A) Interpretación del principio de conservación de la materia Ley de conservación Ley de la conservación de la materia

En el año 1745, Mijaíl Lomonosov enunció la ley de de conservación de la materia de la siguiente manera:  En una reacción química ordinaria donde la masa permanece invariable, es decir, la masa presente en los reactivos es igual a la masa presente en los productos. En el mismo año, y de manera independiente, el químico Antoine Lavoisier propone que ” la materia no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. Es por esto que muchas veces la ley de conservación  de la materia es conocida como ley de Lavoisier-Lomonosov.Estos científicos se referían a la materia másica. Más adelante se observó que en algunas reacciones nucleares existe una pequeña variación de masa. Sin embargo, esta variación se explica con la teoría de la relatividad de Einstein, que propone una equivalencia entre masa y energía. De esta manera, la variación de masa en algunas reacciones nucleares estaría complementada por una variación de energía, en el sentido contrario, de manera que si se observa una disminución de la masa, es que ésta se transformó en energía,  y si la masa aumenta, es que la energía se transformó en masa.

AplicaciónTeniendo es cuenta la ley de conservación de la materia, cuando escribimos una ecuación química, debemos ajustarla de manera que cumpla con esta ley. El número de átomos en los reactivos debe ser igual al número de átomos en los productos. El ajuste de la ecuación se logra colocando índices estequiométricos delante de cada molécula. El índice estequiométrico es un número multiplica a los átomos de la sustancia delante de la cual está colocado.Tomemos por ejemplo la reacción química de formación de amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno.N2 + H2 ————-> NH3

Observamos que en los reactivos hay dos átomos de nitrógeno y dos átomos de hidrógeno, mientras que en los productos hay sólo un átomo de nitrógeno y tres de hidrógeno. Para que la ecuación química cumpla con la ley de conservación de la materia, tenemos que agregar coeficientes estequiométricos, de la siguiente manera:N2 + 3H2 ————-> 2NH3

Así logramos que el número de átomos sea el mismo en ambos lados de la ecuación. Estos significa que dos átomos o dos moles de nitrógeno reaccionarán con tres átomos o moles de hidrógeno para formar dos átomos o moles de amoníaco. Cuando el coeficiente estequiométrico es uno, no se escribe.

Ecuación general de balance de materia

Formula Modificación de la ecuación de balance de materia según el tipo de proceso

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B) Aplicación del calculo de balance1. Conceptos y formulas (entradas y salidas)

2. Ecuación independiente

3. Aplicaciones d ela ley de los gases y vapores Ley de los gases

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Ley de CharlesLa ley de Charles, o ley de los volúmenes, fue descubierta en 1778. Se dice que, para un gas ideal a presión constante, el volumen es directamente proporcional a latemperatura absoluta (en grados Kelvin).Esto se puede encontrar utilizando la teoría cinética de los gases o un recipiente con calentamiento o enfriamiento [sin congelar <0] con un volumen variable (por ejemplo, un frasco cónico con un globo).

Donde T es la temperatura absoluta del gas (en grados Kelvin) y k2 (en m3·K−1) es la constante producida.

Ley de Gay-LussacPostula que las presiones ejercidas por un gas sobre las paredes del recipiente que lo contienen son proporcionales a sus temperaturas absolutas cuando el volumen es constante.

Constante de los gasesLa constante universal de los gases ideales es una constante física que relaciona entre sí diversas funciones de estado termodinámicas, estableciendo esencialmente una relación entre la energía, la temperatura y la cantidad de materia.En su forma más particular la constante se emplea en la relación de la cantidad de materia en un gas ideal, medida en número de moles (n), con la presión (P), el volumen (V) y la temperatura (T), a través de la ecuación de estado de los gases ideales

El modelo del gas ideal asume que el volumen de la molécula es cero y las partículas no interactúan entre sí. La mayor parte de los gases reales se acercan a esta constante dentro de dos cifras significativas, en condiciones de presión y temperatura suficientemente alejadas del punto de licuefacción o sublimación. Las ecuaciones de estado de gases reales son, en mucho casos, correcciones de la anterior.

