ETER2_U3_EA_SEMB - Sergio Marquez Barrios

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Termodinámica 2 
ER-ETER2-1901-B1-001 
 
Javier Hernández Pérez 
 
Unidad 3 
Cálculo de entropía en sistemas reactivos 
 
Evidencia de aprendizaje 
Un sistema para analizar 
 
SERGIO ADRIÁN MÁRQUEZ BARRIOS 
ES172011571 
Marzo, 2019 
 
 
 
2 
 
1. Investiga y analiza de forma breve el funcionamiento de los siguientes 
dispositivos: 
 
• Deshumidificador. 
 
Se usa para reducir u controlar la humedad 
del ambiente mediante un proceso en el cual 
se retira vapor de agua del are. Esto se 
puede realizar alcanzando la temperatura 
por debajo del punto de roció por medio de 
enfriamiento, incrementando la presión total 
o usar un desecante con el aire. 
 
Explicado de otra manera, se pasa una corriente de aire por el evaporador (zona 
fría), el cual está a una temperatura por debajo del 
punto de roció, con esto la humedad que se encuentra 
en el ambiente se condense y empiece a gotear hasta 
un deposito o desagüe, A continuación, después de 
este proceso (secado y enfriado) el aire pasa por el 
condensador (área caliente) con lo que toma la 
temperatura ambiental y disminuye aún más su 
humedad relativa. 
 
 
• Mezclador adiabático de corrientes húmedas. 
 
La mezcla se consigue combinando simplemente los dos 
flujos de aire, de manera que estos se introduzcan en una 
bifurcación que termina convergiendo en un solo ducto de 
salida, en donde el estado de salida está determinado por 
las características de ambos estados en las entradas. 
 
 
 
3 
 
En muchas ocasiones es necesario mezclar dos flujos 
diferentes de aire. Esto se usa habitualmente en grandes 
edificios, la mayor parte de las plantas de producción y 
procesamiento y los hospitales, donde es preciso que el aire 
acondicionado se mezcle con una fracción del aire fresco 
exterior antes de enviarse a los espacios habitados. 
 
 
• Torre de enfriamiento 
 
Las torres de enfriamiento son mecanismos para refrigerar agua y otros medios a 
temperaturas muy altas. El uso principal de grandes torres de refrigeración 
industriales es el de rebajar la temperatura 
del agua de refrigeración utilizada en plantas 
de energía, refinerías de petróleo, plantas 
petroquímicas, plantas de procesamiento de 
gas natural y otras instalaciones industriales. 
 
Las torres de enfriamiento usan la 
evaporación del agua para rechazar el calor 
de un proceso tal como la generación de 
energía eléctrica. 
 
 
2. Investiga y analiza de forma breve el funcionamiento de una pila de 
combustible. 
 
El funcionamiento de la pila de 
combustible es similar al de una 
batería. Se obtiene electricidad a partir 
de sustancias que reaccionan 
químicamente entre sí. Sin embargo, 
mientras que las baterías tienen una 
capacidad limitada de almacenamiento 
de energía, la pila de combustible está 
diseñada para permitir un 
 
 
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abastecimiento continuo de los reactivos. Además, los electrodos de la pila de 
combustible actúan también como catalizadores de las reacciones químicas de 
oxidación/reducción. 
 
El esquema básico de la celda unitaria consta de dos electrodos: el ánodo (donde se 
oxida el combustible) y el cátodo (donde el oxidante o comburente se reduce). 
 
El electrolito actúa simultáneamente como aislante eléctrico, conductor protónico y 
separador de las reacciones que tienen lugar en el cátodo respecto a las que tienen 
lugar en el ánodo. Debido a lo anterior, los electrones viajan desde el ánodo hasta el 
cátodo a través de un circuito externo, generando una corriente eléctrica, mientras 
que los protones lo hacen a través del electrolito. 
 
En el cátodo, los electrones, protones y el comburente se reducen, dando lugar a los 
productos. La reacción es exotérmica y, aunque es espontánea, suele ser muy lenta 
como para ser operativa sin la presencia de catalizadores, lo más común es que los 
propios electrodos se utilicen como catalizadores. 
 
En este tipo de pilas se suele utilizar hidrógeno como agente reductor y oxígeno 
como oxidante; para que los protones puedan atravesar la membrana, ésta debe 
estar convenientemente humidificada, porque la conductividad protónica de las 
membranas poliméricas utilizadas en este tipo de pilas depende de la humedad de 
la membrana. Por lo tanto, es habitual humidificar los gases previamente al ingreso 
a la pila. 
 
