: una pared externa de hormigón armado, recubierto con acero al carbono, y una pared interna de acero niquelado al 9%. La seguridad y la
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resistencia son las consideraciones de diseño primarias al construir estos tanques, los cuales se diseñan para soportar terremotos y fuertes vientos.
Gas natural vehicular:
Se denomina gas natural vehicular (GNV por sus siglas en español o NGV por sus siglas en inglés), al gas natural usado como combustible vehicular. Muchas veces se usa el término gas natural vehicular como sinónimo de gas natural comprimido. Sin embargo, el GNV puede ser también gas natural licuado, que también es usado como combustible vehicular, aunque en muchísima menor medida.
El Gas Natural Vehicular se ha presentado como una oportunidad para el país en términos económicos y ambientales. De acuerdo a proyecciones realizadas por el Ministerio de Minas y Energía, Colombia cuenta con reservas de gas natural para los próximos 20 años. Adicionalmente, la interconexión gasífera con Venezuela permite acceder a las reservas del vecino país que representan por lo menos 150 años de producción de dicho combustible.
En cuanto a las calidades ambientales del Gas Natural Vehicular es claro que las emisiones contaminantes por el uso de este combustible son inferior e incluso nulo comparadas con las de otros combustibles. Es así como por ejemplo el Gas Natural Vehicular reduce las emisiones de gases responsables del efecto invernadero y de buena parte de las enfermedades respiratorias en los grandes centros urbanos.
Gas licuado del petróleo: (GLP)
El gas licuado del petróleo (GLP) es la mezcla de gases condensables presentes en el gas natural o disueltos en el petróleo. Los componentes del GLP, aunque a temperatura y presión ambientales son gases, son fáciles de condensar, de ahí su nombre. En la práctica, se puede decir que los GLP son una mezcla de propano y butano.
El propano y butano están presentes en el petróleo crudo y el gas natural, aunque una parte se obtiene durante el refino de petróleo, sobre todo como subproducto de la destilación fraccionada catalítica (FCC, por sus siglas en inglés Fluid Catalytic Cracking).
El Gas Licuado de Petróleo, es una mezcla de hidrocarburos gaseosos a temperatura y presión ambiental, mantenida en estado líquido por aumento de presión y/o descenso de temperatura, compuesto principalmente por propano, pudiendo contener otros hidrocarburos en proporciones menores que cumple con la Norma venezolana COVENIN 904-90, y con las actualizaciones de la misma .
Usos :
Los usos principales del GLP son los siguientes:
Obtención de olefinas, utilizadas para la producción de numerosos productos, entre ellos, la mayoría de los plásticos.
Combustible para automóviles, una de cuyas variantes es el autogas. Combustible de refinería. Combustible doméstico (mediante garrafas o redes de distribución).
Auto gas:
El autogas es GLP compuesto de butano (C4H10) y propano (C3H8). Su uso como carburante está definido a nivel europeo por la Norma UNE EN 589. En España, el Real Decreto de 1700/2003 de 15 de diciembre, por el que se fijan las especificaciones del autogas, establece que el contenido mínimo de propano ha de ser un 20% y el contenido máximo de butano de un 80%.
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Componentes del gas natural:
Metano 90 a 95%
Etano 5%
Nitrógeno 2%
Propano 1%
Butano 1%
Carbón 1%
1.1.2-PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DEL GAS NATURAL:
Propiedades físicas:
-es un combustible fósil.
-es incoloro e inodoro.
-es menos contaminante a comparación del gas licuado.
-es limpio.
-es beneficioso, tanto para la industria como para el uso doméstico, ya que desempeña papeles importantes como un combustible energético.
-su componente fundamental es el metano (c4).
-es un gas liviano, más ligero que el aire.
-su poder calorífico es el doble del gas manufacturado.
-es un gas seco.
Propiedades químicas:
Inflamabilidad. La Inflamabilidad es la medida de la facilidad que presenta un gas, líquido o sólido para entrar en combustión. La combustión es una reacción de oxidación (exotérmica) de un cuerpo combustible con otro cuerpo oxidante, denominado comburente.Esta transformación viene acompañada de desprendimiento de calor y el fenómeno es perceptible, normalmente, por la presencia de una llama que constituye una fuente de luz y calor. En la mayoría de los casos, el comburente es el oxígeno del aire.
Límites de inflamabilidad. Son aquellos límites de composición de la mezcla de gas-aire entre los cuales la combustión puede iniciarse y propagarse. Se expresa en tanto por ciento de gas combustible en la mezcla. Para el gas natural el límite inferior de inflamabilidad (por debajo del cual la mezcla es pobre en combustible) es del 4,7%. El límite superior de inflamabilidad (por encima del cual la mezcla es pobre en comburente, aire) es del 13,7%.
Poder calorífico. Una de las características importantes de los gases combustibles es su poder calorífico. Esto es, la cantidad de calor desprendida en la combustión completa por unidad de volumen.
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Se habla de poder calorífico superior (PCS) y poder calorífico inferior (PCI):Poder calorífico superior (PCS): Es el calor desprendido por la combustión de una unidad de volumen, condensando el vapor de agua producto de dicha combustión.Poder calorífico inferior (PCI): Es el calor desprendido por la combustión de una unidad de volumen, sin condensación del vapor de agua. En el ámbito gasista las cantidades de calor se expresan en termias, kilovatios/hora, kilojulios o en Btu y el volumen se expresa en metros cúbicos.
Además de las propiedades anteriormente expuestas, otra propiedad destacable del gas natural es su limpieza en la combustión ya que, en una proporción adecuada con el aire, produce una llama de color azul y quema sin desprendimiento de cenizas, negro de humo, óxido de carbono u otros productos.
1.2-PROPIEDADES TERMODINAMICAS:
1.2.1-ENERGIA INTERNA:
En física, la energía interna U de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Más concretamente, es la suma de:
la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de
la energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades.[
La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo.
Si pensamos en constituyentes atómicos o moleculares, será el resultado de la suma de la energía cinética de las moléculas o átomos que constituyen el sistema (de sus energías de traslación, rotación y vibración), y de la energía potencial intermolecular (debida a las fuerzas intermoleculares).
En un gas ideal monoatómico bastará con considerar la energía cinética de traslación de sus moléculas.
