2017-I
Fecha de realización:21-0 realización :21-04-17 4-17
Fecha de entre
¨ Añ od e l B u e nS e r v i c i oa l Ci u d a d a n o ¨
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA GEOLÓGICA, MINERA Y METALÚRGICA
INFORME 1er Laboratorio de Química II Q114-!
Ing" #$itlana #e%&ede% 'al(ar%el
TERMODINAMICA QUIMICA Integrante%: )uadro% *edina+ ,air *iguel 2014./1) )huuillanui uaman+ ,amir )ua 3umachahua+
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LI*5 6 39
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2017-I INDICE CONTENIDO PAG. I" II" III" I'"
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INTRODUCCIÓN El calor es una forma de energía. La temperatura de un sistema es una propiedad del mismo que determina si que-dará o no en equilibrio térmico cuando se pone en contacto con cualquier otro sistema. Supóngase que el sistema A, a temperatura superior a la de B, es puesto en contacto con este. na !e" alcan"ado el equilibrio térmico, se encuentra que A #a e$perimentado una disminución % B un aumento de temperatura. &e esta manera decimos que entre dos cuerpos que se encuentran en estas condiciones e$iste un flu'o de energía, a la que llamamos calor. Entonces tenemos
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que el calor es la energía trasferida entre dos sistemas % que está e$clusi!amente relacionada con la diferencia de temperatura e$istente entre ellos.
Esta práctica trata de la calorimetría, por eso debemos saber que es calorimetría. na definición sencilla dice que la calorimetría se encarga de medir el calor en una reacción química o un cambio físico usando un calorímetro. La calorimetría indirecta calcula el calor que los organismos !i!os producen a partir de la producción de dió$ido de carbono % de nitrógeno (urea en organismos terrestres), % del consumo de o$ígeno.
OBJETIVOS &ar a conocer al estudiante, la aplicación de los criterios termodinámicos relacionados con los cambios térmicos que acompa*an las reacciones químicas, así como los cambios de energía que e$perimentan los procesos físicos. Las aplicaciones específicas en esta práctica corresponden a la determinación de+ L55!I ;1
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La capacidad calorífica de un calorímetro El calor especifico de los metales El calor de disolución de algunas sales usando un calorímetro El calor de neutrali"ación de una reacción acido-base alor latente de !apori"ación
FUNDAMENTO TEÓRICO E/0&123/1A Es la rama de la física encargada de describir los estados de equilibrio a ni!el macroscópico además permite predecir si una reacción o un proceso en particular puede lle!arse a cabo en determinadas condiciones.
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LEYES DE LA TERMODINÁMICA: 1ra ley de la termodinámica: En mecánica la energía se conser!a si las fuer"as son conser!ati!as % no act4an fuer"as como la fricción. En ese modelo no se inclu%eron los cambios de energía interna del sistema. La primera le% de la termodinámica es una generali"ación de la le% de conser!ación de la energía que inclu%e los posibles cambios en la energía interna. Es una le% !álida en todo el ni!erso % se puede aplicar a todos los tipos de procesos, permite la cone$ión entre el mundo macroscópico con el microscópico. onsiderar un sistema termodinámico donde se produce un cambio desde un estado inicial i a otro final f, en el cual se absorbe o libera una cantidad 5 de calor % se reali"a traba'o 6 por o sobre el sistema. Si se mide e$perimentalmente la cantidad 5 7 6 para diferentes procesos que se realicen para ir desde el estado inicial al estado final, se encuentra que su !alor no cambia, a esta diferencia de 5 7 6 se le llama cambio de energía interna del sistema. Aunque por separados 5 % 6 dependen de la tra%ectoria, la cantidad 5 7 6, esto es, el cambio de energía interna es independiente de la tra%ectoria o del proceso que se realice para ir desde el estado inicial al estado final. 8or esta ra"ón se considera a la energía interna como una función de estado, que se mide en 9 % se simboli"a por , el cambio de energía interna es : ; f 7 i, entonces se puede escribir la primera le% de la termodinámica+ : ; f 7 i ; 5 7 6
2da ley de la termodinámica+ La cone$ión entre la entropía % la espontaneidad de una reacción queda e$presada en la segunda ley de la termodinámica + la entro!a del "ni#er$o a"menta en "n roce$o e$ontáneo y $e mantiene con$tante en "n roce$o %"e $e enc"entra en e%"ili&rio. &ebido a que el uni!erso está constituido por el sistema % su entorno, el cambio de entropía del uni!erso (
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la $"ma de los cambios de entropía del sistema (< Ssist) % de sus alrededores ( ? 8ara un proceso en equilibrio+
son+ El primer término considera la capacidad calórica a presión constante del agua sólida, el segundo término corresponde al cambio de estado donde Los términos que se consideran en el cálculo de la entropía absoluta para el agua a FGD % atm &J f es el calor de fusión % f la temperatura de fusión del agua a atm de presión. El tercer término corresponde a la capacidad calórica del agua L55!I ;1
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líquida a presión constante. En esta ecuación se está despreciando el efecto de la presión sobre la entropía para el sistema sólido % líquido.