Una ventaja de utilizar la combinación de hidrógeno con oxígeno, es que el único 
producto de la reacción es agua. Por esto, esta combinación es muy utilizada en 
aplicaciones espaciales. Además, oxígeno y el hidrógeno pueden almacenarse 
criogénicamente de forma compacta. 
 
Las pilas de combustible se pueden clasificar en función del electrolito y del 
combustible elegido, lo que a su vez determina el tipo de reacciones que se llevarán 
a cabo en los electrodos y los tipos de iones que la corriente transportará a través 
del electrolito. Hoy en día, la mayoría de las células de combustible en desarrollo 
utilizan hidrógeno o gases sintéticos ricos en hidrógeno. 
 
 
 
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Tipo 
de 
Pila 
Electrolito Catalizador 
Temp. de 
Operación 
(ºC) 
Potencia 
Eficiencia 
Eléctrica(%) 
Usos Principales Ventajas Inconvenientes Esquema 
SOFC 
Sólido 
cerámico 
Material 
de los 
electrodos 
(no 
platino) 
800-1000 >100kw 
60-65 
(pila) 
50-60 
(sistema) 
Aplicaciones 
estacionarias 
(comercial e 
industrial) 
Cogeneración 
Vehículos de 
transporte(trenes) 
Alta 
eficiencia 
Admite gran 
variedad de 
combustibles 
y de 
catalizadores 
Corrosión 
debida a las 
altas 
temperaturas 
Arranque lento 
 
PEM 
Polímero 
sólido 
Platino 80-95 
(0,1-
100)kw 
40-60 
(pila) 
30-50 
(sistema) 
Vehículos de 
transporte (más 
común) 
Aplicaciones 
estacionarias 
(residencial y 
comercial) 
Telecomunicaciones 
Temperatura 
de operación 
baja 
Arranque 
rápido 
Coste del 
catalizador 
Sensibilidad a 
las impurezas 
del 
combustible 
 
PAFC 
Ácido 
fosfórico 
líquido 
Platino 
sobre base 
de carbono 
180-205 >10MW 
55 
(pila) 
36-42 
(sistema) 
Aplicaciones 
estacionarias 
(residencial y 
comercial) 
Vehículos de 
transporte(más 
reciente) 
Alta 
tolerancia a 
las impurezas 
Coste del 
catalizador 
Arranque lento 
Baja densidad 
de potencia 
 
 
 
6 
 
MCFC 
Carbonatos 
alcalinos 
sobre una 
matriz 
cerámica 
Material 
de los 
electrodos 
(no 
platino) 
650 100W 
50-60 
(pila) 
47 
(sistema) 
Aplicaciones 
estacionarias 
(residencial y 
comercial) 
Cogeneración 
Alta 
eficiencia 
Admite gran 
variedad de 
combustibles 
y de 
catalizadores 
Corrosión 
debida a las 
altas 
temperaturas 
Arranque lento 
Baja densidad 
de potencia 
 
DMFC 
Polímero 
sólido 
Platino 50-120 
1mw-
100kw 
20–30 
 (pila) 
10–20 
(sistema) 
Aplicaciones de 
pequeño 
tamaño(teléfonos 
móviles, 
ordenadores 
portátiles, etc.) 
Facilidad de 
transporte 
del metanol 
Alta densidad 
de potencia 
del metanol 
Baja eficiencia 
 
AFC 
Solución 
de 
hidróxido 
de potasio 
en agua 
Metales no 
preciosos 
105-245 
(10-
100)kw 
60-70 
(pila) 
62 
(sistema) 
Aplicaciones 
espaciales 
Aplicaciones 
militares 
Vehículos de 
transporte(menos 
extendido) 
Rendimiento 
alto 
Bajo coste de 
los 
componentes 
Sensible al co2 
del aire 
 
 
 
 
7 
 
3. Presenta dentro de tu investigación los siguientes elementos: 
• Tipo de aplicación. 
Las aplicaciones pueden ser de diferente tipo, como para vehículos espaciales como 
el apolo, vehículos de aplicaciones móviles, sistemas portátiles de baja potencia 
(ordenadores, teléfonos), centrales de ciclos combinado, submarinos, naves 
espaciales, vehículos eléctricos, bicicletas, calefacción y electricidad de bloques de 
departamentos, potencial estacionaria e industrial (combinación de calor y potencia). 
 
 
 
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• Funcionamiento del sistema explicando sus componentes y procesos que 
Necesita y Presenta esquemas y diagramas que faciliten su análisis y 
comprensión. 
 
Funcionamientode una unidad móvil: El sistema completo convierte la energía de 
hidrogeno en energía mecánica la cual consigue el movimiento en las ruedas. 
 
