INTRODUCCIÓN

El propósito de este proyecto, es aplicar los conocimientos adquiridos a lo largo del desarrollo de las dos unidades didácticas del curso Termodinámica, como son; Unidad 1. Ley cero, Trabajo y Primera Ley de la Termodinámica y Unidad 2. Segunda Ley y Aplicaciones de la Termodinámica. Estos conceptos serán aplicados de forma práctica a través del desarrollo de una actividad que implica una lluvia de ideas por parte de los integrantes del grupo, con el fin de seleccionar un proceso para la elaboración de un producto, el cual pueda ser discriminado en sus distintas etapas y realizar los respectivos cálculos termodinámicos a dos de estas. Identificando los procesos termodinámicos a los que hay que someter al sistema termodinámico para la elaboración del producto, realizar los cálculos de consumos energéticos, trabajo, cambio de entropía y realizar los calcular correspondientes según la primera ley de la termodinámica.

Dicha actividad se realiza de forma colaborativa, con la intensión de aclarar todas aquellas dudas existentes en el desarrollo académico del curso y con la asesoría brindada por parte de nuestro tutor. En este también se verá reflejado el compromiso y responsabilidad por parte de cada uno de los integrantes que participan del desarrollo del mismo.

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1. OBJETIVOS

1.1 Objetivo General

Evaluar los conocimientos y las competencias académicas desarrolladas por los estudiantes del curso TERMODINÁMICA a través de la investigación de un proceso productivo real donde se puedan realizar cálculos termodinámicos.

1.2 Objetivos Específicos

Reconocer los conceptos termodinámicos que se aplican a los procesos industriales, en este caso particular el proceso de elaboración de mermelada.

Afianzar conocimientos y destreza al realizar los cálculos de cantidad de calor, energía, trabajo y entropía.

Fortalecer los conocimientos y aplicación de los principios termodinámicos en la determinación de los consumos energéticos en el proceso de elaboración de la mermelada.

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Lluvia de Ideas:

Para el desarrollo del presente proyecto se inició con una lluvia de ideas referentes al proceso productivo a escoger la cual se relaciona a continuación:

El estudiante Sebastián Camacho sugiere el proceso de producción de la gaseosa argumentando que es un proceso sencillo y que se pueden realizar cálculos termodinámicos en las etapas de mezclado de materia prima y enfriado de la bebida.

El estudiante Yamid Obando propone que se estudie el proceso de elaboración de yogur y menciona que en este proceso productivo se tienen etapas de cambios de temperatura como la pasteurización y el almacenamiento en frio.

El estudiante Sebastián Camacho propone el proceso productivo de elaboración de dulce de guayaba donde expresa que contiene una etapa de evaporación en la cual se enfocarían los cálculos solicitados.

El estudiante Yamid Obando sugiere el proceso de elaboración de mermelada con el argumento que es un proceso sencillo de analizar y que los cálculos necesarios se pueden realizar en las etapas de cocción y enfriamiento.

Selección del proceso.

Teniendo en cuenta que hasta la fecha establecida por el grupo para él envió de ideas acerca de procesos a analizar ningún estudiante aparte de Sebastián Camacho y Yamid Obando participo de la actividad, entre estos dos estudiantes mencionados y basado en investigaciones que cada uno realizo individualmente se escoge el proceso de Elaboración de Mermelada. Los puntos que tuvieron más influencia para esta selección fueron la sencillez del proceso a analizar y la similitud del proceso con los trabajos colaborativos previos desarrollados durante el desarrollo del curso.

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PROCESO ELABORACIÓN DE MERMELADA:

En el diagrama que se relaciona a continuación es posible verificar cada una de las etapas correspondientes al proceso de elaboración de mermelada a base de pulpa de fruta y las dos etapas marcadas en color azul son las etapas en las cuales se ve sometido el sistema a un proceso termodinámico para la elaboración del producto.

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Cálculos termodinámicos para el proceso de Cocción.

