Equilibrio de fases E-Book

Adolfo Eduardo Obaya Valdivia

• Herausgeber: UNAM, Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Spanisch

Seitenzahl: 170

Veröffentlichungsjahr: 2023

Beschreibung

Este libro está diseñado para que los estudiantes de las carreras de química, bioquímica diagnóstica, ingeniería química, farmacia, ingeniería en alimentos, química industrial y otras afines comprendan los principios básicos del equilibrio de fases mediante el aprendizaje de conceptos, desarrollo de habilidades y su aplicación en la resolución de problemas. El lector encontrará en el texto una serie de preguntas que lo harán reflexionar —denominadas actividades complementarias— que fomentan el desarrollo de competencias complementarias basadas en ejercicios de investigación. Es recomendable que el estudiante responda las preguntas antes de continuar la lectura, pues ello le será de gran utilidad en el aprendizaje de la materia. También se incluyen cuestionarios de autoevaluación que con la resolución de los problemas propuestos, permitirán que el lector pueda medir su grado de avance.

Leseprobe

La competencia se refleja en la forma en la que cualquier persona utiliza sus recursos personales, como las habilidades, las actitudes, los conocimientos y las experiencias, para actuar de manera activa y responsable en la construcción de su proyecto de vida tanto personal como social.

“Dígame y olvido, muéstreme y recuerdo. Involúcreme y comprendo”.

(Proverbio chino)

Presentación

Este libro está diseñado para que los estudiantes de las carreras de química, bioquímica diagnóstica, ingeniería química, farmacia, ingeniería en alimentos, química industrial y otras afines comprendan los principios básicos del equilibrio de fases mediante el aprendizaje de conceptos, desarrollo de habilidades y su aplicación en la resolución de problemas.

El lector encontrará en el texto una serie de preguntas que lo harán reflexionar —denominadas actividades complementarias— que fomentan el desarrollo de competencias complementarias basadas en ejercicios de investigación. Es recomendable que el estudiante responda las preguntas antes de continuar la lectura, pues ello le será de gran utilidad en el aprendizaje de la materia. También se incluyen cuestionarios de autoevaluación que con la resolución de los problemas propuestos, permitirán que el lector pueda medir su grado de avance.

Agradecemos la atención y cuidado que muestren los lectores al utilizar este material. Esperamos nos indiquen las fallas, erratas e inexactitudes halladas durante la lectura. Esto permitirá mejorar la presente edición y publicar una mejor versión del libro en el futuro.

Resolución de problemas

Con frecuencia se define al profesional del área de la química como un profesional orientado a la resolución de problemas. Tal aseveración se basa en su actitud interdisciplinaria y pragmática, orientada a encontrar soluciones, lo que hace indispensable, dentro de la formación profesional, el desarrollo formal de la habilidad para la solución de problemas y la aplicación de los conocimientos adquiridos en casos concretos del mundo real.

Para lograr dicho objetivo, es útil que el profesor acostumbre a los alumnos a resolver diferentes tipos de problemas con niveles de complejidad variable:

•Aplicación de rutinas enfocadas en seguir una serie de pasos que llevan a una solución única

•De diagnóstico de las rutinas, indispensable para la solución de un problema particular

•De estrategia de selección, para que dentro de varios caminos posibles, dé el más adecuado para resolver un problema dado

•De interpretación de la información del mundo real, para aplicarla a la solución de problemas

•De generación de nuevas rutinas y caminos para resolver problemas, lo que conlleva al desarrollo de la creatividad

Con base en la estrategia de enseñanza de grupo cooperativo, es recomendable al inicio del curso fijar metas a los alumnos en lo que se refiere a su capacidad de solución de problemas de grado superior de dificultad, tomando como referencia los diferentes tipos de problemas, en los que pueden seleccionarse diversos grados de dificultad, que deben ser resueltos por los alumnos con base en las metas establecidas.

La organización de un curso bajo estos lineamientos demanda del maestro mayor tiempo y dedicación, así como contar con una preparación pedagógica sólida que se sume a su formación en la especialidad. Sin embargo, vale la pena todo el esfuerzo y el trabajo empleados para lograrlo.

