MMóódulo II: Balances de dulo II: Balances de Materia y EnergMateria y EnergííaaCurso de CapacitaciCurso de Capacitacióón sobre Evaluacin sobre Evaluacióón n

Ambiental y GestiAmbiental y Gestióón de Riesgos Ambientalesn de Riesgos AmbientalesPresenta: Ing. Leonel HernPresenta: Ing. Leonel Hernáándezndez

DeptoDepto. de Ciencias Energ. de Ciencias Energééticas y ticas y FluFluíídicasdicasUniversidad Centroamericana JosUniversidad Centroamericana Joséé SimeSimeóón n

CaCaññasas

Unidad 1Unidad 1Importancia y ubicaciImportancia y ubicacióón de los balances n de los balances de materia y energde materia y energíía.a.

IntroducciIntroduccióónnImportancia de los balances de materia y Importancia de los balances de materia y energenergíía para la evaluacia para la evaluacióón de impacto n de impacto ambiental.ambiental.Tipos de procesos y se representaciTipos de procesos y se representacióónnVariables de procesoVariables de procesoSistemas de unidades.Sistemas de unidades.

IntroducciIntroduccióónn

Este mEste móódulo estdulo estáá orientado a exponer las bases de orientado a exponer las bases de los balances de materia y energlos balances de materia y energíía y su utilidad a y su utilidad para el anpara el anáálisis de los procesos naturales e lisis de los procesos naturales e industriales que suelen presentarse en los estudios industriales que suelen presentarse en los estudios de impacto ambiental. No se trata de cubrir las de impacto ambiental. No se trata de cubrir las ttéécnicas de resolucicnicas de resolucióón de problemas que suelen n de problemas que suelen abordarse en un curso formal de este tema, sino abordarse en un curso formal de este tema, sino de identificar los aspectos clave en los que se de identificar los aspectos clave en los que se basan dichos balances. basan dichos balances.

Importancia de los balances de Importancia de los balances de materia y energmateria y energííaa

La materia y la energLa materia y la energíía se encuentran en constante estado de flujo a se encuentran en constante estado de flujo en la naturaleza, y lo que la humanidad ha hecho es aprovechar en la naturaleza, y lo que la humanidad ha hecho es aprovechar esta tendencia para obtener bienestar, alimentos, fuentes esta tendencia para obtener bienestar, alimentos, fuentes energenergééticas y otras cosas.ticas y otras cosas.Normalmente se asocia este tema con los cNormalmente se asocia este tema con los cáálculos realizados lculos realizados principalmente por los ingenieros quprincipalmente por los ingenieros quíímicos, pero alguna nocimicos, pero alguna nocióón de n de ellos deben tener tambiellos deben tener tambiéén todas las ramas de la ingeniern todas las ramas de la ingenieríía, asa, asíí como como las disciplinas qulas disciplinas quíímicas y biolmicas y biolóógicas.gicas.Los balances de materia y energLos balances de materia y energíía son la herramienta con la que se a son la herramienta con la que se analiza la situacianaliza la situacióón de estabilidad de un proceso, y para determinar n de estabilidad de un proceso, y para determinar la manera cla manera cóómo se distribuyen los componentes en los sistemas o mo se distribuyen los componentes en los sistemas o entre sistemas en contacto directo.entre sistemas en contacto directo.TambiTambiéén son de utilidad para cuantificar la energn son de utilidad para cuantificar la energíía transferida o a transferida o consumida por los sistemas, el cconsumida por los sistemas, el cóómo esta transferencia afecta las mo esta transferencia afecta las propiedades de los sistema y la cantidad de energpropiedades de los sistema y la cantidad de energíía a úútil que se til que se puede obtener de las transformaciones.puede obtener de las transformaciones.

Importancia de los balances de Importancia de los balances de materia y energmateria y energííaa

Una de las aplicaciones mUna de las aplicaciones máás notables de los balances de s notables de los balances de materia y energmateria y energíía se encuentra en la metodologa se encuentra en la metodologíía a conocida como Anconocida como Anáálisis de Ciclo de Vida (ACV), usada lisis de Ciclo de Vida (ACV), usada para evaluar la sostenibilidad de procesos productivos y para evaluar la sostenibilidad de procesos productivos y de los impactos medioambientales, con el fin de de los impactos medioambientales, con el fin de optimizar los recursos y producir mejoras ambientales optimizar los recursos y producir mejoras ambientales aplicables a sistemas productivos.aplicables a sistemas productivos.Este Este úúltimo enfoque requiere una extensa recopilaciltimo enfoque requiere una extensa recopilacióón n de informacide informacióón acerca de la transformacin acerca de la transformacióón de los n de los materiales, y de la energmateriales, y de la energíía consumida (o producida) a consumida (o producida) durante las distintas etapas de la produccidurante las distintas etapas de la produccióón de un bien n de un bien ya sea a travya sea a travéés de un proceso industrial o de uno que s de un proceso industrial o de uno que incluya una fase agraria y de manejo de recursos incluya una fase agraria y de manejo de recursos naturales.naturales.

