Entendiendo y explicando procesos cotidianos

mediante conceptos de ingeniería química.

Juan M. Lema, Pablo Aguado*, Roberto Taboada**, Miguel Mauricio***

Departamento de Enxeñaría Química

Universidade de Santiago de Compostela

* Alumnos de 2º curso de IQ en diversos años, actualmente * estudiante de

5º, **Doctorando en la USC y ***Post-Doc en DTU (Lingby).

Objetivos

Aplicación de conceptos de IQ para

explicación (y cálculo) del comportamiento

de procesos de la vida cotidiana, tratando

así de reforzar su validez y al mismo tiempo

aproximando al alumno su aplicabilidad.

Tipos de trabajos

•Iniciales

• Planteados por profesor • Conceptos básicos

•Finales

• Propuesto por cada alumno • Aplicación de conceptos vistos en

clase

Ejemplos de trabajos iniciales

•Café autocalentable •Consumo de galletas en ciclismo •Freir patatas •Secador de manos en aeropuerto de

Stansted •Tenis en altura

Café autocalentable. Enunciado

En supermercados y en gasolineras se pueden encontrar diversos productos (especialmente café) envasados en vasos autocalentables.

En el trabajo propuesto se pretende:

1.- Dar una explicación rápida del funcionamento del vaso, incluyendo el deseño interno

2.- Calcular, en base a balances de energía, las cantidades de agua y de sales necesarias.

3.- Proponer un sistema para enfriar el contenido do vaso.

Extensión máxima: 1000 palabras.

Valoración: 25% Presentación (precisión de lenguaje, unidades, bibliografía..); 25%; Explicación del mecanismo; 25% cálculos de agua y sales; 25% Alternativas para

enfriamiento y sugerencias.

Café autocalentable. El proceso

CaCl2

Agua

Café

Membrana

Café autocalentable. Datos- Hipotesis

Base de cálculo: 75 ml de café

Hipótesis

• Volumen de agua 30 mL (necesario para cubrir a superficie entre ambos depósitos)

• Temperatura final del café: 50 ºC

• Temperatura ambiente: 20ºC.

• Propiedades físicas del agua a valores medios (35ºC).

• Entalpía de disolución varía poco respecto a 25ºC.

• Proceso adiabático

• Propiedades físicas del café y de disolución de CaCl2: Similares al agua

• DH (25ºC) de disolución del CaCl2 = - 678,3 kJ·kg-1

Balance de energía

.

Q = MS* DH = - 678,3 *Ms kJ

Q= ((MA + MS)* CpA + MC*CpA)) (Ti-Tf) + Qp (hipótesis Qp

pequeño comparado con Q)

Q =- 678,3 *Ms kJ= ((MS +30·10-6)* 998,15*4,17 + 75·10-6 *

998,15*4,17)* (20-50) = -13,11 kJ

MS = - 13,11/(-553,2) = 0,236 kg = 23,6 g ( A: Agua; C: Café; S: sal, M masa, Qp calor perdido)

Bebida refrescante

Entalpías de disolución en agua. (ΔHo (kJ/mol, a 25° C)

• Clorato potásico: + 41.3 • Nitrato amónico: +25.6 • Cloruro sódico: +3,88

Clorato potásico Hazards : Oxidant, Harmful, Dangerous for the environment. ¡No vale! Nitrato amónico Hazards: Index not listed ¡OK!

Friendo patatas

Dos espesores de patata Dos tipos de aceite

Tiempo fijo

Friendo patatas

Observar fenómeno

Pesar aceite y patatas

Explicar

Ejemplos de trabajos finales

•Malversación de fondos en termas romanas •Afinamiento de instrumentos de viento •Viaje al centro de la tierra •Riñón artificial •Fenómenos de transpiración •Nuestros primeros fenómenos de transporte

Valoración

• Se valora tanto la realización del trabajo como la originalidad de los planteamientos.