CALORIMETR'A: ama de la física que se encarga de estudiar el comportamiento térmico de los cuerpos. •
CALOR: es la energía en tránsito (en mo!imiento) entre F cuerpos o sistemas, pro!eniente de la e$istencia de una diferencia de temperatura entre ellos. (nidade$ de Cantidad de Calor )*+: Las unidades de cantidad de calor (5) son las mismas unidades de traba'o (). Calor!a: es la cantidad de calor necesaria para aumentar la temperatura de gramo de agua de K,G a G,G a la presión de atmósfera (8resión normal).
•
Calor e$ec!,ico de "n c"ero: es la ra"ón o cociente entre la capacidad térmica () de un cuerpo % la masa (m) de dic#o cuerpo. Además, en el calor específico se debe notar que es una característica propia de las sustancias que constitu%e el cuerpo, en tanto que la capacidad térmica () depende de la masa (m) % de la sustancia que constitu%e el cuerpo. C...calor específico (en calMg.).
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Ec"aci-n ,"ndamental de la calorimetr!a
5... cantidad de calor m... masa del cuerpo c... calor específico del cuerpo
O&$er#aci-n:
8ara que el cuerpo aumente de temperaturaN tiene que recibir calor, para eso la temperatura t f debe ser ma%or que la temperatura t o N % recibe el nombre de calor recibido. tf > to O calor recibido (5 > ?)
8ara disminuir la temperaturaN tiene que ceder calor, para eso la temperatura tf debe ser menor que la temperatura t o N % recibe el nombre de calor cedido. tf P to O calor cedido (5 P ?)
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.rinciio$ de la Calorimetr!a: 1er Principio+
uando F o más cuerpos con temperaturas diferentes son puestos en contacto, ellos intercambian calor entre sí #asta alcan"ar el equilibrio térmico. Luego, considerando un sistema térmicamente aislado, QLa cantidad de calor recibida por unos es igual a la cantidad de calor cedida por los otrosQ.
2do Principio+
QLa cantidad de calor recibida por un sistema durante una transformación es igual a la cantidad de calor cedida por él en la transformación in!ersaQ.
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•
apacidad calorífica molar+ Es la energía calorífica necesaria para aumentar R o D la temperatura de un mol de cualquier sustancia. En este caso, la transferencia de calor será+
Q= n·ΔT·Cm
&onde+ n ; n4mero de moles m ; capacidad calorífica molar < ; f 7 i (temperatura final menos temperatura inicial del sistema)
abe destacar que para el caso de sólidos % líquidos, la capacidad calorífica específica % la capacidad calorífica molar son iguales si el proceso se reali"a a presión constante como o reali"a a !olumen constante. 2o obstante, en el caso de los gases, estos parámetros !arían, lo cual se indica con un subíndice ! % p para el proceso a ;cte % 8;cte respecti!amente+ !, p, m!, mp, por lo que si en un e'ercicio debemos calcular el calor transferido en el caso de un gas nos deben indicar si el proceso es isocoro o isobárico.
