Es natural pensar que es insuficiente conocer acerca de los fluidos puros, únicamente. Atendiendo a esa expectativa, una vez dominado el uso de los principios básicos en el estudio de las sustancias puras, se pasa a generalizar los conceptos a los sistemas fluidos de más de un componente en ausencia de reacciones químicas. Usualmente la generalización comienza de a poco y típicamente se comienza por un caso muy sencillo pero muy útil y común: el sistema aire - vapor de agua. A ese estudio se le llama psicrometría y es de enorme utilidad práctica en tecnologías como el acondicionamiento de aire y el secado (que es una operación unitaria y está fuera del alcance de la termodinámica).

Para lograr una verdadera y completa generalización de los fundamentos de la termodinámica a los sistemas de múltiples componentes, resulta muy necesario haber dominado y comprendido previamente algunos conceptos matemáticos, particularmente del ámbito del cálculo en varias variables. La aplicación de éstos permite obtener relaciones matemáticas entre todas las propiedades termodinámicas de interés, siendo de destacada importancia aquellas que relacionan magnitudes medibles con otras, que aunque no lo son, tienen un significado físico muy importante.

Los procesos mecánicos de expansión o compresión de los fluidos, que antes eran tan estudiados, dejan de figurar y se abre paso al entendimiento de cómo se comportan las mezclas. Al respecto hay cosas que son bastante útiles: calcular las propiedades de estos nuevos sistemas, cuantificar cuánto calor se consume o se produce durante el mezclado o entender qué fácil es mezclar y qué difícil es el proceso inverso. Pero lo que lejos de toda duda constituye la piedra angular de muchos de los estudios de otras ramas de la profesión es el estudio de los fluidos de múltiples componentes en equilibrio de fases, esto es, cuando un sistema conformado por más de una fase, se encuentra en equilibrio.

Cuando se aprende acerca de la posibilidad de existencia simultánea de vapor y líquido en una sustancia pura, uno no se sorprende mucho; finalmente todo mundo ha puesto a hervir agua en una olla. Esa es quizás la experiencia más cotidiana y convencional que resulta más cercana a un líquido generando su vapor en equilibrio. Cuando lo que se pone a hervir es un líquido de múltiples componentes, éstos se reparten en el líquido y el vapor de una manera determinada y conocible. Una fase es más rica en ciertos componentes y la otra es más rica en otros.

Al estudio del aparato teórico que permite calcular la distribución de las especies en las diferentes fases en equilibrio de un sistema fluido de múltiples componentes, se le suele llamar Teoría termodinámica de las soluciones. Se trata de uno de los contenidos más extensos y profundos en termodinámica, en donde se aplican los conocimientos de la química acerca de cómo interactúan diferentes moléculas y cómo esos comportamientos en la microescala tienen serias consecuencias en cómo se comportan cantidades de material muy grandes y de interés industrial.

A primera vista alguno podría pensar que calcular cómo se reparten las especies en el equilibrio de fases es tan solo un aspecto dentro de muchos otros que deberían estudiarse, y que por eso no se justifica un estudio tan extenso acerca de tantas teorías que pretenden explicar ese fenómeno. Pues resulta que, si bien la habilidad para conocer la distribución de especies en las fases en equilibrio es solo una entre tantas otras, se trata de un conocimiento de una importancia tan enorme que sin él la ingeniería química no sería lo que se conoce hoy.

Cuenta la historia más aceptada, que no antes del siglo X un alquimista árabe fue el primero en entender cómo preparar una bebida alcohólica a partir de granos de cereal fermentados en agua.

Lo que le permitió lograrlo fue el entendimiento de que ese “espíritu” que deseaba obtener, prefería salir primero que todo lo demás cuando calentaba el fermento. Más aún, los vapores eran más ricos en “espíritu” que en agua, especialmente al comienzo del calentamiento, lo cual era importante por que más “espíritu” proporcionaba una experiencia sensorial más intensa.

Hoy sabemos que ese “espíritu” es en realidad el alcohol etílico. Y que por tratarse del material clave más volátil en ese caso, prefiere estar en la fase gaseosa. Como ya se mencionó, las sustancias se distribuyen en las diferentes fases de una manera que lejos de ser aleatoria está muy bien definida. Además, según sean las condiciones de temperatura y presión cada sustancia preferirá estar en una fase u otra, según lo dicte su naturaleza química.

Lo que hace tan importante estudiar, entender, cuantificar, y explicar con teorías el por qué las sustancias se comportan de esa manera, es que en ese comportamiento se halla el fundamento de esa tecnología tan antigua, y que hoy por hoy resulta emblemática para la ingeniería química: la destilación.

Se trata de una operación unitaria que consume aproximadamente el 3% de toda la energía consumida en todo el mundo (Soave, G.; Feliu, J. A., Saving energy in distillation towers by feed splitting. Applied Thermal Engineering 2002, 22, (8), 889.).

Cerca de un 90% de todas las operaciones de recuperación y purificación en la industria son destilaciones, lo cual convierte a la destilación en una de las operaciones unitarias más estudiadas en toda la historia de la ingeniería química. Sólo en Estados Unidos existen más de 40.000 columnas de destilación en funcionamiento (Humphrey, J., Separation processes: playing a critical role. Chemical Engineering Progress 1995, 91, (10), 43-54.).

Pero la destilación no es todo en cuanto a la importancia de la termodinámica de las soluciones. Son muchas las operaciones unitarias de amplia aplicación industrial que se basan en el hecho de la diferencia de composición que tienen las fases de un sistema de múltiples componentes, cuando dos de ellas coexisten y tienden a estar en equilibrio. Es el caso de la extracción líquida, la percolación, la absorción y desorción de gases, el intercambio de iones y la cristalización.

La utilidad de la teoría termodinámica de las soluciones se pone de manifiesto trayendo a colación la segunda ley de la termodinámica: no todo es posible y lo que es posible, tiene un límite y tiene un costo.

Lo posible: la teoría permite conocer si determinado proceso de separación es termodinámicamente factible o no.

Lo que es posible tiene un límite: en caso de factibilidad afirmativa, sirve para conocer cuál es el grado máximo de separación que se puede lograrse.

Y finalmente, lo que es posible tiene un costo: Sin la teoría sería imposible poder estimar qué tecnología o equipo es necesario para determinada operación, o conocer cuánta energía demanda realizarla.

De hecho, diseñar un aparato de separación (campo de estudio de la Transferencia de Masa y de las Operaciones Unitarias) sin la termodinámica que describe la distribución de los componentes en las diferentes fases, es una empresa imposible.

(ilustración gentileza de Wikimedia)

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