En un gas ideal poli atómico, deberemos considerar además la energía vibracional y rotacional de las mismas.
En un líquido o sólido deberemos añadir la energía potencial que representa las interacciones moleculares.
Desde el punto de vista de la termodinámica, en un sistema cerrado (o sea, de paredes impermeables), la variación total de energía interna es igual a la suma de las cantidades de energía comunicadas al sistema en forma de calor y de trabajo ΔU = Q − W. Aunque el calor transmitido depende del proceso en cuestión, la variación de energía interna es independiente del proceso, sólo depende del estado inicial y final, por lo que se dice que es una función de estado. Del mismo modo dU es una diferencial exacta, a
diferencia de , que depende del proceso.
-El enfoque termodinámico: la ecuación fundamental
En termodinámica se deduce la existencia de una ecuación de la forma
conocida como ecuación fundamental en representación energética.
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La importancia de la misma radica en que concentra en una sola ecuación toda la información termodinámica de un sistema. La obtención de resultados concretos a partir de la misma se convierte entonces en un proceso sistemático.
Si calculamos su diferencial:
Se definen sus derivadas parciales:
la temperatura
la presión
el potencial químico .
Como T, P y μ son derivadas parciales de U, serán funciones de las mismas variables que U:
Estas relaciones reciben el nombre de ecuaciones de estado. Por lo general no se dispone de la ecuación fundamental de un sistema. En ese caso su sustitución por el conjunto de todas las ecuaciones de estado proporcionaría una información equivalente, aunque a menudo debamos conformarnos con un subconjunto de las mismas.
.Algunas variaciones de la energía interna
Al aumentar la temperatura de un sistema, sin que varíe nada más, aumenta su energía interna reflejado en el aumento del calor del sistema completo o de la materia estudiada.
Convencionalmente, cuando se produce una variación de la energía interna manifestada en la variación del calor que puede ser cedido, mantenido o absorbido se puede medir este cambio en la energía interna indirectamente por la: variación de la temperatura de la materia;
1.- Sin que se modifique la composición química o cambio de estado de la materia que compone el sistema, se habla de variación de la energía interna sensible y se puede calcular de acuerdo a los siguientes parámetros;
Donde
Q = es la variación de energía o de calor del sistema en un tiempo definido medida en [kcal],
Ce = calor específico de la materia [Kcal / kg · °C].
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m = masa
= temperatura final del sistema - temperatura inicial (en grados Celsius °C).
Ejemplo:
Calcular la energía total de un sistema compuesto de 1 g de agua en condiciones normales, es decir a la altura del mar, una atmósfera de presión y a 14 °C para llevarlo a 15º C, sabiendo que el Ce del agua es = 1 [cal / g · °C].
Aplicando la fórmula y reemplazando los valores, tenemos;
Q = 1 [cal / g · °C] · 1 [g] · (15 - 14) [°C] = 1 [cal]
2.- Si se produce alteración de la estructura atómica-molecular, como es el caso de las reacciones químicas o cambio de estado, se habla de variación de la energía interna química o variación de la energía interna latente.
3.- Finalmente, en las reacciones de fisión y fusión se habla de energía interna nuclear.
Energía cinética media de un gas
K = Constante de Boltzmann = 1,38·10-23 J/K
=Velocidad media de la molécula
1.2.2 ENTALPIA:
Entalpía (del prefijo en y del griego "enthalpos" (ενθαλπος) calentar) es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, o sea, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. En la historia de la termodinámica se han utilizado distintos términos para denotar lo que hoy conocemos como entalpía de un sistema. Originalmente se pensó que la palabra "entalpía" fue creada por Émile Clapeyron y Rudolf Clausius a través de la publicación de la relación de Clausius-Clapeyron en The Mollier Steam Tables and Diagrams de 1827, pero el primero que definió y utilizó término "entalpía" fue el holandés Heike Kamerlingh Onnes, a principios del siglo XX.
En palabras más concretas, es una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación isobárica (es decir, a presión constante) en un sistema termodinámico (teniendo en cuenta que todo objeto conocido puede ser entendido como un sistema termodinámico), transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la utilizada para un trabajo mecánico). En este sentido la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión.
Usualmente la entalpía se mide, dentro del Sistema Internacional de Unidades, en julios. El caso más típico de entalpía es la llamada entalpía termodinámica. De ésta, cabe distinguir la función de Gibbs, que se corresponde con la entalpía libre, mientras que la entalpía molar es aquella que representa un mol de la sustancia constituyente del sistema.
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Entalpía termodinámica:
La entalpía (simbolizada generalmente como "H", también llamada contenido de calor, y calculada en julios en el sistema internacional de unidades o también en Kcal o, si no, dentro del sistema anglo: "BTU"), es una variable de estado, (lo que quiere decir que, sólo depende de los estados inicial y final) que se define como la suma de la energía interna de un sistema termodinámico y el producto de su volumen y su presión.
La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente, al igual que la energía interna, en cambio, la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida experimentalmente. El cambio de la entalpía del sistema causado por un proceso llevado a cabo a presión constante, es igual al calor absorbido por el sistema durante dicho proceso.
La entalpía (H) es la suma de la energía interna (U), energía que posee una sustancia debida al movimiento y posición de sus partículas a nivel atómico, y la energía mecánica asociada a la presión (p).
Donde:
H es la entalpía (en julios). U es la energía interna (en julios). p es la presión del sistema (en pascales). V es el volumen del sistema (en metros cúbicos).
Ejemplo:
Debemos considerar que los procesos de transferencia térmica en un sistema, deben estar contenidos en un ambiente, como por ejemplo: el circuito cerrado de un fluido dentro de las cañerías de un sistema de refrigeración como los de los frigoríficos y el ambiente donde se acondiciona la temperatura que debe estar aislado del medio exterior.
Dentro del sistema el fluido pasa por diferentes estados físicos tomando como referencia la salida de alta presión del compresor tenemos;
A.- A un fluido refrigerante el compresor le adiciona energía comprimiéndolo a alta presión en estado gaseoso, las variables son: estado del fluido = Gaseoso, Presión del fluido = Alta, Volumen del fluido = grande, Densidad del fluido = baja, Temperatura = Alta.