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•
•
alor de reacción+ Es la cantidad de calor que se desprende o se absorbe durante una reacción química. Se debe a la diferencia de entalpia resultante de los productos % de los reaccionantes a una determinada temperatura % a una presión constante. Los calores de reacción pueden ser de formación, de combustión, de neutrali"ación, de disolución, de fusión, de !apori"ación % de sublimación.
alor de neutrali"ación+ El calor de neutrali"ación es definido como el calor producido cuando un equi!alente gramo de ácido es neutrali"ado por una base. El calor de neutrali"ación tiene un !alor apro$imadamente constante, en la neutrali"ación de un ácido fuerte con una base fuerte, %a que en esta reacción se obtiene como producto en todos los casos un mol de agua, que es formada por la reacción+
J= = 0JJT0= = 0J-
•
JF0 FJF0
alor de disolución+ Es el calor absorbido o desprendido cuando mol de soluto se disuel!e en una cantidad adecuada de sol!ente para obtener una solución de determinada concentración. El calor de disolución depende del n4mero de moles del soluto % sol!ente a determinada presión % temperatura.
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.ARTE E/.ERIMENTAL ELA102 &E /AE1ALES+ •
alorímetro
/ec#ero de bunsen
•
•
8iseta
8robeta
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F
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8in"a para tubo de ensa%o
tubos de ensa%os
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•
8in"a para !aso precipitado
•
aso precipitado
E/.ERIMENTO 1: Determinaci-n de la caacidad calor!,ica del calor!metro 8rocedimiento+ 8ara esta e$periencia utili"amos como calorímetro un ermo, si no dispone de preparar de ello, preparar el calorímetro cubriendo un !aso de FG? ml en toda su superficie e$terna, con papel platinado de manera que la superficie platinada se !ea #acia el interior del !aso. LuegoN colocar el !aso preparado, dentro de un !aso de FG? ml cu%o fondo contenga una placa de tecnoporn como aislante. &ebe de disponerse de una tapa adecuada con dos orificios por el cual pasará un termómetro % un agitador alámbrico. 8rocedemos a medir e$actamente G? ml de agua destilada fría, !ertemos al calorímetro % anotamos su temperatura el cual nos da 1 = 2!"#$ C% Llenar en otro !aso, GG ml de agua % lo lle!amos #asta la ebullición. etiramos el !aso del mec#ero. erter agua #er!ida al calorímetro inmediatamente, pero antes procedemos a medir su temperatura, el cual nos da 2 = &1"'$ C% Jomogeni"amos el sistema agitando sua!emente la me"cla % registramos la temperatura, el cual nos da m = #'$ C, procedemos a medir el !olumen de la me"cla que resulta ser HG ml.
Cálc"lo$ y re$"ltado$: L55!I ;1
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&atos+ t 1
; FU,G
N
v1
; G? ml
t 2
; H,F
N
v2
; GG ml
t m
; GT
Q1
V Q3 + alor ganado por el agua fría % el calorímetro respecti!amente.
Q2
+ alor cedido por el agua caliente.
m1
V m + /asa en gramos de agua fría % agua caliente respecti!amente.
t 1
2
, t % t m + La temperatura del agua fría, agua caliente % el agua resultante de 2
la me"cla, repecti!amente en grados centígrados.
C C
+ apacidad calorífica del calorímetro.