ÍNDICE

1. EQUILIBRIO DE FASES

2. INTRODUCCIÓN

3. EDUCACIÓN BASADA EN COMPETENCIAS

3.1 Conceptualización de competencia

3.2 Educación basada en competencias

3.3 Competencias y desempeño

3.4 Sociedad de la información

3.5 Competencias y habilidades

3.6 Objetivos y resultados

3.7 Conocimientos

3.8 Habilidades y competencias

3.9 Valores

3.10 Evaluación tipo PISA

3.11 Competencia lectora

3.12 Competencia matemática

3.13 Competencia científica

3.14 Conclusiones y recomendaciones

3.15 Tablas de competencias

4. EQUILIBRIO TERMODINÁMICO

5. POTENCIAL QUÍMICO

5.1 Potencial químico de un gas y su estado de referencia

5.2 Potencial químico de gases reales

6. POTENCIAL QUÍMICO Y ESTABILIDAD DE LAS FASES

6.1 Estabilidad de las fases de sustancias puras

6.2 Potencial químico y temperatura

6.3 Potencial químico y cambios de presión

7. REGLA DE LAS FASES DE GIBBS

7.1 Definiciones

7.2 Deducción de la regla de las fases

7.3 Problemas resueltos

7.4 Problemas propuestos

8. EQUILIBRIO DE FASES EN SISTEMAS DE UN COMPONENTE

8.1 Entalpías y entropías de los cambios de fase

8.1.1 Regla de Trouton

8.2 Ecuación de Clapeyron

8.3 Ecuación de Clausius-Clapeyron

8.4 Ecuación de Antoine

8.5 Aplicación de los diagramas de fases

8.6 Problemas resueltos

8.7 Problemas propuestos

9. EQUILIBRIO DE FASES EN SISTEMAS BINARIOS Y PROPIEDADES COLIGATIVAS

9.1 Sistemas con soluto no volátil y disolvente volátil

9.2 Propiedades coligativas

9.2.1 Disminución de la presión de vapor

9.2.2 Disminución del punto de congelación

9.2.3 Aumento del punto de ebullición

9.2.4 Presión osmótica

9.2.5 Observación de las propiedades coligativas en la naturaleza

9.2.6 Aplicaciones de las propiedades coligativas

9.3 Problemas resueltos

9.4 Problemas propuestos

10. EQUILIBRIO DE FASES EN SISTEMAS BINARIOS: LÍQUIDO-VAPOR, LÍQUIDO-LÍQUIDO Y SÓLIDO-LÍQUIDO

10.1 Sistemas con soluto y disolvente volátiles

10.2 Equilibrio líquido-vapor

10.3 Equilibrio líquido-líquido

10.4 Equilibrio sólido-líquido

10.5 Problemas resueltos

11. EQUILIBRIO DE FASES DE TRES COMPONENTES

11.1 Tipos de sistemas ternarios

12. SOLUCIÓN A PROBLEMAS SELECTOS

Apéndice A

13. REFERENCIAS

14. BIBLIOGRAFÍA

AVISO LEGAL

1.Equilibrio de fases

Existen en la literatura numerosas obras especializadas en el estudio del equilibrio de fases y muchas de estas son extensas, rebasando las necesidades del estudiante. Es por ello que este libro está dirigido a estudiantes de las carreras pertenecientes al área de Ciencias Químicas que cursan los primeros semestres de las licenciaturas de Química, Química Industrial, Ingeniería en Alimentos, Bioquímica Diagnóstica, Ingeniería Química y Farmacia.

Se describe aquí la termodinámica del equilibrio de fases con apoyo en la enseñanza basada en competencias, logrando que al finalizar el estudio del texto, el estudiante adquiera la capacidad para resolver problemas utilizando sus propias habilidades y los conocimientos adquiridos.

En este libro se analizan las condiciones de equilibrio a varias temperaturas y presiones, partiendo del criterio que dice que para el equilibrio entre dos fases es necesario que el potencial químico sea el mismo en ambas. Este criterio permite comprender la termodinámica de la presión de vapor. Asimismo, se estudian la ecuaciones de Clapeyron y Clausius-Clapeyron, las cuales describen la variación de la presión con respecto a la temperatura, aspectos importantes a tratar en los sistemas líquido-vapor.

Una vez que se analizan los sistemas de un solo componente, se describen sistemas de dos o más, los cuales forman soluciones ideales. En el estudio de estos sistemas se considera importante el desarrollo de la Ley de Raoult, la cual permite el cálculo de presiones de vapor para el disolvente en función de la composición que presente en la disolución.

Para las mismas condiciones de equilibrio puede verse cómo afecta la cantidad de soluto en las propiedades del disolvente. Tales propiedades se conocen como propiedades coligativas, disminución de la presión de vapor, disminución del punto de congelación, aumento del punto de ebullición y presión osmótica.

También se describen brevemente las diferentes formas de representar los equilibrios de fases en sistemas de uno y dos componentes, finalizando con sistemas de tres, para lo cual se utilizarán diagramas de fases.

