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BALANCE DE ENERGIA

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on 22 May 2014

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BALANCE DE ENERGÍA
Introducción
Balance de energía para sistema abierto
El balance energético global o general de un sistema abierto puede expresarse como:
Sustituyendo el trabajo
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE INGENIERÍA
BALANCE DE ENERGÍA
Integrantes:
Cruz Monroy Eduardo
Martínez Cossio Néstor
Olvera López Elizabeth Jazmin
Sebastian Salinas Miriam
Sáenz Soto Jesús Antonio
Tecon Ortíz Ester
Una de las leyes fundamentales de la Química es la ley de conservación de la energía. Para ello se deben analizar las diferentes formas de energía que puede poseer un sistema, así como las distintas formas en que ésta puede transferirse.





A continuación se plantean los balances de energía para sistemas abiertos en régimen estacionario (balances de energía mecánica y de entalpía) y los balances de energía para sistemas cerrados (primer principio de la Termodinámica).
Ep
Ec
Energía interna
W flujo
Q
W eje
Tipos de energía
Las formas de energía que se considera en el balance energía son:
Energía Interna (U)
Toda sustancia está formada por un conjunto de partículas (átomos, moléculas, iones, etc.) que se hallan en continuo movimiento dentro de esta.
Energía Potencial (Ep)
La energía potencial es la energía que posee un cuerpo en virtud de su posición en un campo potencia o de fuerzas.
Energía Cinética (Ec)
La energía cinética es la energía que posee un cuerpo en virtud de su movimiento respecto a un sistema definido de coordenadas. Si v ⃗es su velocidad respecto a este sistema de coordenadas su energía cinética es
Calor (Q)

Energía que fluye como fluye como resultado de una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores (calor positivo si lo recibe el sistema).
Trabajo (W)
Energía que fluye en respuesta a la aplicación de una fuerza (trabajo positivo si es realizado sobre el sistema).
La suma de estas energías para todas las partículas contenidas en la sustancia es lo que se denomina energía interna de la sustancia.





Esta es función de la cantidad de materia, del volumen específico y de la temperatura del sistema.
Los principales campos potenciales que se consideran en Química son el gravitatorio y, en menor extensión los campos eléctricos y magnéticos.
Siendo z la posición en el campo potencial (altura), y g la aceleración de la gravedad.
“La energía
no se crea
ni se destruye, solo se transforma”, La energía gen=0
SISTEMAS
SISTEMAS ABIERTOS
Es aquel que permite el paso no solo de energía sino también de masa a través de su frontera en un sistema abierto su frontera es equivalente al término superficie de control.
SISTEMAS CERRADOS
Es aquel que contiene una cantidad fija e invariable de masa y solamente la energía es quien puede cruzar la frontera del sistema.
Suponiendo en un sistema abierto una cantidad diferencial de masa entrando al sistema y una cantidad diferencial de masa saliendo del sistema. La masa que entra al sistema posee una energía por unidad de masa; el material que sale contiene una energía por unidad de masa. Ahora supongamos también que hay una cantidad diferencial de calor, entrando al sistema y que el sistema efectúa una cantidad diferencial de trabajo, sobre el ambiente. La energía total acumulada por el sistema será entonces d(E M)sist al final.
La energía total del sistema E , puede ser dividida en tres partes: la energía interna U , la energía cinética v^2/2, y la energía potencial (de gravedad) g*z:
El trabajo abarca dos situaciones:

La masa que entra y sale del sistema realiza un trabajo de flujo. El sistema realiza trabajo o el trabajo se realiza sobre el:



Un trabajo externo (ajeno) que debe ser suministrada o eliminada del sistema por una fuente distinta al material que entra o sale del sistema: Trabajo de eje Weje

Sustituyendo la energía
Entalpía
(H)
Función de estado resultado de la combinación de la energía interna con una parte de trabajo que genera el sistema
La entalpía específica (entalpía por unidad de masa) es igual a:
h[J/kg]= u + Pv
Haciendo uso de la definición de la entalpía especifica
Balance de energía sistemas cerrados
El sistema cerrado no permite intercambio de masa
por lo que la ecuación de balance de energía se reduce a:
Si su velocidad no varia en gran cuantía podemos despreciar las variaciones v^2/2 . Si la altura del sistema no varia apreciablemente, podemos despreciar también los cambios en g*v, en comparación con U , por lo que el balance energético se reduce aun más :
Aplicaciones
Los balances de energía tienen gran importancia y muy amplia utilización en procesos industriales donde es preciso calentar, enfriar o aislar térmicamente, lo que ocurre en la mayoría de los casos.