Saturación parcial y humedadSaturación relativa. La saturación relativa se define como

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Mezclas idealesLa mezcla ideal es un modelo de mezcla en el cual el volumen, la energía interna y la entalpía de la mezcla es igual al de los componentes puros por separado, es decir el volumen, la energía y la entalpía de mezcla es nula. Cuanto más se acerquen a estos valores los de una mezcla real más ideal será la mezcla. Alternativamente una mezcla es ideal si su coeficiente de actividad es 1. Este coeficiente es el que mide la idealidad de las soluciones. Simplifica enormemente los cálculos y se usa de referencia para las mezclas reales.

Calculo de temperatura, presión, volumen y cantidad de sustancias.TemperaturaEl más común es el termómetro de mercurio, que es un tubo capilar de vidrio al vacío con un depósito de mercurio en el fondo y el extremo superior cerrado. Debido a que el mercurio se dilata más rápidamente que el vidrio, cuando aumenta la temperatura este se dilata y sube por las paredes del tubo.Este termómetro es el más usado, aunque no el más preciso, porque el mercurio a los - 40 0C se congela restringiendo el rango o intervalo en que se puede usar.Por este motivo hay otros métodos de medición que algunas veces resultan complicados en su estudio pero en la práctica son de gran ayuda, como los siguientes:

Comportamiento PVTEl análisis del comportamiento de fase (PVT) necesita realizarse en muestras de fluido representativas, recogidas a la primera oportunidad, normalmente durante la perforación del primer pozo de exploración, y desde luego antes de poner en plena producción la explotación del yacimiento. Esta forma altamente especializada de análisis proporciona resultados útiles a efectos de la ingeniería del yacimiento, y también facilita el diseño y la optimización de los procesos y las instalaciones. SGS ofrece una gama completa de servicios de pruebas PVT estándares y a la medida para adaptarse a sus necesidades.Los estudios de PVT pueden llevarse a cabo sobre una gama completa de tipos de fluido de yacimientos, incluyendo gases condensados, petróleo bruto y fluidos críticos. Las muestras representativas se examinan a las presiones y temperaturas reales del yacimiento, para determinar el comportamiento de la fase y los cambios en la composición a lo largo de la vida útil del yacimiento a medida que la presión disminuye. Los estudios rutinarios de PVT normalmente abarcan las siguientes pruebas de laboratorio:

evaluación rigurosa de la validez de las muestras recogidas en el hoyo de perforación o en la superficie

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selección de las muestras más apropiadas para el estudio de PVT composición del fluido en el yacimiento recombinación física (en caso de muestras de separadores) expansión constante de la composición (CCE) liberación diferencial (DL) viscosidad pruebas de separador

Propiedades parcialesUna magnitud molar parcial asociada a otra variable extensiva, es la derivada parcial de dicha variable extensiva   con respecto a la variación del número de moles   de una de las sustancias del sistema manteniendo la presión, la temperatura y el número de moles de las demás sustancias constantes. La propiedad molar parcial se representa

por  . La expresión es la siguiente:Las magnitudes molares parciales se usan en mezclas para indicar la no aditividad de las propiedades extensivas de las mismas, es decir, la propiedad de la mezcla no es igual a la suma de la propiedad de los componentes puros por separado. Por ejemplo el volumen molar de una mezcla binaria no es la suma de los volúmenes molares de los componentes puros:

La propiedad molar parcial de una sustancia pura es igual a la magnitud molar correspondiente:

Matemáticamente las magnitudes molares parciales son funciones homogéneas de grado cero, es decir, no dependen de la cantidad de sustancia, por tanto variables intensivas.Para el cálculo de la propiedad molar de una mezcla usamos la siguiente ecuación general a partir de las magnitudes molares parciales:

(a P y T constantes)Una propiedad molar parcial muy importante es la energía de Gibbs molar parcial o potencial químico.