2.Introducción

En el ámbito mundial la educación ha sufrido una profunda transformación, ya que los cambios tecnológicos y sociales contribuyen en gran escala a modificar la ideología y la forma de vida de los seres humanos.

Por tanto, es necesario cambiar la actitud del sujeto y su disposición al trabajo interdisciplinario, de ello depende en gran medida el éxito de la adaptación a la nueva era.

En los últimos años, muchos aspectos de la vida cotidiana han cambiado con el desarrollo de las nuevas tecnologías y el acceso mucho más rápido a la información; este último factor ha provocado un cambio radical en los sujetos del proceso enseñanzaaprendizaje en relación con sus papeles a desempeñar en dicho proceso (Gordillo & Osorio, 2003).

La UNESCO (1998) expresa que es necesario propiciar el aprendizaje permanente y la construcción de las competencias adecuadas para contribuir al desarrollo cultural, social y económico de la sociedad.

Asimismo, señala que las principales tareas de la educación superior han estado y estarán ligadas a cuatro de sus funciones principales:

•Una generación con nuevos conocimientos (las funciones de la investigación).

•El entrenamiento de personas altamente calificadas (la función de la educación).

•Proporcionar servicios a la sociedad (la función social).

•La crítica social (que implica la función ética).

Los países latinoamericanos deben estar preparados para tal efecto, por ello los docentes de la región deben comprender los principios bajo los cuales se está gestando este nuevo modelo de educación centrado en competencias, rompiendo paradigmas y beneficiando con ello la construcción del propio conocimiento por parte del estudiante, lo que le permitirá no sólo resolver ejercicios tipo, sino tener diversas competencias (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que le permitan encontrar la solución a problemas reales en cualquier momento.

Uno de los objetivos del presente libro es aplicar la educación basada en competencias en el estudio del equilibro fases mediante una breve descripción teórica de las ecuaciones termodinámicas que representan dicho equilibrio en sistemas de un componente y sistemas multicomponentes.

Otro de los objetivos planteados es utilizar este libro como material de apoyo didáctico para los profesores que imparten asignaturas que contemplan el tema de equilibrio y estabilidad de las fases, así como en propiedades coligativas. Para lograr este objetivo, el libro guarda un orden lógico y secuencial para facilitar al estudiante la comprensión de los temas mediante la resolución de problemas. El énfasis de los ejemplos se centra en diferentes áreas del conocimiento tales como química, bioquímica, ingeniería química y farmacia.

3.Educación basada en competencias

3.1. Conceptualización de competencias

Definiremos como competencias aquellas acciones que hacen referencia a la capacidad individual demostrada para ejecutar; por ejemplo, la posesión del conocimiento, destrezas y características personales que se necesitan para satisfacer las demandas especiales o requerimientos de una situación particular.

Spitzberg (1983) propone cuatro postulados para especificar una competencia:

1.La competencia es contextual. En la relación interpersonal, una conducta puede ser competente en un contexto (relacional, cronológico, ambiental, etc.) e incompetente en otro.

2.La competencia está referida a la pertinencia y la efectividad. Efectividad es un concepto relacionado con los resultados, y el logro de resultados exige ejecución.

3.La competencia se juzga con referencia a un continuo de efectividad y pertinencia. La competencia no se concibe apropiadamente como una dicotomía existe-no existe, sino como un fenómeno graduado en el que los individuos son más o menos competentes.

4.La competencia es funcional, lo que es decir que la competencia es hacer más que saber.

El concepto de competencia, tal y como se entiende en la educación, resulta de las nuevas teorías de cognición y básicamente significa “saberes de ejecución”. Puesto que todo proceso de “conocer” se traduce en un “saber”, entonces es posible decir que son recíprocos competencia y saber: saber pensar, saber desempeñar, saber interpretar, saber actuar en diferentes escenarios, desde sí y para los demás (dentro de un contexto determinado).

A partir de las teorías del lenguaje, Ajzen (1988) instaura el concepto y define las competencias como “la capacidad y disposición para el desempeño y la interpretación”.

3.2. Educación basada en competencias

Podemos definir la educación basada en competencias como un sistema educativo que enfatiza la especificación, el aprendizaje y la demostración de aquellas competencias (conocimientos, habilidades, actitudes y valores) que son de importancia central para la ejecución de una tarea, actividad o carrera dada.

Es necesario diferenciar entre saber y conocimiento. Usar saberes como los datos, principios, leyes, teorías, etc., que en el plano individual pueden ser retenidos en la memoria transitoria o duradera que es conveniente. Sin embargo, lo importante radica en que la mera retención de los saberes se traduce en reportes verbales que puede producir el individuo, pero no necesariamente en capacidad de hacer. Es decir, la utilización de los saberes para hacer no es automática, sino que requiere de un tipo adicional de aprendizaje (Coll, 1990).