 
 
 
 
 
 
La pila de combustible convierte el oxígeno y el 
hidrógeno en electricidad y agua, el sistema que 
controla y gestiona esa energía, almacenándola 
en los supercapacitadores o bien utilizándola 
directamente para la propulsión. En los momentos 
en que el kart requiere la máxima potencia se 
suman la energía de la pila más la de los 
capacitadores para obtener picos de potencia. Los 
propios motores eléctricos funcionan como frenos, 
regenerando energía en las frenadas. 
 
Mientras, el agua es expulsada a la atmósfera, 
como único residuo. Tras unos minutos de carrera 
se producen únicamente poca cantidad de litros de 
agua. 
 
Los sistemas de los que se compone la unidad: 
 
 Sistema del hidrógeno: bombona de H2, 
elementos de seguridad de H2, pila de 
combustible. 
 
 Sistema electrónico: central de control, 
telemetría, visualización de datos en el volante, supercapacitadores, motores 
eléctricos. 
 
 Sistema mecánico: chasis, doble tracción trasera independiente, distribución 
de pesos central, volante, frenado 
 
 
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• Presenta las formulas y cálculos que necesitas para conocer su 
funcionamiento y como obtener su eficiencia a partir de la ecuación de la 
energía en régimen estacionario aplicada al volumen de control de una pila de 
combustible recomendable consultar LIBRO DE TERMODINÁMICA DEL WARK. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
El trabajo de la pila de combustible es internamente reversible, y se determina con 
el análisis de un sistema abierto. El calor transferido de la pila es resultado de un 
funcionamiento isotérmico. La ecuación de la energía en régimen estacionario 
aplicada al volumen de control de pila es: 
�̇���� = �̇���� � � ��ℎ�� −
����
� ��ℎ��
����
� − �̇ = �̇�����ℎ�����−ℎ������ − �̇ 
El balance de entropía para un volumen de control en régimen estacionario e 
isotermo es: 
0 =
�̇
�
+ �̇���� � � ���̅� −
����
� ���̅�
����
� =
�̇
�
+ �̇���� ��̅����−�̅����� 
Aplicando el balance de entropía en �̇ y sustituyendo el resultado en el balance de 
energía obtenemos la expresión de potencia eléctrica reversible. 
�̇���� = �̇���� �ℎ�����−ℎ������—�̇���� ���̅����−�̅����� 
 = �̇���� �ℎ�����−ℎ����� − ���̅����−�̅������ = �̇���� �∆ℎ�� − �∆�̅�� 
∆ℎ�� = �������� �� ������� 
∆�̅� = ������í� �� ������� 
 
Considerando la función de Gibbs donde g≡ ℎ −
�� ����� �� ����������� �� ��������� ∆� = ∆ℎ − �∆�, con esto se mide la variacion 
del trabajo eléctrico por mol de combustible: 
�̇���� = �̇���� ∆�̅� 
 
 
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El rendimiento ideal de una pila se define mediante la reacción �� =
∆���
∆���
 donde los 
valores de ∆�̅� � ∆ℎ�� se consideran con valores negativos. Cuando el 
funcionamiento es isotermo, ∆� = ∆ℎ − �∆�, por lo que quedaría �� = 1 −
�∆��
∆��
. 
 
Para evaluar el rendimiento ideal se necesita saber la entalpia de reacción ∆ℎ��, la 
variación de Gibbs de la relación ∆�̅� y la variación de entropía de la reacción ∆�̅�, a 
la temperatura dada. 
∆ℎ��,�= ∆ℎ��,���
� + ∑ ���ℎ��−ℎ������ −����
∑ ���ℎ��−ℎ���������� 
Considerando ∆�̅�,� se presenta: 
∆�̅�,� = � �� −
����
���,�
� − � ln
��
����
� − � ��
����
���,�
� − � ln
��
����
� 
 
La ecuación de entalpia de reacción, cuando las reacciones transcurren a la 
temperatura de referencia estándar de 298 k es: 
∆ℎ��,���
� = � ��∆ℎ��,.���.�
�
����
− � ��∆ℎ��,.���.�
�
����
 
Integrando la función de Gibbs, se obtiene la ecuación análoga (considerando de 
acuerdo a tabla A-23 1 atm y 25°C ó 77°F. 
∆�̅�,���
� = � ��∆�̅�,.���.�
�
����
− � ��∆�̅�,.���.�
�
����
 
 
 
