The formalism of chemical thermodynamics applied to an oscillatory multistep chemical system

• Jean P. Montoya ^[1] ; Alexander Contretas-Peyares ^[2] ; Daniel Barragán ^[1]
  1. [1] Universidad Nacional de Colombia

     Universidad Nacional de Colombia

     Colombia

     
  2. [2] Universidad de Córdoba, Colombia
• Localización: Ingeniería e Investigación, ISSN-e 2248-8723, ISSN 0120-5609, Vol. 44, Nº. 2, 2024
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • El formalismo de la termodinámica química aplicado a un sistema químico oscilatorio con múltiples etapas
• Enlaces
  • Texto completo (pdf)
• Resumen
  • español

    The thermodynamic optimization of a process focuses on consumption, production, and efficient use of energy. The unsteady-state nature of batch reactor processing requires describing the set of processes’ dynamic behavior for energy optimization. This work aims to apply the formalism of chemical thermodynamics to a multistep chemical system in a batch reactor, aiming for a dynamic description of its evolution to the equilibrium state. As the system of study, we selected a mathematical model called the Oregonator, derived from the mechanism of the oscillating Belousov-Zhabotinsky reaction. In the methodology, we used the reaction quotient to evaluate the Gibbs function, the thermodynamic affinity, and the entropy generation as a function of the reaction extent. The results show that the overall reaction fulfills the thermodynamic fundamentals of chemical equilibrium, despite having a non-stoichiometric coefficient. However, the multistep coupled reaction system does not allow verifying compliance with the thermodynamic foundations of chemical equilibrium. We conclude that it is necessary to improve thermodynamic formalism to describe multistep chemical processes as a function of a global reaction extent variable. In this scenario, the entropy production rate emerges as a promising quantity.

  • English

    La optimización termodinámica de un proceso se enfoca en el consumo, la producción y el uso eficiente de la energía. La naturaleza de estado no estacionario del procesamientoen reactorestipo batchrequieredescribir el comportamiento dinámico del conjunto de procesosen términos de optimización de energía. Este trabajo tiene como objetivo aplicar el formalismo de la termodinámica química a un sistema químico de múltiples etapasen un reactortipo batch, buscando obtener una descripción dinámica de su evolución hacia el estado de equilibrio. Como sistema de estudio, seleccionamoselmodelo matemático conocido como elOrego-nator, que se deriva del mecanismo de la reacción oscilante de Belousov-Zhabotinsky. En la metodología, utilizamos el cociente de reacción para evaluar la función de Gibbs, la afinidad termodinámica y la generación de entropía en función del grado de avancede la reacción. Los resultados muestran que la reacción global cumple con los fundamentos termodinámicos del equilibrio químico, a pesar de tener un coeficiente no estequiométrico. Sin embargo, el sistema de reacciónconmúltiples pasosacopladosno permite verificar el cumplimiento de los fundamentos termodinámicos del equilibrio químico. Concluimos que es necesario mejorar el forma-lismo termodinámico para describir los procesos químicos de múltiples pasos en funciónde una variable global deavance de lareacción. En este escenario, la velocidadde generaciónde entropía surge comouna cantidad prometedora.