Q 1 + Q 2+ Q 3= 0 m1 Ce H 2O ( t m− t 1 ) + m2 Ce H 2 O ( t m −t 2) + C C ( t m−t 1 )=0 ; m h=V h ρ H 2O
50 ml x 1
g cal g cal x 1 x ( 53 −27,5 ) ℃ + 55 ml x 1 x 1 x (53 −91,2 ) ℃ + C C ( 53 −27.5 ) ℃ =0 ml g℃ ml g℃
C C =32,39
cal ℃
(Capacidad calorífica del calorímetro )
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E/.ERIMENTO 2 Determinaci-n del calor e$ec!,ico de "n metal0 8rocedimiento+ 8rocedemos a medir G? ml de agua destilada en el calorímetro % anotar la temperatura, el cual nos da t 1 = 2("1$C% 8esamos FT.W gramos de metal de plomo % lo ponemos en un tubo de prueba !acío de F? $ G? mm. olocar una tapa para e!itar salpicaduras de agua dentro del tubo. olocamos el tubo de prueba que contiene dic#o metal, dentro de un !aso que contiene agua de ca*o, % procedemos a calentar el agua del !aso a ebullición durante un tiempo de G a minutos con el fin de que el metal dentro del tubo
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adquiera la temperatura del agua en ese instante medimos la temperatura del agua en el !aso #ir!iendo, el cual nos da t = &&$% 8rocedemos a transferir el metal al colorímetro, agitamos sua!emente con el 2
termómetro % registrar este dato como t m = 2&"1$C%
Cálc"lo$ y re$"ltado$: &atos+ t 1
D /0E)
v1
D .0 ml
t 2
D B.E)
m2
D 10 g
t m
D /2E)
C C =32.39
)alGE)
&onde+ Q1
V Q3 + alor ganado por el agua fría % el calorímetro respecti!amente.
Q2
+ alor cedido por el metal caliente.
m1
V m + /asa en gramos de agua fría % masa en gramos del metal caliente en 2
estudio, respecti!amente. t 1
, t % t m + emperatura del agua fría, temperatura del metal caliente % el 2
agua resultante de la me"cla, respecti!amente en grados centígrados. C C
+ apacidad calorífica del calorímetro en calM #allado en la primera
e$periencia. Q 1 + Q 2+ Q 3 = 0 m1 Ceagua ( t m −t 1 ) + m2 Cemetal ( t m−t 2 ) + C C ( t m −t 1 ) =0 ; mh=V h ρ H 2 O
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V 1 ρ H 2 O Ce H 2 O ( t m −t 1 ) + m2 Cemetal ( t m− t 2 ) + C C ( t m −t 1 ) =0
50 ml x 1
g cal cal ( 29.1−28,1 ) ℃ x 1 x ( 29,1 −28,1 ) ℃ + 23.6 gxCemetal x ( 29,1 −99 ) ℃ + 32,29 ml g℃ ℃
D0 Cemetal =0.0498
cal ( Calor específicodel metal ) g℃
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E/.ERIMENTO : Determinaci-n del calor de ne"traliaci-n0 En esta e$periencia procedemos a medir I? ml de solución de 2a0J ?.F 2 luego !erter al calorímetro seco % limpio. /edir F? ml de Jl ?.I2 % !erter en otro !aso seco % limpio. &e'ar en reposo ambas soluciones o F minutos, luego de ello leer la temperatura de las dos soluciones, el cual nos da t 1 = 2&"2$C Logrado este propósito procedemos a !erter el ácido en el calorímetro % tapar rápidamente. Agitar la me"cla sua!emente con el termómetro % anotar la temperatura cada dos segundos #asta alcan"ar un má$imo antes de que empiece a descender. Esta temperatura má$ima nos da t m = '2%'$C% ABLA + Tiempo (! C
"
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/2
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3RÁ4ICA TEM.ERAT(RA5TIEM.O:
Tempe)*+)* -. Tiempo //"2 // /2"8 /2" /2"4 !em&era tura HEc /2"2 /2 /1"8 /1" /1"4
0
2
4
8
10 12 14 1 18
!iem&o H%
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En esta e$periencia se propone medir el calor de neutrali"ación del ácido clor#ídrico con la solución de #idró$ido de sodio. En la neutrali"ación de los ácidos fuertes % bases, el calor de neutrali"ación es casi igual. A medida que se dilu%en los reacti!os, el calor de neutrali"ación se apro$ima a una magnitud e$terna que es igual a -TTW? calMmol a F?. Esta magnitud representa el calor de formación de las moléculas de agua a partir de los iones #idrógeno e #idró$ilo. −¿=¿¿ +¿+ OH ( ac ) ¿ H ( ac )
H 2 O(l ) + Qn
Qn
D -1/"/ JcalGmol
H1
La reacción de neutrali"ación por e'emplo, de la solución del ácido clor#ídrico con la solución de #idró$ido sódico puede escribirse+ HCl x ( H 2O ) + NaOH y ( H 2O )
D NaCl( x + y ) ( H 2 O) + H 2 O( l) +Qn
H2
Siendo Qn calor de neutrali"ación. &onde x e y son los n4meros de moles de agua por mol de reacti!o. Los calores de las reacciones () % (F) se distinguen entre sí en el calor de dilución de los reacti!os.