B.- En un medio que permite la transferencia térmica llamado condensador, el fluido realiza un trabajo cediendo energía calórica al medio ambiente, es decir se enfría y cambia de estado gaseoso al estado líquido, las variables son: estado del fluido = gaseoso a la entrada del intercambiador de calor y líquido a la salida del intercambiador de calor; presión del fluido = muy alta; volumen del fluido líquido = mínimo, densidad del fluido = grande o máximo. El fluido líquido se junta en un depósito.
C.- Con un medio de control adecuado llamado elemento de expansión se regula el caudal del fluido líquido.
D.- Nuevamente el fluido en estado líquido se inyecta en un medio que permite la transferencia térmica llamado evaporador, realizando ahora un trabajo inverso es decir el líquido proveniente del depósito y a presión alta es regulado por la válvula de expansión por diferencia de presiones, disminuyendo bruscamente de presión lo que origina que se expanda, esto precipita su evaporación para lo que requiere extraer calor del entorno (por lo que decimos que se está enfriando ya que se siente helado al tacto, pues nos "roba calor",calor que utiliza para cambiar de estado líquido a gaseoso) (ver adiabática),
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los productos que están en el compartimiento del evaporador realizan un trabajo cediendo ese calor, este calor calienta el evaporador y el fluido refrigerante por ende absorbe calor expandiéndose (y evaporándose) más, las variables son: estado del fluido = líquido a la entrada del intercambiador de calor o evaporador y gaseoso a la salida del intercambiador de calor. Presión del fluido = mínima o muy baja. Volumen del fluido gasificado = Máximo. Densidad del fluido = Mínimo. Temperatura del fluido refrigerador muy baja.
Después de esta etapa se vuelve otra vez al ciclo iniciado en el punto A repitiendo (en teoría) infinitamente el ciclo completo.
Debemos observar que en este sistema hay 4 importantes elementos que combinados adecuadamente hacen posible la refrigeración mecánica, hoy indispensable en la vida del hombre moderno.
1.- El primer elemento es el compresor que suministra potencia o adiciona energía mecánica externa al sistema al comprimir el fluido gaseoso interno, de tal manera que la presión (y como consecuencia la temperatura) del mismo aumentan.
2.- El segundo elemento es el medio difusor de energía calorífica, llamado intercambiador de calor que permite liberar el calor del fluido desde este al entorno próximo (medio ambiente que lo rodea, flujo de agua, etc.)a través de las paredes de los tubos y aletas del condensador . De esta forma el fluido refrigerante a alta presión en el interior del condensador por efecto del enfriamiento del mismo cambia de estado gaseoso a fase líquido sin disminuir (idealmente) su presión. El refrigerante ahora más frío, líquido y a alta presión (10 kg/cm² - 15 kg/cm²) es incompresible por lo tanto se debe recolectar en un tubo o depósito, como ejemplo; los tubos de gas butano licuado (gas que se usa en las cocinas domésticas).
3.- El fluido guardado en el depósito en estado líquido es transferido al tercer elemento del sistema llamado la válvula de expansión (válvula de temperatura estable) que regulará el caudal o flujo másico del líquido refrigerante entregándolo al cuarto elemento del sistema, un nuevo intercambiador de calor que ahora funcionará inversamente, por lo que su nombre varía al de evaporador (ya que el refrigerante se evapora en su interior), es decir captará el calor del aire del medio ambiente o entorno que lo rodea a través de sus paredes hacia el refrigerante. Es por esto que al ir recorriendo el interior de los tubos del evaporador el fluido se va calentando, con lo que las moléculas del refrigerante en estado líquido al incrementar su energía interna aumentan su frecuencia vibratoria (La cantidad de calor de un cuerpo a nivel molecular se manifiesta como mayor o menor vibración, en donde la inamovilidad atómica y molecular representa ausencia total de calor, 0 kelvin o cero absoluto) llegando a un punto que es tan grande la velocidad de estas que se escapan cambiando de estado de líquido a gaseoso (para más detalles sobre este punto véase adiabática).
Este ciclo en teoría se repite infinitamente, como se podrá observar el funcionamiento de este ingenio llamado máquina de refrigeración se puede extractar en dos pasos;
A.- Etapa de alta presión que estará compuesta por el compresor, condensador y depósito acumulador.
B.- Etapa de baja presión compuesta por el elemento de expansión y el evaporador.
El modo de funcionamiento sería de la siguiente forma;
En un ambiente acondicionado por su hermeticidad las cosas guardadas en esta cámara (freezer, congelador, cámara frigorífica, etc.) ceden energía (bajando su temperatura) a través de un intercambiador de calor llamado evaporador, hacia el fluido refrigerante, propiciando su cambio de estado de líquido a gas (líquido hirviendo), el que a su vez de acuerdo a la disposición del circuito cede energía (bajando la temperatura del fluido) al medio ambiente exterior (el aire que nos rodea) a través de otro intercambiador de calor llamado condensador.
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El anterior es solo un ejemplo para poder comprender el concepto de entalpía, tal ejemplo se observa comúnmente en los refrigeradores o en los aparatos de aire acondicionado; existen múltiples formas de aplicación práctica al uso cotidiano de la entalpía como por ejemplo el concepto de absorción.
Sin importar si la presión externa es constante, la variación infinitesimal de la entalpía obedece a:
dH = T dS + V dP
dP = 0 y por lo tanto dH = TdS
(S es la entropía) siempre y cuando el único trabajo realizado sea a través de un cambio de volumen. La entalpía es la cantidad de calor, a presión constante, que transfiere una sustancia.
Puesto que la expresión T dS siempre representa una transferencia de calor, tiene sentido tratar la entalpía como una medida del calor total del sistema, siempre y cuando la presión se mantenga constante; esto explica el término contenido de calor.
Entalpía química:
Para una reacción exotérmica a presión constante, la variación de entalpía del sistema es igual a la energía liberada en la reacción, incluyendo la energía conservada por el sistema y la que se pierde a través de la expansión contra el entorno.(Es decir que cuando la reacción es exotérmica la variación de entalpía del sistema es negativa). Análogamente, para una reacción endotérmica, la variación de entalpía del sistema es igual a la energía absorbida durante la reacción, incluyendo la energía perdida por el sistema y la ganada a través de la expansión contra el entorno.(En las reacciones endotérmicas el cambio de entalpía es positivo para el sistema, porque gana calor)
La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente; la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida en cambio.