La educación basada en competencias se centra en las necesidades, estilos de aprendizaje y potencialidades individuales para que el alumno llegue a manejar con maestría las destrezas señaladas por la industria (Bennett & Kennedy, 2001). Formula actividades cognoscitivas dentro de ciertos marcos que respondan a determinados indicadores establecidos y asienta que deben quedar abiertas al futuro y a lo inesperado.

De esta manera, es posible decir que una competencia en la educación es una convergencia de los comportamientos sociales, afectivos y de las habilidades cognoscitivas, psicológicas, sensoriales y motoras que permiten llevar a cabo un papel, un desempeño, una actividad o una tarea de manera adecuada.

Podemos evidenciar el conocimiento individual por medio de las competencias que desarrolla el estudiante como resultado de la acción escolar. El conocimiento individual comprende los siguientes elementos: los saberes, la percepción, la praxis y los valores.

3.3. Competencias y desempeño

El desempeño en la educación está determinado por una manifestación externa que evidencia el nivel de aprendizaje del conocimiento y el desarrollo de las habilidades y valores del alumno. El resultado del desempeño es un fin planificado que también requiere se planifique el desarrollo de ciertas habilidades y destrezas específicas, elegidas según el objetivo deseado.

La intención que se da a la competencia es desempeñar o producir algo para sí y para los demás, esta intención se vincula con la estructura cognoscitiva de quien lo desempeña o produce y con las normas o criterios de quienes lo evalúan y lo interpretan. La construcción de competencias debe realizarse desde el marco conceptual de la institución y desde las metodologías que las determinen. El producto o desempeño debe presentarse de acuerdo con los términos o criterios de las exigencias de calidad que previamente se habrán acordado o establecido para la presentación o el desempeño.

En la educación basada en competencias quien aprende lo hace al identificarse con lo que produce, al reconocer el proceso que realiza para construir y las metodologías que utiliza. Al finalizar cada etapa del proceso se observan y evalúan las competencias que el sujeto ha construido.

La educación basada en competencias es un enfoque sistemático del conocer y del desarrollo de habilidades; se determina a partir de funciones y tareas precisas. Se describe como un resultado de lo que el alumno está capacitado para desempeñar o producir al finalizar una etapa. La evaluación determina específicamente aquello que el estudiante va a desempeñar o construir y se basa en la comprobación de que es capaz de construirlo o desempeñarlo.

La educación basada en competencias se refiere a una experiencia práctica que se enlaza a los conocimientos para lograr un fin. La teoría y la experiencia práctica se vinculan utilizando la primera para aplicar el conocimiento a la construcción o desempeño de algo. Desde el currículum, la educación basada en competencias se centra en:

•Los conocimientos

•Las habilidades

•Las actitudes inherentes a una competencia (actitudes o comportamientos que respondan a la disciplina y a los valores)

•La evaluación de los logros mediante una demostración del desempeño o de la elaboración de un producto

Para ello deben tomarse en cuenta: el diseño de la enseñanza-aprendizaje; las competencias que se van a construir; las disciplinas como marco de referencia del aprendizaje; las habilidades a desarrollar; la promoción de actitudes relacionadas con los valores y con las disciplinas; los procesos; los programas de estudio orientados a los resultados; el diagnóstico; la evaluación inserta en el aprendizaje en múltiples escenarios y en diversas situaciones, basada en el desempeño y como una experiencia acumulativa; la retroalimentación; la autoevaluación; los criterios que se utilicen para evaluar los desempeños o resultados; y el seguimiento y la interacción social.

3.4. Sociedad de la información

La educación basada en competencias es una nueva orientación educativa que pretende dar respuestas a la sociedad de la información. Para poder participar en esta nueva era, las instituciones de nivel superior deberán generar productos de aprendizaje, servicios y experiencias que coincidan con los parámetros en tiempos, responsabilidades, consumos, coherencia y conveniencia de la sociedad de la información. Estos productos de aprendizaje deberán ser capaces de desplazarse; para crearlos se necesitarán nuevas culturas académicas y otras diferentes a las que ahora existen (Talanquer, 2006; Talanquer, et al., 2007). Las principales características de la sociedad de la información son las que siguen:

•La economía dirigida por conocimientos globales

•La comunicación como directiva

•El aprendizaje como fuente de un atributo sostenido y competitivo

•La información compartida contra el atesoramiento del conocimiento

Así en el nuevo enfoque educativo, las principales tendencias de las propuestas curriculares se orientan a la:

•Polivalencia

•Flexibilidad

•Pertinencia y factibilidad

•Carácter

•Reducción de la carga académica

•Menor presencia

•Una educación integral

•Énfasis en lo básico

•Conciliar objetivos técnicos y propósitos sociales

•Estructuras curriculares que incorporen las tendencias mundiales

•Mejora de la planta docente (nuevas funciones del profesor)

•Cambio de la infraestructura física

•Compatibilidad con estándares internacionales

De este modo, el aprendizaje basado en competencias propone la formación de profesionales, considerando básicamente que su formación requiere transformarse para dirigirse a una preparación profesional básica que facilite especializaciones sucesivas, mayor capacidad de adaptación y versatilidad, que permita una movilidad profesional y posteriores reconversiones laborales, para lo cual conviene modificar la educación en todos los niveles.

Este enfoque define el perfil del nuevo trabajador:

•Exige una combinación de competencias cognoscitivas de base, de comportamiento profesional y técnicas específicas; la capacidad permanente para adaptarse al cambio y al propio acervo de las competencias, las de gestión y de desarrollo.

•Un trabajador polivalente, flexible, con la capacidad para adaptarse a diferentes contextos, que tienda a perfeccionarse para reconvertir sus competencias.

El enfoque de aprendizaje por competencias centra su atención en el proceso desde parámetros constructivistas, y extiende la necesidad de los estudiantes de llevar la transferencia de los conocimientos no sólo a contextos inmediatos, sino a la vida misma, a lo que viven aquí y ahora, pero también a lo que necesiten para ser capaces de potenciar su vida futura. Es decir, se trata de contenidos útiles para la vida.

3.5. Competencias básicas y habilidades

Los modelos más consolidados en Australia, Canadá y Estados Unidos de Norteamérica han propuesto ocho competencias básicas, con las cuales se pueden agrupar diferentes habilidades.

En su totalidad las competencias básicas o genéricas (tablas 1-5), apoyan la práctica profesional y se han aplicado internacionalmente en la educación y en los ambientes laborales. Se ajustan a diferentes situaciones, circunstancias y ambientes. Especifican y resumen las habilidades necesarias que el alumno requiere para incorporarse a la práctica profesional y desempeñarla efectiva y eficazmente (Gardner, 1998).

Las competencias son el eje de los nuevos modelos de educación y se centran en el desempeño. Ser competente o mostrar competencia en algo implica una convergencia de los conocimientos, las habilidades, los valores y no la suma de éstos. La convergencia de estos elementos es lo que da sentido, límites y alcances a la competencia.

En términos pedagógicos centrar los resultados en el desempeño implica modificar no sólo el tipo de diseño curricular, sino también las prácticas de enseñanza y evaluación que tradicionalmente se habían centrado en la información que el estudiante almacenaba. En definitiva, se trata de primar el producto del proceso y no únicamente el proceso, pues interesa —además de la dinamización de las ideas referidas a la temática del problema— llegar a una determinada solución (Bennett, 1991; Rugarcía, 2000; Bennett & Kennedy, 2001).

Hoy en día se proponen diferentes esquemas con una diversificación de situaciones de aprendizaje y evaluación que permitan al estudiante adoptar un papel activo de manera que pueda ejercer sus conocimientos, habilidades y conductas en situaciones en las que este conjunto de aprendizajes se combine de distintas formas. Asimismo, no podrá separarse el saber del saber hacer, el esfuerzo quedará centrado en los resultados en los que ambos se integran.

3.6. Objetivos y resultados

Para expresar los propósitos educativos (UNESCO, 1998) es preferible utilizar, en vez del vocablo tradicional “objetivos”, el término más actual “resultados”, porque define con mayor claridad las metas del aprendizaje y las prácticas básicas y avanzadas de la disciplina. El término objetivo implica intención y el término competencia implica resultado.

El término objetivos ha sido utilizado tradicionalmente con un enfoque en los modos del aprendizaje y en la orientación del estudiante para que aprenda contenidos. Por lo común el vocablo no refleja las habilidades relacionadas con la práctica ni tampoco muestra el desempeño para cuya ejecución fue necesario que el alumno aprendiera los contenidos (Bigelow, 1995).

Resultados son los frutos obtenidos, el final del producto, el foco de todas las actividades relacionadas. Asimismo, requieren que se hayan construido competencias y desarrollado las habilidades que les conciernen, además de que el estudiante se haya comprometido y hecho competente en las habilidades que utilizará en su práctica profesional.

3.7. Conocimientos

Se pueden dividir en generales, específicos y de la disciplina