|Qg| D |Q p|=C C A ( t m−t ) K 1
m H 2 O
x Ce H 2O x
( t m−t ) 1
&onde+ Qg y Q p C C Ce H 2 O t 1 =¿
; alor ganado % perdio respecti!amente. ; apacidad calorífica del calorímetro. ; alor específico del agua.
emperatura inicial del Jl ; emperatura inicial del 2a0J ; emperatura
del calorímetro. L55!I ;1
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Se asume m H 2 O ; omo la suma de los !olumenes del Jl % el 2a0J, dado a que en la neutrali"ación se obtiene agua a 8J;U. m H 2 O=V HCl + V NaOH =20 ml + 80 ml =100 ml
&atos+ t 1
D 2B+1E)
t m
D /2+/E)" C C =32,39 )alGE) Ce H 2 O
D 1 calG g E)
m H 2 O=100 ml
D 70 g"
80ml de =a 0"2 = 20 ml de )l 0"8=
|Qg| D |Q p|=C C A ( t m−t ) K 1
|Qg| D |Q p|=¿ 80 g x 1 cal
/g° C x
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32,39
m H 2 O
x Ce H 2O x
( t m−t ) 1
calGE) A ( 32,3−29,1 ) ° C K
( 32,3−29,1 )
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|Qg| D |Q p|=¿ /.B+4 cal" Luego para mol de agua, en el e$perimento el calor de neutrali"ación será+ Qn
D 1mol H 2 O x (−Q g)/¿
n H 2O
La estequiometria de reacción muestra que+ n H 2O n H 2O
D n ( HCl )=n ( NaOH )= N ° de ≡.deagua =( Normalidad x Volumen )(cido )
D n ( HCl )=n ( NaOH )= N ° de ≡.deagua =¿ H0"2 molGL A 1LG1000 ml A 20 ml
D 0"004
Luego procedemos a #allar el calor de neutrali"ación, mediante+ Qn Qn
D 1mol H 2 O x (−Q g)/¿
D 1mol H 2 O x (−359,64 ) /¿ Qn
n H 2O 0.004
D 8B+B12 Jcal
E/.ERIMENTO 6 Determinaci-n del calor de di$ol"ci-n inte7ral de "na $al d"rante la ,ormaci-n de $ol"ci-n $at"ra 8rocedimiento+
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8rocedemos a medir UFml de agua destilada % !erter al calorímetro limpio %
•
seco, con a%uda del termómetro registrar dic#a temperatura
t 1
= 2!"1$C
1ntroducir .?Ug de NH 4 Cl para obtener una dilución de F??. apar el calorímetro % agitar !igorosamente la me"cla. 8rocedemos a medir la temperatura de la me"cla cada G segundos #asta
•
•
obtener la temperatura más ba'a. t m = 2)%&$C ABLA F+ Tiempo (! C
"
'
/"
$
%"
0
1"
28
28
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27
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'" '#" '/ 27
8rocedemos a determinar el calor de disolución de la sal+ Q 1 + Q 2 + Q 3= 0 m H 2 O Ceagua ( t m−t 1 ) + Q2+ C C x ( t m− t 1 )= 0 ; m H 2 O=V H 2O ρ H 2O
&onde+ Q1
: )alor tran%erido &or el agua ría"
Q2
:
Q3
)alor de di%olución en el %i%tema"
:
)alor tran%erido &or el calorímetro"
&ato+ V H 2 O =72 ml t 1
D 27+1E)
t m
D 2+BE)
Ce H 2 O
D 1 calG g E)
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C C =32,39
calGE)
Q 1 + Q 2+ Q 3= 0 m H 2 O Ceagua ( t m−t 1 ) + Q2+ C C x ( t m− t 1 )= 0 ; m h=V h ρ H 2 O V H 2 O ρ H 2 O Ce H 2 O ( t m−t 1 ) + Q 2 +C C ( t m−t 1 )=0
72 ml x 1
g cal cal ( 26,9 −27,1 ) ℃ x 1 x ( 26,9 −27,1 ) ℃ + Q 2+ 32,39 ℃ ml g℃
Q2=20.878 cal ( Calor de disoluci!ndel sistema )