La variación de entalpía se define mediante la siguiente ecuación:
ΔH es la variación de entalpía. Hfinal es la entalpía final del sistema. En una reacción química, Hfinal es la entalpía de los
productos. Hinicial es la entalpía inicial del sistema. En una reacción química, Hinicial es la entalpía de los
reactivos.
La mayor utilidad de la entalpía se obtiene para analizar reacciones que incrementan el volumen del sistema cuando la presión se mantiene constante por contacto con el entorno, provocando que se realice un trabajo mecánico sobre el entorno y una pérdida de energía. E inversamente en reacciones que causan una reducción en el volumen debido a que el entorno realiza un trabajo sobre el sistema y se produce un incremento en la energía interna del sistema.
La entalpía de reacción es la energía asociada a una reacción, y viene dada por la suma de las entalpías de formación de productos menos la de reactivos según sus coeficientes estequiométricos (n), siendo las entalpías de formación de los elementos en su estado natural iguales a cero.
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Entalpía estándar o normal :
La variación de la entalpía estándar (denotada como H0 o HO) es la variación de entalpía que ocurre en un sistema cuando una unidad equivalente de materia se transforma mediante una reacción química bajo condiciones normales. Sus unidades son los kJ/mol en el sistema internacional.
Una variación de la entalpía estándar de una reacción común es la variación de la entalpía estándar de formación, que ha sido determinada para una gran cantidad de sustancias. La variación de entalpía de cualquier reacción bajo cualesquiera condiciones se puede computar, obteniéndose la variación de entalpía de formación de todos los reactivos y productos. Otras reacciones con variaciones de entalpía estándar son la combustión (variación de la entalpía estándar de combustión) y la neutralización (variación de la entalpía estándar de neutralización).
1.2.3 ENTROPIA:
La entropía describe lo irreversible de los sistemas termodinámicos. En termodinámica, la entropía (simbolizada como S) es la magnitud física que mide la parte de la energía que no puede utilizarse para producir trabajo. Es una función de estado de carácter extensivo y su valor, en un sistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se dé de forma natural. La palabra entropía procede del griego (ἐντροπία) y significa evolución o transformación. Fue Rudolf Clausius quien le dio nombre y la desarrolló durante la década de 1850.
[Evidencias :
Cuando se plantea la pregunta: ¿por qué ocurren los sucesos de la manera que ocurren, y no al revés? se busca una respuesta que indique cuál es el sentido de los sucesos en la naturaleza. Por ejemplo, si se ponen en contacto dos trozos de metal con distinta temperatura, se anticipa que finalmente el trozo caliente se enfriará, y el trozo frío se calentará, finalizando en equilibrio térmico. Sin embargo, el proceso inverso, el trozo caliente calentándose y el trozo frío enfriándose, es muy improbable a pesar de conservar la energía. El universo tiende a distribuir la energía uniformemente; es decir, a maximizar la entropía.
La función termodinámica entropía es central para la segunda Ley de la Termodinámica. La entropía puede interpretarse como una medida de la distribución aleatoria de un sistema. Se dice que un sistema altamente distribuido al azar tiene alta entropía. Puesto que un sistema en una condición improbable tendrá una tendencia natural a reorganizarse a una condición más probable (similar a una distribución al azar), esta reorganización resultará en un aumento de la entropía. La entropía alcanzará un máximo cuando el sistema se acerque al equilibrio, alcanzándose la configuración de mayor probabilidad.
La entropía, coloquialmente, puede considerarse como el desorden de un sistema, es decir, cuán homogéneo está el sistema. Un ejemplo doméstico, sería el de lanzar un vaso de cristal al suelo, este tenderá a romperse y esparcirse mientras que jamás conseguiremos que lanzando trozos de cristal se forme un vaso.
Otro ejemplo domestico: Tenemos dos envases de un litro de capacidad que contienen, respectivamente, pintura blanca y pintura negra. Con una cucharita, tomamos pintura blanca, la vertemos en el recipiente de pintura negra y mezclamos. Luego tomamos con la misma cucharita pintura negra, la vertemos en el recipiente de pintura blanca y mezclamos. Repetimos el proceso hasta que tenemos dos litros de pintura gris, que no podremos reconvertir en un litro de pintura blanca y otro de pintura negra. La entropía del conjunto ha ido en aumento hasta llegar a un máximo cuando los colores de ambos recipientes son sensiblemente iguales (sistema homogéneo).
La variación de entropía nos muestra la variación del orden molecular ocurrido en una reacción química. Si el incremento de entropía es positivo, los productos presentan un mayor desorden molecular (mayor entropía) que los reactivos. En cambio, cuando el incremento es negativo, los productos son más
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ordenados. Hay una relación entre la entropía y la espontaneidad de una reacción química, que viene dada por la energía de Gibbs.
Ecuaciones:
Esta idea de desorden termodinámico fue plasmada mediante una función ideada por Rudolf Clausius a
partir de un proceso cíclico reversible. En todo proceso reversible la integral curvilínea de sólo depende de los estados inicial y final, con independencia del camino seguido (δQ es la cantidad de calor absorbida en el proceso en cuestión y T es la temperatura absoluta). Por tanto ha de existir una f(x) del estado del sistema, S=f(P,V,T), denominada entropía, cuya variación en un proceso reversible entre los estados 1 y 2 es:
Téngase en cuenta que como el calor no es una función de estado se usa δQ en lugar de dQ.
La entropía física, en su forma clásica, está definida por la ecuación
o más simplemente, cuando no se produce variación de temperatura (proceso isotérmico):
donde S es la entropía, la cantidad de calor intercambiado entre el sistema y el entorno y T la temperatura absoluta en kelvin). Los números 1 y 2 se refieren a los estados iniciales y finales de un sistema termodinámico.
El significado de esta ecuación es el siguiente:
Cuando un sistema termodinámico pasa, en un proceso reversible e isotérmico, del estado 1 al estado 2, el cambio en su entropía es igual a la cantidad de calor intercambiado entre el sistema y el medio dividido por su temperatura absoluta.
