Termodinamica Balance

IPLOMADO DE ACTUALIZACIÓN EN

INGENIERÍA QUÍMICA

BASES TERMODINÁMICAS

DR. ENRIQUE R. BAZÚA RUEDA

DR. FERNANDO BARRAGÁN AROCHE

FACULTAD DE QUÍMICA. UNAM

2008

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CONTENIDO Pag.

I.- Objetivos de la termodinámica. 7

II.- Balances de Energía en Sistemas Abiertos. 9

II.1.- Evaluación del trabajo. 7

III.- Balances de Entropía en Sistemas Abiertos. 20

III.1.- El equilibrio. 20

III.2.- Temperatura. 21

III.3.- Procesos reversibles, irreversibles y cuasiestáticos. 22

III.4.-Conversión de energía térmica a energía mecánica. 24

III.5.-La entropía 35

III.6.-Balance de Entropía en Sistemas Abiertos 41

III.7.-Energía Ideal y Energía Perdida 45

III.8.-Balance de Energía Mecánica 49

III.9.-Diferencia de Entalpías y Entropías en líquidos y gases Ideales 51

IV.-Cálculos en Equipos de Proceso 59

IV.1.-Potencia de un compresor adiabático 59

IV.2.-Potencia de un compresor isotérmico 62

IV.3.-Potencia de una Bomba 63

IV.4.-Cambiador de calor 64

IV.5.-Mezclado Adiabático de corrientes 49

V.-La Termodinámica como Herramienta en el Diseño de procesos 72

V.1.-Ciclo de generación de potencia 73

V.2.-Ciclo de Refrigeración 86

V.3.-Compresor con Interenfriadores 96

V.4.-Temperatura de Acercamiento en un Economizador 101

V.5.-Procesos de Separación 103

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Notación

Cantidades con mayúsculas son para las propiedades totales.

Cantidades con minúsculas son para las propiedades especificas (por unidad de masa) o

molares (por unidad de mezcla).

U , u = energía interna

H , h = entalpía H = U + PV

S , s = entropía

A , a = energía de Helmholtz A = U - TS

G , g = energía de Gibas G = H – TS

V , v = volumen

T = temperatura absoluta

P = presión absoluta

F = {U, H, S, A, G, V} = propiedad total de la mezcla.

f = propiedad molar (específica) de la mezcla.

fi = propiedad molar (específica) del componente i puro.

Q = calor (positivo cuando los alrededores transfieren calor al sistema)

W = trabajo (positivo cuando los alrededores realizan trabajo sobre el sistema)

M, N = masa o moles totales

Q,W,N = calor, trabajo, masa por unidad de tiempo.

g = aceleración de la gravedad.

Z = altura del sistema con respecto aun plano de referencia.

υ = velocidad

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SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI)

Prefijos Unidades Fundamentales

1012 tera T 10-2 centi c tiempo: segundo s

109 giga G 10-3 mili m longitud: metro m

106 mega M 10-6 micro μ masa: kilogramo kg

103 Kilo k 10-9 nano n temperatura: Kelvin K

cantidad de

substancia:

mol Mol

Unidades derivadas

Fuerza: Newton N=kg m/s2

Presión: Pascal Pa=N/m2=kg/(ms2)

Energía: Joule J=Nm=kg m2/s2

Potencia: Watt W=J/s=kg m2/s3

Factores unitarios de conversión de unidades

Longitud Fuerza

1m = 3.28084 ft 1 lb = 32.174 lb ft/ s2

= 39.3701 in = 4.4482 N

1in = 2.54 cm 1Kg = 9.807 kg m / s2

1ft = 30.48cm = 12 in = 9.807 N

Masa

2 1

N s

kg m g c =

32.174 lb s2

lb ft

factor unitario

9.807 kg s2

kg ft

1 kg = 2.20462 lb

1 lb = 0.453593 kg

Volumen

1 m3 = 1000 L

= 35.3147 ft 3

= 264.17 gal

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Presión

1 bar = 100 kPa 1 atm = 1.01325 bar

= 0.1 MPa = 101.325 kPa

= 0.986923 atm = 0.101325 MPa

= 14.5038 psia = 14.696 psia

= 1.0197 kg/cm2 = 1.0332 kg/cm2

= 750.062 mmHg = 760 mmHg

= 401.48 in H2O = 406.8 in H2O

Energía Constante universal de los gases

1kJ = 103 Pa m3 R = 8.314 J/mol K

=104 bar cm3 = 83.14 bar cm3/mol K

= 239.01cal = 1.987 cal/ mol K

= 0.94845 Btu = 1.987 Btu/ lbmol K

= 737.562 lb ft = 82.06 atm cm3/mol K

= 1.0197*104kg cm = 10.73 psia ft3/ lbmol R

=9.86923*103 atm-cm3

Potencia Moles

1kW = 1kJ/s 1 lbmol = 453.59 mol

= 3414.4 Btu / h 1 kgmol = 1000 mol

= 1.341 HP 1Kgmol = 2.20462 lbmol

= 860.4 kcal/h

= 737.562 lb ft / s

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Esquema general de la termodinámica para la solución de problemas relevantes para la

ingeniería química.

