Mapa Conceptual. Balance de Materia y Energía

Cap. 7

Energía y balance de energía

1.- Formas de energía: primera ley de la termodinámica

El principio básico de todos los balances de energía es la ley de conservación de la energía, la cual dice que la energía no se crea ni se destruye.

Acumulación = entradas — salidas

2.- Energías cinética y potencial

Energía cinética: aquella debida al movimiento traslacional del sistema como un todo en relación con determinado marco de referencia (por lo general la superficie terrestre) o a la rotación del sistema en torno a un eje. Ek = 1/2mu^2

Energía potencial: la que se debe a la posición del sistema en un campo de potencia (gravitacional o electromagnético). Ep = mgz

3.- Balances de energía en sistemas cerrados

La siguiente ecuación es la forma básica de la primera ley de la termodinámica para un sistema cerrado. DeltaU + DeltaEk + DeltaEp = Q – W

1. Si no hay cambios de temperatura o de fase ni reacciones químicas en un sistema cerrado y si los cambios de presión son menores de unas cuantas atmósferas, entonces DeltaU = 0.
2. Si el sistema no tiene aceleración, ΔEk = 0. Si el sistema no se eleva ni cae, entonces ΔEp = 0.
3. Si el sistema y sus alrededores están a la misma temperatura o si el sistema está perfectamente aislado, entonces Q = 0.
4. Si no hay partes móviles ni corrientes eléctricas ni radiaciones en las fronteras del sistema, entonces W= 0.

4.- Balances de energía en sistemas abiertos en estado estacionario:

1. Trabajos de flujo y de flecha

La velocidad neta de trabajo realizado por un sistema abierto sobre sus alrededores se expresa como:

W = Ws + Wfl

Ws = trabajo de flecha o velocidad de trabajo realizada por el fluido del proceso sobre alguna parte móvil dentro del sistema

Wfl = trabajo de flujo o velocidad de trabajo realizado por el fluido en la salida del sistema, menos la velocidad de trabajo realizada sobre el fluido en la entrada del sistema

1. Propiedades específicas y entalpía

Una propiedad específica es una cantidad intensiva que se obtiene dividiendo una propiedad extensiva entre la cantidad total del material del proceso.

Una propiedad que se presenta en la ecuación de balance de energía para sistemas abiertos es la entalpia específica, que se define como: H = U + PV; P es la presión total, U y V son la energía interna y el volumen específicos, respectivamente.

5.- Tablas de datos termodinámicos

1. Estados de referencia y propiedades de estado

Una manera conveniente de tabular cambios medidos de U o H es elegir una temperatura, una presión y un estado de agregación como estado de referencia, y elaborar una lista de AU o A H para los cambios desde este estado hacia una serie de otros estados.

Una propiedad de estado o un componente del sistema cuyo valor sólo depende del estado del sistema (temperatura, presión, fase y composición) y no de la manera en que el sistema llegó a dicho estado.

1. Tablas de vapor

Durante muchos años, las recopilaciones de propiedades físicas de agua líquida, vapor saturado y vapor

sobrecalentado en tablas de vapor, han sido referencias estándar para ingenieros químicos y mecánicos

que estudian los ciclos del vapor para la generación de energía eléctrica.

6.- Procedimientos para el balance de energía

1. El dibujo y el marcado correctos del diagrama de flujo.
2. Incluir toda la información que necesitará para determinar la entalpia especifica de cada componente de la corriente, incluyendo las presiones y las temperaturas conocidas.
3. Indique los estados de agregación de los materiales de proceso cuando no sean obvios.

7.- Balance de energía mecánica

La siguiente ecuación se denomina balance de energía mecánica:

ΔP/P + Δu^2/2 + gΔz + F = - Ws/m; F = perdida por fricción.

Una forma simplificada del balance de energía mecánica se obtiene para los procesos sin fricción donde no se realiza trabajo de flecha (ecuación de Bernoulli):

ΔP/P + Δu^2/2 + gΔz = 0

Cap. 9

Balances en procesos reactivos

1.- Calores de reacción

El calor de reacción (o entalpia de reacción), ΔHr(T, P ), es el cambio de entalpia para un proceso en el cual las cantidades estequiométricas de reactivos a temperatura T y presión P reaccionan en su totalidad en una reacción única, para formar productos a las mismas temperatura y presión.

Si ΔHr(T, P) es negativo, la reacción es exotérmica a temperatura T y presión P, y si ΔHr(T,P)

es positivo, la reacción es endotérmica a T y P.

A presiones bajas y moderadas, ΔHr(T, P) es casi independiente de la presión.

El valor del calor de una reacción depende de cómo está escrita la ecuación estequiométrica.

El valor de un calor de reacción depende de los estados de agregación (gas, liquido o sólido) de reactivos y productos.

El calor estándar de reacción, ΔHr, es el calor de reacción cuando reactivos y productos están a las temperatura y presión de referencia especificadas, por lo general 25°C y 1 atm.

2.- Medición y cálculo de los calores de reacción:  Ley de Hess

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