Algunas definiciones para recordarAlgunas definiciones para recordar

Sistema: Sistema: se refiere a la se refiere a la porciporcióón del universo en n del universo en el cual se centra nuestro el cual se centra nuestro estudio. Puede estudio. Puede comprender una comprender una cantidad fija de masa, o cantidad fija de masa, o un espacio o volumen un espacio o volumen determinado, o incluso determinado, o incluso una determinada una determinada extensiextensióón de territorio.n de territorio.

Sistema y sus interaccionesSistema y sus interacciones

Tipos de FronterasTipos de Fronteras

¿¿CCóómo definir las fronteras?mo definir las fronteras?

La frontera de un sistema se escoge por La frontera de un sistema se escoge por conveniencia de acuerdo a:conveniencia de acuerdo a:

11-- lo que se sabe de un posible sistema, lo que se sabe de un posible sistema, particularmente en sus fronteras; yparticularmente en sus fronteras; y22-- el objetivo del anel objetivo del anáálisislisis

Sistema cerradoSistema cerradoCuando no hay flujo de Cuando no hay flujo de material a travmaterial a travéés de las s de las fronteras del sistema, se fronteras del sistema, se habla de un habla de un sistema sistema cerrado.cerrado.Muchos anMuchos anáálisis se lisis se pueden realizar usando pueden realizar usando este modelo.este modelo.Un caso especial es Un caso especial es cuando no hay ningcuando no hay ningúún n tipo de interaccitipo de interaccióón con n con los alrededores. Entonces los alrededores. Entonces se habla de un se habla de un sistema sistema aislado.aislado.

Volumen de controlVolumen de controlEn muchas situaciones es En muchas situaciones es mmáás conveniente estudiar el s conveniente estudiar el material contenido en una material contenido en una regiregióón del espacio, y que n del espacio, y que estestáá fluyendo a travfluyendo a travéés de s de ella. En este caso se utiliza ella. En este caso se utiliza el el volumen de control.volumen de control.Este modelo no reemplaza Este modelo no reemplaza al concepto de sistema, sino al concepto de sistema, sino que lo amplque lo amplíía al considerar a al considerar aquellos casos que aquellos casos que involucran velocidades y involucran velocidades y fuerzas aplicadas.fuerzas aplicadas.

Volumen de controlVolumen de controlMuchos procesos de Muchos procesos de flujo flujo estableestable se estudian mejor se estudian mejor utilizando el enfoque del utilizando el enfoque del volumen de control.volumen de control.Cuando se centra la Cuando se centra la atenciatencióón en una regin en una regióón, es n, es mmáás conveniente el uso de s conveniente el uso de este enfoque, ya que se este enfoque, ya que se consideran consideran úúnicamente las nicamente las interacciones en las interacciones en las fronteras, y no se toma en fronteras, y no se toma en cuenta lo que suceda cuenta lo que suceda dentro.dentro.

Estado y equilibrioEstado y equilibrio

El El estadoestado de un sistema se refiere a la de un sistema se refiere a la asignaciasignacióón de valores en las n de valores en las propiedades del mismo.propiedades del mismo.Cuando un sistema estCuando un sistema estáá en en equilibrioequilibriono existen potenciales desbalanceados no existen potenciales desbalanceados dentro del sistema.dentro del sistema.Un sistema en equilibrio no Un sistema en equilibrio no experimenta cambios cuando se le experimenta cambios cuando se le aaíísla de los alrededores.sla de los alrededores.

Tipos de equilibrios de interTipos de equilibrios de interéés s

Equilibrio tEquilibrio téérmico (la T es la misma)rmico (la T es la misma)Equilibrio mecEquilibrio mecáánico (la suma de las nico (la suma de las fuerzas actuando es cero)fuerzas actuando es cero)Equilibrio material.Equilibrio material.

Si hay mSi hay máás de una fase, la masa de ellas no s de una fase, la masa de ellas no varvaríía.a.Si es un sistema con reacciSi es un sistema con reaccióón qun quíímica, la mica, la composicicomposicióón de la mezcla no cambia.n de la mezcla no cambia.

Procesos y ciclosProcesos y ciclosCualquier cambio que un Cualquier cambio que un sistema experimenta sistema experimenta desde un estado de desde un estado de equilibrio a otro se equilibrio a otro se conoce como conoce como proceso.proceso.La serie de estados por La serie de estados por los que pasa el sistema los que pasa el sistema durante el proceso se durante el proceso se conoce como conoce como trayectoria.trayectoria.Un proceso cuyo estado Un proceso cuyo estado inicial y final son inicial y final son ididéénticos se conoce nticos se conoce como un como un ciclo.ciclo.