EVIDENCIA EXPERIMENTAL

•Experimento de Joule

•Estado de equilibrio

•Bajas temperaturas

DATOS EXPERIMENTALES

•Capacidad calorífica

•Calores latentes, mezclado, reacción.

•Presión, volumen, temperatura (PVT).

•Equilibrio de fases y químico.

•Otros (velocidad del sonido).

INFORMACIÓN MOLECULAR

•Estructura molecular

•Fuerzas intermoleculares

•Espectroscopia

LEYES DE LA TERMODINÁMICA

•Cero

•Primera

•Segunda

•Tercera

ECUACIONES GENERALES

•Balance de energía

•Balance de entropía

•Relaciones de equilibrio

MATEMÁTICAS DEL CÁLCULO

DE PROPIEDADES DE

SISTEMAS HOMOGÉNEOS

•Ecuaciones fundamentales.

•Relaciones de Maxwell.

•Relaciones entre propiedades.

•Método generalizado de cálculo.

PROPIEDADES DE SISTEMAS

HOMOGÉNEOS:

•Entalpía

•Entropía

•Potencial químico o fugacidad

MÉTODOS NUMÉRICOS

•Solución de sistemas de ecuaciones

algebraicas

SOLUCION DE PROBLEMAS

•Requerimientos energéticos.

•Uso eficiente de energía.

•Condiciones de equilibrio.

•Dirección de procesos.

•Factibilidad de un proceso.

TERMODINÁMICA O MECÁNICA

ESTADÍSTICA

MODELOS

TERMODINÁMICOS:

•Empíricos

•Semiteóricos.

•Teóricos (moleculares).

MÉTODOS NUMÉRICOS

•Mínimos cuadrados para la

obtención de parámetros

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APLICACIONES DE LA TERMODINÁMICA EN INGENIERÍA QUÍMICA

I.- Objetivos de la Termodinámica.

La termodinámica es una ciencia fenomenológica ya que estudia las

transformaciones que ocurren en sistemas macroscópicos sin adentrarse en explicaciones

moleculares o macroscópicas. Las propiedades de las substancias que se utilizan en la

termodinámica se miden experimentalmente, ya sea directamente o a través de otras

cantidades. La termodinámica es ajena al conocimiento que se tenga de la estructura de la

materia, y considera a las substancias como un todo sin detenerse a considerar desde el

punto de vista molecular, lo que ocurre en las transformaciones que se están estudiando.

La termodinámica estadística, en contraposición, trata de la evaluación de

propiedades macroscópicas de las substancias a partir de su estructura molecular. Ha sido

un gran apoyo para la aplicación cuantitativa de la termodinámica y ha proporcionado

innumerables contribuciones a la correlación semiempírica de propiedades.

La termodinámica es la ciencia que trata de la transformación de la energía en sus

diferentes formas, a esto debe si nombre. En la solución del problema anterior se desarrolla

un formalismo que permite atacar problemas relacionados con el estudio de sistemas en

equilibrio, y es por ello que la termodinámica amplía su campo de acción y permite resolver

una gran variedad de problemas que se pueden englobar dentro de los siguientes tipos

generales:

1) Cálculo de los requerimientos energético de un proceso, ya sea en su

conjunto, o de las partes que lo componen (balances de energía).

2) Cálculo de los requerimientos mínimos de energía para llenar a cabo una

transformación y formulación de las características que debe reunir el

proceso para llevar a cabo dicha transformación.

3) Determinación de las condiciones de equilibrio en procesos con

transferencia de masa y en sistemas reaccionantes.

4) Evaluación de las propiedades termodinámicas necesarias en la resolución

de los problemas anteriores a partir de datos experimentales.

La termodinámica, siendo una ciencia de estudio de los sistemas de equilibrio, no

proporciona herramientas para el cálculo de la velocidad con la que ocurren los procesos,

para esto es necesario contar con la información que dan los fenómenos de transporte y la

cinética química.

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En forma simplificada se puede decir que existen básicamente dos conceptos en el

costo de un proceso:

i) energía y substancias utilizadas (costos de operación) y,

ii) equipo de proceso (costos fijos).

La termodinámica indica que para disminuir el primer concepto es necesario reducir

los gradientes que conducen al proceso, y los fenómenos de transporte y la cinética química

indican que para reducir el costo de equipo de proceso es necesario aumentar los

gradientes. Un diseño correcto del proceso implica un balance adecuado de ambos factores.

Ejemplos de los anterior son: la temperatura de acercamiento en los cambiadores de calor,

la relación de reflujo en las torres

...