De acuerdo con la ecuación, si el calor se transfiere al sistema, también lo hará el grado de entropía. Si la temperatura aumenta, la entropía disminuye. Y viceversa.
Las unidades de la entropía, en el Sistema Internacional, son el J/K (o Clausius) definido como la variación de entropía que experimenta un sistema cuando absorbe el calor de 1 Julio (unidad) a la temperatura de 1 Kelvin.
Cuando el sistema evoluciona irreversiblemente, la ecuación de Clausius se convierte en una inecuación:
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Siendo el sumatorio de las i fuentes de calor de las que recibe o transfiere calor el sistema y la temperatura de las fuentes. No obstante, sumando un término positivo al segundo miembro, podemos transformar de nuevo la expresión en una ecuación:
Al termino σp, siempre positivo, se le denomina producción de entropía y es nulo cuando el proceso es reversible salvo irreversibilidades fruto de transferencias de calor con fuentes externas al sistema. En el caso de darse un proceso reversible y adiabático, según la ecuación, dS=0, es decir, el valor de la Entropía es constante y además constituye un proceso isoentrópico.
Cero absoluto:
Sólo se pueden calcular variaciones de entropía. Para calcular la entropía de un sistema es necesario fijar la entropía del mismo en un estado determinado. La Tercera ley de la termodinámica fija un estado estándar: para sistemas químicamente puros, sin defectos estructurales en la red cristalina, de densidad finita, la entropía es nula en el cero absoluto (0 K).
Esta magnitud permite definir la Segunda ley de la termodinámica, de la cual se deduce que un proceso tiende a darse de forma espontánea en un cierto sentido solamente. Por ejemplo: un vaso de agua no empieza a hervir por un extremo y a congelarse por el otro de forma espontánea, aun cuando siga cumpliéndose la condición de conservación de la energía del sistema (Primera ley de la termodinámica).
Entropía y reversibilidad:
La entropía global del sistema es la entropía del sistema considerado más la entropía de los alrededores. También se puede decir que la variación de entropía del universo, para un proceso dado, es igual a su variación en el sistema más la de los alrededores:
Si se trata de un proceso reversible, ΔS (universo) es cero pues el calor que el sistema absorbe o desprende es igual al trabajo realizado. Pero esto es una situación ideal, ya que para que esto ocurra los procesos han de ser extraordinariamente lentos y esta circunstancia no se da en la naturaleza. Por ejemplo, en la expansión isotérmica (proceso isotérmico) de un gas, considerando el proceso como reversible, todo el calor absorbido del medio se transforma en trabajo y Q=W. Pero en la práctica real el trabajo es menor ya que hay pérdidas por rozamientos, por lo tanto, los procesos son irreversibles.
Para llevar al sistema, de nuevo, a su estado original hay que aplicarle un trabajo mayor que el producido por el gas, dando como resultado una transferencia de calor hacia el entorno, con un aumento de la entropía global.
Como los procesos reales son siempre irreversibles, siempre aumentará la entropía. Así como "la energía no puede crearse ni destruirse", la entropía puede crearse pero no destruirse. Podemos decir entonces que "como el Universo es un sistema aislado, su entropía crece constantemente con el tiempo". Esto marca un sentido a la evolución del mundo físico, que llamamos "Principio de evolución".
Cuando la entropía sea máxima en el universo, esto es, exista un equilibrio entre todas las temperaturas y presiones, llegará la muerte térmica del Universo (enunciado por Clausius).
En el caso de sistemas cuyas dimensiones sean comparables a las dimensiones de las moléculas, la diferencia entre calor y trabajo desaparece, y por tanto, los parámetros termodinámicos como la
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entropía, temperatura, etc. no tienen significado. Esto conduce a la afirmación de que el Segundo Principio de la Termodinámica no es aplicable a tales microsistemas, porque realmente no son sistemas termodinámicos. Se cree que existe también un límite superior de aplicación del segundo principio, de tal modo que no se puede afirmar su cumplimiento en sistemas infinitos como el Universo, lo que pone en controversia la afirmación de Clausius sobre la muerte térmica del Universo.
Relación de la entropía con la teoría de la información:
Recientes estudios han podido establecer una relación entre la entropía física y la entropía de la teoría de la información gracias a la revisión de la física de los agujeros negros. Según la nueva teoría de Jacob D. Bekenstein el bit de información sería equivalente a una superficie de valor 1/4 del área de Planck. De hecho, en presencia de agujeros negros la segunda ley de la termodinámica sólo puede cumplirse si se introduce la entropía generalizada o suma de la entropía convencional (Sconv) más un factor dependiente del área total (A) de agujeros negros existente en el universo, del siguiente modo:
Donde, k es la constante de Boltzmann, c es la velocidad de la luz, G es la constante de la gravitación y es la constante de Planck racionalizada.
Los agujeros negros almacenarían la entropía de los objetos que engulle en la superficie del horizonte de sucesos. Stephen Hawkins ha tenido que ceder ante las evidencias de la nueva teoría y ha propuesto un mecanismo nuevo para la conservación de la entropía en los agujeros negros.
Simplemente, al realizar un trabajo, se ocupa muy poca energía; la entropía se encarga de medir la energía que no es usada y queda reservada en un cuerpo.
Historia de la entropía:
El concepto de entropía desarrollado en respuesta a la observación de que una cierta cantidad de energía liberada de funcionales reacciones de combustión Siempre se pierde a la disipación o la fricción y por lo tanto no se transforma en trabajo útil. Los primeros motores de calor como Thomas Savery (1698), el Newcomen motor (1712) y el Cugnot de vapor de tres ruedas (1769) eran ineficientes, la conversión de menos de dos por ciento de la energía de entrada en producción de trabajo útil; una gran cantidad de energía útil se disipa o se pierde en lo que parecía un estado de aleatoriedad inconmensurable. Durante los próximos dos siglos, los físicos investigado este enigma de la energía perdida, el resultado fue el concepto de entropía.
En la década de 1850, Rudolf Clausius establecido el concepto de la sistema termodinámico y postula la tesis de que en cualquier proceso irreversible una pequeña cantidad de energía térmica δQ se disipa gradualmente a través de la frontera del sistema. Clausius siguió desarrollando sus ideas de la energía perdida, y acuñó el término "entropía". Durante el próximo medio siglo se llevó a cabo un mayor desarrollo, y más recientemente el concepto de entropía ha encontrado aplicación en el campo análogo de pérdida de datos en los sistemas de transmisión de información.