Algunos ejemplos de estas aplicaciones son los siguientes:

PROBLEMA 1
GRACIAS
ECUACIÓN DE BERNOULLI
Proceso estacionario o régimen permanente
Es definido como un proceso en el cual las propiedades del sistema no cambian con el tiempo. Notese que esto de ninguna manera implica que las propiedades en todos los puntos deben ser idénticas, sino que solo sus propiedades son invariantes en el tiempo.
Entalpía de formación (estándar)
Variación de la entalpía producida en la formación de un mol de un compuesto a partir de sus elementos constituyentes en el estado estándar (298 K y 1 atm)
Entalpía de combustión (estándar)
Variación de la entalpía producida en la combustión completa de un mol de un compuesto en el estado estándar (298 K y 1 atm)
CALOR SENSIBLE
(Qs)
Es una interacción que sucede cuando dos o más sistemas con temperaturas originalmente distintas se ponen en contacto mediante fronteras diatérmicas (que permiten la interacción térmica de los sistemas con los alrededores).
CALOR LATENTE
(QL)
Si la interacción térmica no provoca la variación del sistema, entonces provoca la transición de fase.
Si el régimen es estacionario
Si a esto lo analizamos en un intervalo de tiempo
Simplificando suponiendo un régimen estacionario y dividiendo entre dt
Suponiendo un régimen permanente en un sistema abierto, como la temperatura no varía apreciablemente la suponemos constante lo que genera que la variación de energía interna específica sea igual a cero, los volúmenes específicos se suponen constantes también lo que hace considerar que la densidad igual lo es. También se supone que no se le proporciona ningún trabajo de eje ni calor.
Para fluidos incompresibles, no viscosos, y temperatura despreciable.
La entalpía depende:
Donde es la capacidad térmica específica a presión constante que depende de la presión y la temperatura, sin embargo si la presión es constante, solo dependerá del cambio de temperatura que sufre el sistema:
“La entalpía intercambiada a presión constante en un cambio químico es independiente del camino por el que transcurre dicho cambio”.
Los cambios de entalpía de una reacción química pueden ser calculados a partir de estándares tabulados en entalpías de formación o combustión.

Segunda ley de la termoquímica Ley de Hess
TERMOQUÍMICA

Estudia los cambios de calor en los procesos de cambio químico

PRIMERA LEY DE LA TERMOQUÍMICA
El calor total de una reacción química es igual a la suma de calores de formación de los reactivos, para lo que la ecuación deberá ser balanceada

Entalpías relativas
Sea un sistema constituido por c componentes a una presión P y a una temperatura T. La entalpía relativa del sistema vendrá dada por la ecuación:
Si existe un cambio de estado osea un calor latente a la ecuación se le agrega el siguiente término:
BALANCE ENTÁLPICO
Teniendo en cuenta la expresión de la entalpía relativa, la ecuación del balance entálpico conduce a:
La diferencia de los dos últimos términos del primer miembro de esta ecuación representa la suma de las entalpías de reacción de todas las que puedan ocurrir en el sistema a la temperatura de referencia:
Por tanto se deduce que:
Si en el sistema no se desarrolla ninguna reacción química y por consiguiente permanece invariable su composición la ecuación anterior se simplifica:
ENTALPÁS DE REACCIONES QUÍMICAS
En muchas operaciones y procesos, en régimen estacionario, en la industria química las variaciones de energía potencial y cinética son despreciables frente a las variaciones entálpicas. Además que no hay trabajo de eje. Por lo que la ecuación queda:
* Proceso -->Recuperación máxima de calor --> Calentamiento o enfriamiento de un fluido

* Producción efectiva de calor en hornos--> Calculo de perdidas energéticas y aislamientos

* Calculo del consumo de combustible de una maquina para producir calor y trabajo

*En refinerías industriales --> Fabricación de olefinas o para la síntesis de amoniaco

* Intercambiadores de calor
INTERCAMBIADOR DE CALOR

Dispositivo diseñado para transferir calor entre dos medios, separados por una barrera o en contacto.

Son parte fundamental de los dispositivos de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico.

Ejemplo de intercambiador de calor

Un intercambiador típico es el radiador del motor de un automóvil en el que el fluido coloportador, calentado por la acción del motor se enfría por la corriente de aire que fluye sobre el y, a su vez, reduce la temperatura del motor volviendo a circular en el interior del mismo.


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