En el proceso de cocción se mezclan los ingredientes necesarios en una marmita abierta con agitador constante, la cual tiene capacidad de 100 litros y opera con combustión de GLP (Gas licuado del petróleo), los ingredientes ingresan a temperatura ambiente y se llevan hasta 120°C, agitando constantemente. Los ingredientes que se adicionan y sus cantidades se relacionan a continuación.

Los grados Brix de la mermelada son 68.

Jugo de Pulpa de Fruta : Piña - 50 litros Azúcar - 20 Kilogramos Pectina Cítrica - 500 Gramos Ácido Cítrico - 250 gramos

Primero definimos el proceso termodinámico al cual es sometido el producto, y tenemos que:

Es un proceso abierto ya que este supone un intercambio tanto de materia como de energía hacia el exterior, además es un proceso isobárico ya que este se realiza a presión constante, para nuestro caso esta presión es la presión atmosférica.

Ya identificado el proceso, procedemos a realizar los cálculos correspondientes.

Debemos hallar la capacidad calorífica de la mermelada, como esta es una solución azucarada, este valor se determina por métodos de laboratorio, ya que el efecto de este estudio se nos hace muy complicado tomamos la siguiente relación:

CpSolucion Azucarada=1−(0,006∗Grados Brix ) KCalKg . ° K

Cp=1−(0,006∗68) KCalKg . ° K

Cp=1−0,408 KCalKg . ° K

Cp=0,592 K CalKg .° K

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Hacemos la conversión de los grados centígrados a grados Kelvin:

Ti=Temperatura Ambiente=27 °C=300,15° K

Tf=120 ° C=393,15 ° K

También debemos hallar la masa total de la sustancia, para esto asumimos

la densidad del jugo de piña como 1gml

, y por esto tenemos que:

mT=mJugo de Pulpa+mAzucar+mPectina+mAcidoCitríco

mT=50Kilogramos+20Kilogramos+0,5Kilogramos+0,25Kilogramos

mT=70,75Kilogramos

Para realizar el cálculo energético utilizamos la formula siguiente:

Q=m.Cp. (Tf−Ti )

m=Masa , Tf=Temperatura Final ,

Cp=Capacidad Calorifica del Material Ti=Temperatura Inical

Q=70,75Kg .0,592 K CalKg .° K

. (393,15 ° K−300,15 ° K )

Q=70,75Kg .0,592 K CalKg .° K

. (93 ° K )

Q=3895,21KCal

El signo positivo nos indica que el calor ingresa al sistema.

Ahora hallamos el trabajo realizado con la siguiente formula:

W=P(V 2−V 1)

Presión Atmosferica=99.458,5Pa (1)

Para hallar el V 1tomamos el volumen de los 50 litros de pulpa de fruta el cual es

de 0,05m3.

V 1=0,05m3

(1) Extraído el 08 de Diciembre de 2013 de http://www.meteoprog.com.co/es/review/Cartago/

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Dado que en la cocción se logra eliminar entre el 25% al 35% de agua en un alimento (2), el cual en nuestro proceso solo es contenida por el jugo de la pulpa de fruta, tomamos el promedio que es el 30% del valor del volumen inicial, para lo cual tenemos:

V 2=0,035m3 Entonces:

W=99.458,5 Pa(0,035m3−0,05m3)

W=99.458,5 Pa(−0,015m3)

W=−1491,88J ó

W=−0,3563KCal

El signo negativo significa que el trabajo se realiza sobre el sistema.

Hallamos la entropía específica para este sistema termodinámico correspondiente al proceso seleccionado.

∆ Ssis=mc p ln(T 2T 1 )∆ Ssis=70 ,75kg .0,592

K CalKg . ° K

. ln( 300,15 ° K393,15 ° K )∆ Ssis=−11,3KCal/° K

Para la primera ley de la termodinámica tenemos que el cambio de energía interna es:

∆U=Q−W∆U=3895,21KCal−(−0,3563KCal)

∆U=3895,57KCal

(2) Extraído el 08 de Diciembre de 2013 de http://www.mific.gob.ni/LinkClick.aspx?fileticket=N9nBkwDWGnQ%3D&tabid=438&language=es-NI

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Cálculos termodinámicos para el proceso de Enfriamiento.