][]1.2.4 ENERGIA LIBRE DE GIBBS:
En termodinámica, la energía libre de Gibbs (o energía libre) es un potencial termodinámico, es decir, una función de estado extensiva con unidades de energía, que da la condición de equilibrio y de espontaneidad para una reacción química (a presión y temperatura constantes).
La segunda ley de la termodinámica postula que una reacción química espontánea hace que la entropía del universo aumente, ΔSuniverso > 0, así mismo ΔSuniverso está en función de ΔSsistema y ΔSalrededores. Por lo
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general sólo importa lo que ocurre en el sistema en estudio y; por otro lado el cálculo de ΔSalrededores puede ser complicado.
Por esta razón fue necesario otra función termodinámica, la energía libre de Gibbs, que sirva para calcular si una reacción ocurre de forma espontánea tomando en cuenta solo las variables del sistema.
Cálculo de la energía libre de Gibbs
Los cambios en la energía libre:
Contenido de calor; T es la temperatura y S es la entropía del sistema. Fue desarrollada en los años 1870 por el físico-matemático estadounidense Williard Gibbs.
Cambios de energía libre estándar :
La energía libre de reacción, se denota, , es el cambio de energía en una reacción a condiciones estándares. En esta reacción los reactivos en su estado estándar se convierten en productos en su estado estándar. Dada la siguiente reacción química:
La energía libre se calcula como
Donde A y B son los reactivos en estado estándar y; C y D son los productos en su estado estándar. Además a, b, c y d son sus respectivos coeficientes estequiométricos.
En general:
Donde m y n son los coeficientes estequiométricos.
Así como en en el cálculo de la entalpía, en la energía libre estándar de formación para cualquier elemento en su forma estable (1 atm y 25ºC) es 0
La variación de energía libre de Gibbs para un proceso a temperatura constante viene dada por:
La temperatura puede ser un factor determinante a la hora de hacer que un proceso sea espontaneo o no lo sea.
Significado de
La condición de equilibrio es La condición de espontaneidad es El proceso no es espontáneo cuando:
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(Esta última condición nos dice que la reacción no se producirá).
La energía de Gibbs molar parcial, es lo que se conoce con el nombre de potencial químico, que es lo que se maneja en cálculos termodinámicos en equilibrio, ya que el equilibrio químico entre dos sistemas implica la igualdad de potenciales químicos y su uso facilita los cálculos.
Demostración matemática :
Partimos de:
Como:
Reemplazando:
Multiplicando por T:
Es decir:
Unidades:
Al ser una magnitud extensiva, es decir, que depende de la cantidad de sistema, normalmente se va a referir en unidades de energía por unidad de cantidad de materia. En el Sistema Internacional de Unidades se utiliza el kJ/mol.
CAPITULO II
CALCULO DE LAS PROPIEDADES TERMODINAMICAS:
Ventajas del uso del gas natural en la industria:
Las principales ventajas del gas natural son:
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1.Ventajas Ambientales: Facilita el cumplimiento de exigentes normas ambientales y la baja emisión de contaminantes en su combustión.
2. Ventajas Económicas: El gas natural es el combustible de menor precio y permite obtener importantes ahorros en relación con otros combustibles.
3. Ventajas Operacionales: No requiere almacenamiento, no requiere preparación previa a su utilización, los equipos son fáciles de limpiar, el rendimiento del gas es mayor que al de otros combustibles.
4. Ventajas de Mantenimiento: El control, la limpieza, y la verificación de los equipos utilizados en el mantenimiento del gas se realiza en menor tiempo y con mayor precisión que los de cualquier otro combustible.
CAPITULO II
Calculo de las propiedades termodinámicas:
C2H6 2.140.021
4 2,247 + 38,201*10´-3T-11,049*10´-6T´20,0481 + 0,0008 T - 2,3645 * 10´-7 T´2
C3H8 0.290.002
9 2,410 + 57,195*10´-3T-17,533*10´6T´20,0070 + 0,0002 T - 5,0846 * 10´-8 T´2
C4H10 0.11
0.0011 3,844 + 73,350*10´-3 T - 22,655*10´-6T´2
0,0042 + 0,0001 T - 2,4920 * 10´-8 T´2
C5H12 0.04
0.0004
4,895 + 90,113 * 10´-3 T - 28,039 * 10´-6 T ´2
0,0020 + 0,00004 T - 1,1216 * 10´-8 T ´2
CO2 1.120.011
2 6,214 + 10,396*10´-3 T - 3,545 * 10´-6 T ´20,06996 + 0,0001 T - 3,9704 * 10´-8 T ´2
N2 1.210.012
1 6,524+1,250 * 10´3 T - 0,001 * 10´-6 T ´20,0789 + 0,00002 T - 1,21 * 10´-11 T ´2
3,4488 0,01856 T 4,4826 * 10´-6 T 2
2.1 Calculo de la energía interna:
∆U =2981200(Cpm-R) dt
∆U =29812003.4488+0.0185T – 4.4826 x10-6T2-1.9798x10-3dt
∆U =3.4468T2981200 + 0.0185T222981200 – 4.4826x10-6 T332981200
∆U =344681200 – 298 + 0.0185 (12002 – 2982)2 – 4.4826x10-6(12003-2983)3
∆U = 13065.1409 Kcalmol
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2.2 Calculo de la entalpia:
∆H=2981200 Cpmdt
∆H=29812003.4488+0.0185T+4.4826x10-6T2Dt
∆H=3.4488t2981200+0.0185T 222981200 – 4.4826x10-6t332981200
∆H=13066.924Kcalmol
2.3 Calculo de la entropía:
∆S= 2981200CpmTdT
∆S= 29812003.4488 dTT+ 0.0185T dTT +4.4826 x10 - 6 T2 dTT
∆S= 3.4468Ln 1200298 + 0.01851200 – 22413 x10 – 6 (1202-2982)
∆S= 18.4627 Kcalmol K
2.4 Calculo de la Energia Libre de Gibbs
∆G=∆H-T∆S
∆G=13066.924Kcalmol-1200K (18.4627)Kcalmol-K
∆G=-9088.96 Kcal-mol
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CAPITULO III
GAS DE CAMISEA
La explotación de los yacimientos del gas de Camisea, en la Región Cusco, en el Perú es una realidad desde agosto de 2004, después de veinte años de su descubrimiento. La zona de explotación de los yacimientos de gas de Camisea, una de las más importantes del continente americano, se encuentra enclavada en el mismo corazón de la Región Cusco , en el bajo Urubamba. Forma parte del distrito de Echarate, de la provincia de La Convención.