El trabajo eléctrico es el producto de carga �� que atraviesa la pila por mol de 
combustible que reacciona, por el potencial electrostático ideal �� generado, es decir, 
����� =-����. La carga �� es igual al número de moles de electrones �� producidos 
en la reacción de la pula por mol de combustible que reacciona, multiplicando por el 
número de culombios (C) por el mol de electrones, � De ahí que �� = ��Ƒ, quedando: 
�̇����,���/�̇���� = ��Ƒ�� = ∆�̅� ∴ ��=
�∆���
��Ƒ
 ideal 
La cantidad de carga Ƒ recibe el nombre de Faraday. Su valor es: 
Ƒ =
6023�10�� ����������
��� ����������
 � 
1602�10��� �
����������
= 96.487 �/��� ���������� 
Si multiplicamos el valor por la identidad 1j=1V.C entonces: 
Ƒ = 96.487
��
�
. ���� �������� 
 
 
11 
 
Por lo que la ecuación se puede considerar como �� =
�∆���
��.�����
 ideal. Donde −∆�̅� se 
expresa en kJ/Kmol y �� �� �������. 
 
• Presentar una descripción de un sistema reactivo con ejercicio de cálculo de 
eficiencia de pilas combustible. 
 
Considere una pila de combustible de hidrogeno y oxigeno que contiene un electrolito 
acido, para una temperatura de 25 °C, y 
suponiendo que el agua formada en el cátodo 
como producto está toda en estado líquido, 
determínese el trabajo máximo de salida en 
kj/kmol de combustible, el rendimiento ideal y la 
fuerza electromotriz ideal 
�̇����,���
�̇���� 
=?; �� =? ; �� =? ; 1 ��� �� ������� 
Considerando los calores del estado en la Tabla A.23 tenemos que: 
�̇����,���
�̇���� 
= ∆�̅�,���
� = � ��∆�̅�,�
�
����
− � ��∆�̅�,�
�
����
= 1(−237.180) − 1(0) −
1
2
(0)
= −237.180 ��/���� 
 
Utilizando la tabla A.23 de la presión a 1 atm del ∆ℎ����
� 
∆ℎ��,���
� = � ��∆ℎ��,.���.�
�
����
− � ��∆ℎ��,.���.�
�
����
= 1(−285.830) − 1(0) −
1
2
(0)
= −285.830
��
����
. 
 
Utilizando la ecuación, donde el rendimiento ideal es 298 k queda: 
�� =
∆�̅�
∆ℎ��
=
−237.180
−285.830
= 0.830 = 83% 
 
Considerando el valor de �� es igual a 2 de acuerdo en las semirreacciones del 
ánodo o del cátodo, queda: 
 
�� =
�∆���
��.�����
= 
�(����.���)
��.��� (�)
= 1.23 V 
 
 
 
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• Conclusiones. 
 
Las reacciones químicas que se generan en las baterías contribuyen de gran manera 
y eficiencia en nuestra vida cotidiana, hay muchos aparatos que requieren de este 
equipo para funcionar mejor. El caso de las reacciones químicas para generar 
energía presenta una gran ventaja ya que contaminan menos el ambiente. 
Bibliografía 
http://ocw.uc3m.es. (s.f.). Obtenido de Pilas de Combustible: 
http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/ceramicas-y-vidrios/bloque-
iv/pilas_de_combustible-1.pdf 
http://www.sc.ehu.es. (28 de 11 de 2009). Obtenido de Pilas de combustible: 
http://www.sc.ehu.es/sbweb/energias-renovables/temas/pilas_1/pilas_1.html 
https://es.wikipedia.org/. (25 de 02 de 2019). Obtenido de Pila de combustible: 
https://es.wikipedia.org/wiki/Pila_de_combustible 
Jr., K. W. (2001). Termodinamica Sexta edicion. En K. W. Jr.. Madrid: McGRAW 
HILL. 
Randiano, A. (23 de 11 de 2014). https://www.burbuja.info. Obtenido de Burbuja: 
https://www.burbuja.info/inmobiliaria/threads/no-pasar-frio-en-casa-para-
pobres-lonchafinistas-y-un-mundo-post-peak-oil.595626/ 
Solano, G. (23 de 02 de 2015). http://psicroutp.blogspot.com. Obtenido de 
Psicrometría : psicroutp.blogspot.com/2015/02/deshumidificacion.html 
UNADM. (2019). https://unadmexico.blackboard.com. Obtenido de Termodinamica 
2: 
https://unadmexico.blackboard.com/bbcswebdav/institution/DCSBA/Bloque%
201/ER/03/ETER2_300518/U3/U3Mezclasnoreactivasyreactivas.pdf 
uvigo. (26 de 01 de 2012). https://www.youtube.com. Obtenido de Pilas de 
combustible: https://www.youtube.com/watch?v=I6EKAH0b69s