Modelo de gas idealUn gas ideal es un gas teórico compuesto de un conjunto de partículas puntuales con desplazamiento aleatorio que no interactúan entre sí. El concepto de gas ideal es útil porque el mismo se comporta según la ley de los gases ideales, una ecuación de estado simplificada, y que puede ser analizada mediante la mecánica estadística.En condiciones normales tales como condiciones normales de presión y temperatura, la mayoría de los gases reales se comporta en forma cualitativa como un gas ideal. Muchos gases tales como el nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, gases nobles, y algunos gases pesados tales como el dióxido de carbono pueden ser tratados como gases ideales dentro de una tolerancia razonable.1 Generalmente, el apartamiento de las condiciones de gas ideal tiende a ser menor a mayores temperaturas y a menor densidad (o sea a menorpresión),1 ya que el trabajo realizado por las fuerzas intermoleculares es menos importante comparado con energía cinética de las partículas, y el tamaño de las moléculas es menos importante comparado con el espacio vacío entre ellas.El modelo de gas ideal tiende a fallar a temperaturas menores o a presiones elevadas, cuando las fuerzas intermoleculares y el tamaño intermolecular es importante. También por lo general, el modelo de gas ideal no es apropiado para la mayoría de los gases pesados, tales como vapor de agua o muchos fluidos refrigerantes.1 A ciertas temperaturas bajas y a alta presión, los gases reales sufren una transición de fase, tales como a un líquido o a un sólido. El modelo de un gas ideal, sin embargo, no describe o permite las transiciones de fase. Estos fenómenos deben ser modelados por ecuaciones de estado más complejas.

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Factor de comprensibiliadEl factor de compresibilidad (Z), conocido también como el factor de compresión, es la razón del volumen molar de un gas con relación al volumen molar de un gas ideal a la misma temperatura y presión. Es una propiedad termodinámica útil para modificar la ley de los gases ideales para ajustarse al comportamiento de un gas real.1 En general, la desviación del comportamiento ideal se vuelve más significativa entre más cercano esté un gas a un cambio de fase, sea menor la temperatura o más grande la presión. Los valores de factor de compresibilidad son obtenidos usualmente mediante cálculos de las ecuaciones de estado, tales como la ecuación del virial la cual toma constantes empíricas de compuestos específicos como datos de entrada. Para un gas que sea una mezcla de dos o más gases puros (aire o gas natural, ejemplo), es requerida una composición del gas para que la compresibilidad sea calculada.De manera alternativa, el factor de compresibilidad para gases específicos puede ser leída a partir de gráficos de compresibilidad generalizados1 que grafiquen   como una función de la presión a temperatura constante.

Mezclas de vapor de agua-aireEl aire que compone el ambiente del planeta contiene una proporción de vapor de agua que varía con la ubicación geográfica y los factores climáticos, aunque esta proporción es relativamente baja es necesario tenerla en cuenta ante cualquier calculo en ingeniería en el que se involucre la participación del aire atmosférico. La mezcla aire seco y vapor de agua recibe el nombre de aire húmedo, y esta caracterizada por un conjunto de propiedades y conceptos particulares, a continuación se realiza una descripción de cada uno de ellos, tenga en cuenta que serán de gran aplicación a la hora de analizar los procesos de secado y refrigeración, entre otros.

Metodología de resolución de problemas y materia

Balance de materia de un sistema gaseosas y mezclas de vapor agua-aire BALANCES DE MATERIA EN SISTEMAS GASEOSOS CON UN COMPONENTE condensablesEn Varios Procesos Industriales Como el Secado, la humidificación y deshumidificación la, hijo Comunes Sistemas gaseosos estafa Varios Componentes de los Cuales Solamente Uno Puede del Existir Como Líquido en las Condiciones de Proceso. Un EJEMPLO ES El Húmedo aire. Considérese Una Cámara Que inicialmente Tiene aire seco ya la Cual sí le introducirá Agua Líquida manteniendo Constantes La Temperatura Y La presión: Las Moléculas de agua comienzan a evaporarse y debido un Ello La presión parcial del Agua Aumenta En La gaseosa fase (Aumenta Do Fracción molar): pH2O = YH2O P. Llega Un momento en el cual sea la CANTIDAD de vapor de agua en la fase gaseosa es tal Que esta fase no es Capaz de recibir Más agua. En ESE Momento, la fase gaseosa de ESTAsaturada con Agua y el Agua en fase DICHA sí denominador vapor saturado. En ESE Caso, según la ley de Raoult, La presión parcial del vapor en el gas es Igual a La presión de vapor del Componente puro a la Temperatura del Sistema :pyo = Yyo * P = pvi. (Condición de saturación)

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