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CONCLUSIONES GENERALES DEL INFORME En este primer laboratorio nos #a ser!ido para poder entender e$perimentalmente la primera le% de la termodinámica % aumentar nuestros conocimientos acerca de los conceptos % fórmulas de+ la capacidad calorífica, calor, calor específico, etc. Se logró comprobar la capacidad calorífica de un calorímetro. Se pudo comprobar el calor de una neutrali"ación de un ácido 7 base. 2os #a a%udado a comprender en qué condiciones gana o pierdo calor. Se #a #allado el calor de una disolución de sales utili"ando un calorímetro.
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*P+IC*CIONES * +* ESPECI*+ID*D TERMODINAMICA EN LA MINERIA omo toda gran industria que funciona al interior de nuestras fronteras, la /inería también se !e enfrentada a una serie de nue!os desafíos, entre los que destacan una producción alineada con los !alores de los metales producidos, aumento sostenido de los costos por ausencia de pro%ectos energéticos, le'anía de fuentes de agua, ma%or cuidado del medioambiente, tasas de producción % escaso n4mero de profesionales debidamente capacitados, entre otros. En el caso de la Energía, que es uno de los ser!icios más preciados % escasos en el 4ltimo tiempo, la automati"ación es una buena #erramienta, pues puede reducir los costos de consumo de un %acimiento o planta al medir, identificar % controlar aquellas cargas o procesos que pueden estar desconectados en alg4n momento de la red, sin afectar la seguridad de las personas o la producción. Este es un aspecto que todas las compa*ías mineras tratan de controlar, %a que representa un gasto mensual rele!ante en su presupuesto anual o mensual, sobre todo en un país que se caracteri"a por tener uno de los rangos de precio más caros de la región por R6M# consumido. A ello se suma la ausencia de nue!os pro%ectos energéticos % una fuerte oposición social a iniciati!as que, se creía, no tendrían ning4n incon!eniente en ser e'ecutadas. La termodinámica nos a%uda a encontrar estos procesos importantes como lo es la automati"ación para reducir el Xuso de reser!as % controlar en ma%or parte el consumo de energía en muc#os países en desarrollo. Asimismo, una de las nue!as e$igencias que se #an !isto en este segmento de negocio es que los sistemas de control no sólo deben cumplir con los requerimientos de operación, sino que también deben contemplar otras funciones, como aquella relati!a al mantenimiento de los equipos % de la planta, inclu%endo L55!I ;1
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conceptos como diagnóstico en línea % seguimiento de la Jistoria de una determinada máquina. on ello, se podrá reali"ar una gestión de acti!os muc#o más eficiente, e!itando paradas de planta impre!istas que puedan afectar el !olumen de producción de un determinado mineral. No,+ tanto la termodinámica, como la minería son importantes en nuestras !idas, ellas nos facilitan la !ida de tal forma que los minerales están en todas partes % la termodinámica nos a%uda aplicar estos para ma%or beneficio.
RECO-END*CIONES Se recomienda siempre !estirse con la indumentaria requerida, %a sea guardapol!o, lentes % guantes Se recomienda también que se utilice los ácidos con cuidado %a que podrían contaminar el ambiente.
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