La Termodinámica en la Ingeniería Química - Parte I: Introducción

La Termodinámica en la Ingeniería Química - Parte I: Intr oducción

El propósito del presente escrito es precisamente describir qué es lo que se estudia en esta materia tan interesante y bella, señalando por qué es tan importante en la formación posterior y en el quehacer de un ingeniero(a) químico(a).
La Ingeniería Química y la Termodinámica
Por un lado, la ingeniería química es, básicamente, el estudio de la transformación de la materia y la energía con el fin de generar valor y riqueza y por esa vía contribuir al bienestar de la sociedad. Por su parte, la termodinámica es, básicamente, el estudio de algunos aspectos fundamentales de la materia, la energía y su interacción. En ambas definiciones se encierra la razón por la que la termodinámica es uno de los pilares de la ingeniería química. Sin ella como fuente de principios y fundamentos, la misión social de la ingeniería química no sería posible de cumplir a satisfacción; al menos no con buen juicio y verdadero criterio de ingeniería.
El Ingeniero Químico y la Termodinámica
La razón práctica por la cual es tan importante que el ingeniero(a) químico(a) cuente con una formación suficientemente sólida en esta materia, tiene que ver con algunas de las preguntas más básicas y necesarias que en la práctica se formulan a la hora de emprender la tarea de generar valor con la transformación del material A en el material B.
¿Es esa transformación realmente posible? (es decir, en el sentido de si la naturaleza realmente lo permite); si no, ¿qué condiciones deberían cambiar para que lo fuese?; si resulta ser factible, ¿hasta dónde es posible hacer esa transformación?, ¿cuánta energía exige cierta cantidad de A para transformarse en B?
Todas esas preguntas, lejos de ser de poca monta, deciden si el proyecto de industria química resulta técnica y económicamente viable o no. Como se verá, son esas preguntas las que la termodinámica contesta con completa idoneidad. Con el fin de argumentar suficientemente ese punto, así como para ampliar un poco la perspectiva, conviene echar un vistazo a qué es lo que estudia la termodinámica, desde sus fundamentos hasta los linderos de las aplicaciones tecnológicas clásicas en ingeniería química.
Objeto de Estudio de la Termodinámica Clásica
De manera razonablemente general, la termodinámica estudia los sistemas, entendidos como porciones del espacio físico claramente delimitadas y bien definidas, sin que importe su forma o su tamaño.
Los sistemas se caracterizan por contar con cierta cantidad de materia, la cual se encuentra en determinado estado. Ese estado del sistema es el conjunto de características físicas que lo describen de manera cuantitativa, y cuya variación constituye una señal inequívoca de que el sistema ha sufrido un cambio. Una primera forma de entender el estado de un sistema es a partir de la identificación y cuantificación de todas aquellas características físicas cercanas a las personas a través de la experiencia de los sentidos: temperatura (que se percibe con el tacto), volumen (que podemos ver y medir), presión (como la que se experimenta con un machucón), etc.
El conjunto de valores cuantitativos que en determinado momento toman todas estas propiedades termodinámicas, es lo que describe al sistema desde el punto de vista de la termodinámica. Si al menos una de esas propiedades cambia, se dice que el sistema sufrió un cambio de estado.
De manera un tanto más específica, y en el sentido clásico, la termodinámica se limita a estudiar los sistemas en el estado de equilibrio, es decir, le interesan los sistemas en ausencia de cualquier causa de cambio o cuando toda causal de transformación ha cesado por completo. Más aún, la termodinámica no estudia cualquier cambio de estado, solo se interesa por aquellos cambios de estado entre estados de equilibrio, y solo da explicaciones a cerca de los cambios netos sin reparar en sus causas ni tampoco en los medios como esos cambios fueron posibles. Se dice pues que la termodinámica no explica la trayectoria de los procesos, tan solo los cambios netos entre un principio y un final.
Por ejemplo, la termodinámica estudia el hecho de que para calentar un kilo de agua líquida en una olla desde 20 hasta 25 ºC sea necesario suministrar unas 5 kcal. Va al hecho y punto. En cambio, hay una cantidad de aspectos que no hacen parte de su objeto de estudio: no es relevante si el calentamiento se hizo en un milisegundo o en diez años, si se calentó sobre el fogón de una estufa doméstica o si se metió la olla en un horno para aprovechar toda su superficie. El enunciado termodinámico se limita a afirmar que si se tiene un kilo de agua a 20ºC sin que ningún factor dentro o fuera de ella tienda a cambiar esa condición (esto es, en equilibrio), es necesario hacerle llegar 5 kcal por cualquier mecanismo o artilugio que haya a la mano, con el fin de que esté 5ºC más caliente en un nuevo estado de equilibrio.
En una palabra, la termodinámica es el estudio de los qués y no de los cómos. El estudio sistemático de los mecanismos involucrados en los cambios de estado de un sistema, junto con sus causas y de más detalles, es el objeto de estudio de los Fenómenos de Transporte. Uno de ellos, la Transferencia de Calor, será la encargada de estudiar los mecanismos a partir de los cuales aquellas 5 kcal pueden ser llevadas hasta el kilo de agua, permite estimar cuánto tardará la tarea según sea ese mecanismo, estudia las posibles causales de pérdida de energía dependiendo la situación y la cuantifica, y nos permite a los ingenieros e ingenieras estimar los recursos materiales mínimos o equipos, que resultan necesarios para someter el agua a ese grado de calentamiento. Para la termodinámica todo eso está fuera de alcance.
Una forma de apreciar la importancia que tiene la formación en termodinámica para los estudios posteriores y para la profesión en general, es a partir de una rápida revisión de aquellos temas que deben estudiarse en diferentes asignaturas. Esto además servirá de guía para aquellos interesados en saber a qué se enfrentan cuando del estudio de la termodinámica se trata. La división presentada en las siguientes partes de esta serie de anotaciones es completamente arbitraria y no necesariamente coincide con las mallas de materias de todos los programas académicos.