3.1 Antecedentes:
En julio de 1981, el Estado peruano suscribió un contrato de operaciones petrolíferas por los lotes 38 y 42 con la compañía Shell. Esas concesiones sumaban aproximadamente 2.000.000 hectáreas, en la parte sur de la denominada Cuenca del Ucayali. Iniciados los trabajos de excavación, fue sólo en 1987, tras la instalación de 3.000 kilómetros de líneas sísmicas y la perforación de cinco pozos exploratorios, que el área de Camisea reveló al mundo dos yacimientos de gas natural no asociados, los cuales se denominaron San Martín y Cashiriari. El entusiasmo que generó este hallazgo dio paso a la firma del Acuerdo de Bases para la Explotación de Camisea entre Shell y Petroperú, en marzo de 1988. Sin embargo, las negociaciones concluyeron en agosto de ese año sin llegar a feliz término.
Tuvieron que pasar varios años hasta que en marzo de 1994, se firmó el convenio para la evaluación y desarrollo de los yacimientos de Camisea entre Shell y Petroperú. No obstante, y pese a los esfuerzos concertados por parte del Estado peruano, en julio de 1998 el consorcio Shell/Mobil comunica su decisión de no continuar con el segundo periodo del contrato, por lo que todo quedó disuelto. Por ese motivo, en mayo de 1999, la Comisión de Promoción de la Inversión Privada (COPRI) acuerda realizar un proceso de promoción para desarrollar el proyecto Camisea mediante un esquema segmentado que comprende módulos independientes de negocios.
A fines de ese mes, el comité especial del Proyecto Camisea (CECAM) convocó a dos concursos públicos internacionales para otorgar el contrato para la explotación de Camisea, así como las concesiones de transporte de líquidos y gas desde los mismos yacimientos hasta la costa, y de distribución de gas en Lima y Callao. Luego, en diciembre de 2000, se suscribieron los contratos para el desarrollo del proyecto con los consorcios adjudicatarios de los concursos organizados por el CECAM.
A inicios de mayo de 2002, se suscribió el contrato de concesión para el transporte y distribución del gas de Camisea, mediante el cual Tractebel se convierte en el tercer operador del proyecto (siendo Plus Petrol y Techint los otros dos). Este paso completa el esquema de desarrollo de Camisea.
De acuerdo a las informaciones del Ministerio de Energía y Minas y los directivos del consorcio Camisea, el proyecto avanzó según lo previsto, es decir, concluir con todo el plan a fines de 2003 o comienzos de 2004
Plan:
El proyecto consiste en captar y transportar el gas natural proveniente de los yacimientos San Martín y Cashiari, en el Lote 88, hacia una planta de separación de líquidos ubicada en Malvinas, a orillas del río Urubamba. En esta planta se separan el agua y los hidrocarburos líquidos contenidos en el gas natural y se acondiciona éste último para ser transportado por un gasoducto hasta el City Gate en Lima, donde se
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filtra, mide y reduce su presión para ser entregado al sistema de distribución; mientras que el gas excedente se reinyecta a los reservorios productivos.
Por otro lado, los Líquidos del Gas Natural obtenidos en la planta de separación son conducidos hasta la costa mediante un ducto de líquidos y recibidos en una planta ubicada en Pisco, donde se fraccionan en productos de calidad comercial (GLP, gasolina y condensados), y luego se despachan al mercado mediante buques o camiones cisternas.
Las reservas de Camisea son del orden de los 8,7 trillones de pies cúbicos de gas y de 545.000.000 de barriles de hidrocarburos líquidos. La producción inicial del yacimiento se prevé que será de 9.000.000 de metros cúbicos diarios extraídos de seis pozos. En cuanto a los ductos de transporte, se prevén dos: el del gas, con una extensión de 540 kilómetros aproximadamente, y el de líquidos, de 680 kilómetros atravesando transversalmente la difícil geografía del Perú.
El proyecto Camisea, actualmente en funcionamiento, es la piedra angular del cambio de matriz energética en el Perú, que está permitiendo cambiar el uso de combustibles contaminantes y caros como la gasolina y el petróleo, por el más limpio y barato gas natural, asimismo se ha favorecido ampliamente la industria (vehicular, de distribución, de generación de electricidad, etc) y se ha creado directa e indirectamente miles de empleos en el Perú.
3.2 Recorrido y canon:
Luego de pasar por la Región Ica llega por gasoducto a Lima. En la mencionada Región Ica hay una bifurcación que lleva el gasoducto también a Pisco.
De acuerdo a ley, la Región Cusco recibe por concepto del canon que le corresponde por la explotación del gas de Camisea el cincuenta por ciento de la regalía que recibe el Estado. OLA
En Lima:
En Lima y en el Callao, la Empresa Gas Natural para Lima y Callao es la que se encarga de abastecer esta zona tanto al sector industrial como al de vivienda.
En el mes de septiembre de 2004, en la localidad de Ventanilla, en Lima, comenzó a funcionar una planta de energía eléctrica que ha sido reconvertida a fin de utilizar el gas de Camisea como su fuente de energía. y otros
Segunda etapa:
En enero de 2006 el Perú firma un acuerdo con el consorcio Perú LNG con la finalidad de construir una planta de licuefacción de gas natural cuya inversión alcanza alrededor de los 3.300 millones de dólares y cuya repercusión local es la generación de 35.000 plazas de trabajo. Esta iniciativa corresponde a la segunda etapa del proyecto que permitirá la exportación del gas de Camisea. Se decidió que la planta de licuefacción se ubique a 169 kilómetros al sur de la capital de este país.