•Se presta especial atención a que los trabajos sean originales y correspondan a una actividad personal y, para garantizarlo, se emplea una herramienta informática (Turnitin) que permite comparar el trabajo con otros que se encuentren en el ámbito de internet.

•La valoración de ambos trabajos corresponde a un 20% de la nota final

Malversación de fondos en Termas Romanas

• HIPÓTESIS: Demostrar la malversación de fondos

• MÉTODO: Referencias arqueológicas + Cálculos

• FORMA DE TRABAJO:

• Encontrar la energía gastada manteniendo la temperatura de las termas

• Encontrar la energía gastada para “encender” las termas cada día

• Sumar ambos valores y extrapolar a un año

• Conversión de energía gastada a madera gastada

• Comparación con presupuesto » (400 “carretadas”, 392 Tm)

La Terma Romana

Q= m · Cp · ∆T

P·V = n· R· T

Valor energético de la madera: entre 12000 y 21000 kJ/kg

Los valores de las energías, tiempo… se harán con una base, y el 10% de margen inferior y superior

Malversación de fondos en Termas Romanas

Ecuaciones

• Volúmenes de aire en cada habitación

• Energía perdida por las paredes y huecos (kJ/s), para cada sala de la terma

• Energía para calentar diariamente la terma al arrancarla (kJ), para cada sala.

• Extrapolar al año entero. (kJ/año)

• Calculo de la madera necesaria al año. (kg/año)

• Comparar esa cifra con presupuesto para determinar si hay o no malversación.

Cálculos

• Si. Hay malversación de fondos

• Madera presupuestada 40 % en exceso sobre las necesidades en el caso “más desfavorable”

• Los conceptos de una Ingeniería pueden ayudar a comprender o apuntalar conceptos históricos.

Conclusiones

¿Por qué hay que afinar los

instrumentos de viento?

Aumento de la temperatura

Transmisión de calor durante primeros 20-30 min

¿Se puede explicar? ¿Se puede estimar y cuantificar?

- Balance macroscópico de energía y materia

-Estimación del coeficiente de transferencia de calor (h)

-Búsqueda bibliográfica de propiedades (aire, plata esterlina)

-Relación entre temperatura del aire-velocidad del sonido-frecuencia vibración

-Obtención y tratamiento de datos experimentales

r v A Hin r v A Hout

Qout

Modelo teórico

text

text

text

-Experimento realizado con

cuatro flautistas

- Tocaron la flauta durante 20-30

min. Regularmente se pidió que

tocasen la nota Do4 (tubo

cerrado)

-Medición de temperatura en el

metal en la embocadura, en la

salida y temperatura ambiente

-Medición de frecuencia (en Hz)

con afinador electrónico

Metodología

Relación de dependencia entre la frecuencia y la temperatura ambiente

Se puede predecir cuánto se desafinará el instrumento de viento en función de la temperatura de la sala de conciertos

e

eDDeLT

e

eDDeLT

T

amb

amb

ln74.5023085.1

ln74.5023085.1

21)(2.1

2.1

0

D, diámetro del instrumento Tamb, temperatura de la sala de conciertos

e, espesor de la pared del instrumento L, longitud del instrumento

Conclusiones

Conclusiones

• Mejorar el interés por la asignatura

• Desarrollo del método científico

• Aumento del grado de confianza

• Aproximación a la solución de problemas

reales: trabajo con incertidumbre.

• Establecimiento de hipótesis y

simplificaciones

• Sentido práctico

• Estímulo de imaginación

Conclusiones

• Los alumnos tienen “otra vida” fuera de

la Universidad

• Démosles más iniciativa… y nos

sorprenderán.

Entendiendo y explicando procesos cotidianos

mediante conceptos de ingeniería química.

Juan M. Lema, Pablo Aguado*, Roberto Taboada*, Miguel Mauricio*

Departamento de Enxeñaría Química

Universidade de Santiago de Compostela

* Alumnos de 2º curso de IQ en diversos años, actualmente estudiante de 5º,

Doctorando en la USC y Post-Doc en DTU (Lingby).