Una vez terminado el proceso de cocción la mezcla se deja reposar hasta alcanzar una temperatura de 85 °C, después dentro de unos contenedores sellados se lleva a un refrigerador industrial el cual baja la temperatura de 85°C a 40 °C para después proceder al empacado en el envase correspondiente

Primero definimos el proceso termodinámico al cual es sometido el producto, y tenemos que:

Es un sistema cerrado ya que sólo se presenta intercambio de energía pero no de materia y el proceso que allí aplica es Isocórico ya que sugiere un volumen constante.

Procedemos a realizar los cálculos termodinámicos del sistema teniendo cuenta que en los procesos isocóricos no se presentan interacciones de trabajo, por lo tanto este es igual a 0.

W=0

Para calcular el consumo energético tenemos que:

Q=m.Cp(Tf−Ti) Dónde:

m=Masa , eneste caso esde 70,75Kg

Cp=Capacidad Calorifica de la sustancia , eneste casoes 0,592 K CalKg .° K

Tf=Temperatura Final , lacual es 40 °C=313,15 ° K

Ti=Temperatura inicial , lacual es 85 °C=358,15 ° K

Q=70,75Kg .0,592 K CalKg .° K

(313,15 ° K−358,15° K )

Q=−1884,78KCal

El signo negativo nos indica que el sistema perdió calor.

El cambio de entropía para este sistema está definido por:

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∆ Ssis=mc p ln(T 2T 1 )∆ Ssis=70 ,75kg .0,592

K CalKg . ° K

. ln( 358,15 ° K313,15 ° K )∆ Ssis=5,63KCal /° K

Para la primera ley de la termodinámica tenemos que el cambio de energía interna según el proceso isocórico es:

∆U=Q∆U=−1884,78KCal

En cuanto a los ciclos termodinámicos necesarios para la operación del proceso de elaboración del producto, al momento del enfriamiento se hace referencia al proceso cíclico de la máquina de Carnot, ya que los fundamentos termodinámicos del proceso son los mismos en los cuales se basa la máquina de Carnot.

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CONCLUSIONES

Gracias al desarrollo del presente informe, en todas y cada una de sus partes; y a las participaciones a conciencia y significativas realizadas en cada uno de los trabajos colaborativos, fue posible culminar a satisfacción con el curso de termodinámica, alcanzando de esta forma los objeticos propuestos en cada una de sus actividades y concretamente en el desarrollo de los cálculos correspondientes del proceso seleccionado para el informe, el cual fue la elaboración de la mermelada. Este fue discriminado en sus distintas etapas Identificando los procesos termodinámicos a los que hay que someter al sistema termodinámico para su elaboración, obteniendo de esta forma los consumos energéticos, trabajo, cambio de entropía y los datos correspondientes a la primera ley de la termodinámica.

Adicional a esto se logra fortalecer el compromiso y la participación en el desarrollo de las actividades de cada uno de los integrantes del grupo colaborativo ya que los proyectos realizados son de suma importancia ya que son casos aplicados a la cotidianidad o vida real.

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BIBLIOGRAFÍA

Múnera, R. (2013). Protocolo Termodinámica. Colombia. Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería UNAD.

Múnera, R. (Febrero de 2013). Modulo Termodinámica. Colombia. Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería UNAD.

Cartago, Valle del cauca. (2013). En Proyecto Meteoprog. Recuperado el 08 de Diciembre de 2013 a las 17:00 de http://www.meteoprog.com.co /es/review/Cartago/.

Manual tecnológico para el proceso de “mermelada de piña” (Noviembre de 2012), Centro de producción más limpia de Nicaragua. Recuperado el 08 de Diciembre de 2013 a las 18:00 de http://www.mific.gob.ni/LinkClick.aspx?fileticket=N9nBkwDWGnQ%3D&tabid=438&language=es-NI.

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