3.3 Negociaciones para su exportación:
El 13 de junio de 2005 una delegación de alto nivel de Argentina, Brasil, Chile y de Uruguay visitó Lima a fin de plantearle al gobierno peruano la posibilidad de exportar gas a estos países construyendo un gasoducto desde Pisco hasta Chile y desde allí, utilizando los ya existentes, para exportar gas a los otros países. La propuesta ha sido acogida con interés por parte del Perú.
Foro del gas:
Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica/Facultad Ing. Química
Espino Lau Blanca Termodinámica
Cuando el Perú comience a exportar gas, podrá pretender ingresar al Foro Mundial de Gas, que apunta a convertirse en una tribuna similar a la OPEP.
El citado Foro nació en el año 2000 con su primera conferencia en Irán. El objetivo de este Foro es intercambiar información entre los países exportadores e importadores del gas siguiendo el camino de la OPEP.
3.4 Controversia:
El actual decano del Colegio de Ingenieros del Perú, Carlos Herrera Descalzi, considera que con los contratos del gas de Camisea, el Perú está perdiendo dado que sólo tendrá gas para consumo local hasta el año 2020, y las empresas explotadoras del producto van a ganar más de 13 veces lo invertido.
Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica/Facultad Ing. Química
Espino Lau Blanca Termodinámica
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3.5 Importancia del gas de Camisea:
Tanto se ha hablado del Gas de Camisea que hasta se ha manoseado la forma de explotación, este proyecto desde diferentes puntos de vista es muy complejo y de retos ambientales variados, felizmente la traza del ducto ya se hizo viable, y lo más próximo de este ambicioso proyecto es llevar el Gas de Camisea a la ciudad de Lima esto con el propósito del uso domestico y tratar de que el transporte use y opte por esta alternativa el gas, esto en una primera fase: tratar de cubrir el uso interno. Recién se esta viendo la posibilidad en su segunda fase: Realizar la exportación del producto.
El Gas de Camisea tiene una duración de explotación de 30 años y con la exportación de este producto (segunda fase), se piensa exportar en un valor de 400 a 500 millones de dólares, solo falta la ejecución de este anhelado proyecto, exportando el producto, obteniendo así ingresos frescos.
Concretando la realización de este proyecto, el 8 de Setiembre el Presidente de la República Peruana Alejandro Toledo, confirmó la aprobación del Directorio del Banco Interamericano de Desarrollo (BID) de un préstamo de 75 millones de dólares de recursos propios por un plazo de hasta 14 años y 60 millones de recursos comerciales por un plazo de 12 años, para la construcción del último tramo del proyecto gasífero de Camisea, las tasa de interés en ambos préstamos será equivalente a las tasas del mercado del sector privado.
El proyecto del gas de Camisea que llevará gas natural a la ciudad de Lima para agosto del 2004, permitirá ahorrar combustible por un valor de dos millones de dólares, aumentando la eficiencia e incrementando la competitividad, asimismo, favorecerá la creación de industrias paralelas como las petroquímicas.
El tema principal de discusión de este proyecto es la protección que se debe dar a la biodiversidad existente en la zona de Camisea (La Convención - Cusco - Perú).
Según el Presidente Toledo no existe discrepancias entre este mega proyecto, la modernidad y el respeto a las comunidades nativas, pero muchas instituciones y Organizaciones no gubernamentales no coinciden con esa afirmación, pues aseguran que este mega proyecto romperá todo el equilibrio ecológico de la zona, destruyendo toda la biodiversidad, dentro de un territorio indígena virgen.
Los grupos indígenas que viven en la zona del proyecto permanecen en estado de aislamiento voluntario, y por lo tanto su vulnerabilidad a las intervenciones foráneas es grave, ya que carecen de defensas contra enfermedades tan comunes como la gripe o malestares gastrointestinales. Aunque se estableció una reserva para su protección, la mayoría de los pozos de extracción están ubicados dentro de dicha reserva, por lo que a lo largo de los treinta años de vida que tiene programado el proyecto, se causará impactos irreparables para las personas que viven dentro o cerca de la reserva.
Además de sus impactos sociales, el proyecto de gas de Camisea ya ha causado daños irreversibles al medio ambiente. La erosión masiva, la sedimentación y la pérdida de la biodiversidad ya se han presenciado durante las primeras construcciones.
Además este proyecto amenaza una de las reservas marinas de mayor importancia para la región latinoamericana: La reserva marina de la bahía de Paracas, que se encuentra bajo la protección de la Convención de Ramsar sobre los humedales de importancia internacional.
Dentro de toda esta discrepancia, lo que no se puede negar es que el proyecto del Gas de Camisea, brindara enormes beneficios al Perú, estimando un aumento del crecimiento del PBI en un 1% anual durante los 30 años de operación, pero tampoco se puede negar que dicho proyecto atenta contra la biodiversidad de la zona y contra los derechos de las comunidades nativas que viven cercanas a los pozos de extracción.
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Se espera que el proyecto, declarado por Perú como una prioridad de interés nacional, traiga al país importantes beneficios económicos, reduciendo el costo de energía, disminuyendo la contaminación atmosférica y substituyendo otros combustibles por gas natural, el más limpio de los hidrocarburos; pero guardando el debido respeto por la naturaleza y los pobladores de las zonas aledañas, verdaderos dueños de este importante recurso.
CONCLUSIONES:
En la actualidad se busca un combustible que pueda satisfacer las necesidades energéticas del hambre, como poder usar un sistema de calefacción o colocar estufas a gas en nuestros hogares, pero los combustibles que se utilizaban como el petróleo, la leña, el carbón o el kerosene, resultaban no ser muy económicos y a la vez eran contaminantes. Es por eso que ahora ha llegado un combustible nuevo a nuestro país, que es el gas natural, este gas no requiere de plantas de refinación para procesar, a comparación del petróleo, es más seguro, económico y posee menor proporción de impurezas o gases tóxicos. Con el gas natural podemos cuidar nuestra salud, la de nuestra familia y la de nuestra ciudad.
BIBLIOGRAFIA:
www.wikipedia.com
www.quimicanet.com
www.ingenieria del gas.com
http/rosscusip.blogspot.pe
Universidad Nacional San Luis Gonzaga de Ica/Facultad Ing. Química