Tipos de procesosTipos de procesosNos interesan tres tipos de procesos:Nos interesan tres tipos de procesos:

Procesos de cambio fProcesos de cambio fíísico.sico.Procesos de cambio quProcesos de cambio quíímico.mico.Procesos donde hay cambios tanto fProcesos donde hay cambios tanto fíísicos como qusicos como quíímicos.micos.

En los procesos de cambio fEn los procesos de cambio fíísico las sustancias no sico las sustancias no cambian en su naturaleza qucambian en su naturaleza quíímica, pero smica, pero síí pueden pueden cambiar de estado de agregacicambiar de estado de agregacióón. Los procesos de n. Los procesos de mezclado, separacimezclado, separacióón, de cambio de fase, etc., caen n, de cambio de fase, etc., caen dentro de esta categordentro de esta categoríía.a.Los procesos con cambio quLos procesos con cambio quíímico afectan la naturaleza mico afectan la naturaleza de las sustancias, convirtide las sustancias, convirtiééndolas en otras con distintas ndolas en otras con distintas propiedades. Las reacciones qupropiedades. Las reacciones quíímicas son las que micas son las que representan este tipo.representan este tipo.

Variables del proceso.Variables del proceso.

Este tEste téérmino se refiere a las propiedades rmino se refiere a las propiedades que describen el estado de los sistemas.que describen el estado de los sistemas.Las propiedades son objeto de mediciLas propiedades son objeto de medicióón o n o de estimacide estimacióón.n.Las mLas máás utilizadas son: temperatura, s utilizadas son: temperatura, presipresióón, densidad, volumen, contenido de n, densidad, volumen, contenido de energenergíía, velocidad.a, velocidad.

Dimensiones y unidadesDimensiones y unidadesSe le llama dimensiSe le llama dimensióón a una caractern a una caracteríística stica sujeta a medicisujeta a medicióón o estimacin o estimacióón. Las mn. Las máás s usadas son: longitud, masa, tiempo, usadas son: longitud, masa, tiempo, temperatura.temperatura.Una unidad es la cuantificaciUna unidad es la cuantificacióón de una n de una dimensidimensióón, ya sea de manera individual o n, ya sea de manera individual o combinada. Ascombinada. Asíí, hay unidades de longitud, de , hay unidades de longitud, de masa, de tiempo y de temperatura, pero masa, de tiempo y de temperatura, pero tambitambiéén las hay de otras propiedades como la n las hay de otras propiedades como la velocidad, la energvelocidad, la energíía, el potencial ela, el potencial elééctrico, ctrico, etc., que se forman por combinacietc., que se forman por combinacióón de las n de las dimensiones bdimensiones báásicas a travsicas a travéés de una relacis de una relacióón n funcional. Por ejemplo, la fuerza.funcional. Por ejemplo, la fuerza.

Sistemas de unidades.Sistemas de unidades.Son las unidades las que se agrupan en Son las unidades las que se agrupan en conjuntos o sistemas.conjuntos o sistemas.El mEl máás usado es el Sistema Internacional (SI), s usado es el Sistema Internacional (SI), cuyas unidades son:cuyas unidades son:

Masa: kilogramo (Masa: kilogramo (kgkg))Longitud: metro (m)Longitud: metro (m)Tiempo: segundo (s)Tiempo: segundo (s)Temperatura: kelvin (K)Temperatura: kelvin (K)Fuerza: newton (N)Fuerza: newton (N)EnergEnergíía: joule (J y a: joule (J y kJkJ))Potencia: watt (W)Potencia: watt (W)Cantidad de sustancia: moles (n)Cantidad de sustancia: moles (n)

Sistema inglSistema inglééss

Masa: libraMasa: libra--masa (masa (lbmlbm))Fuerza: libraFuerza: libra--fuerza (fuerza (lbflbf))Tiempo: segundo (s)Tiempo: segundo (s)Longitud: pie (Longitud: pie (ftft))EnergEnergíía: a: lbflbf--piepiePotencia: Potencia: lbflbf--pie/spie/sTemperatura: Temperatura: °° rankinerankine ((°°RR))Cantidad de sustancia: molesCantidad de sustancia: moles--libra (mollibra (mol--lblb))

Unidad 2Unidad 2

Balances de masa.Balances de masa.Principio de conservaciPrincipio de conservacióón de la masa y n de la masa y ecuaciecuacióón general del balance de masa.n general del balance de masa.Balances totales y por componente.Balances totales y por componente.Balances de masa sin reacciBalances de masa sin reaccióón qun quíímica.mica.Balances de masa con reacciBalances de masa con reaccióón qun quíímica.mica.

Principio de conservaciPrincipio de conservacióón de la n de la masa.masa.

Los balances de masa se fundamentan en el Los balances de masa se fundamentan en el principio de conservaciprincipio de conservacióón de la masa: n de la masa: la masa la masa no se crea ni se destruyeno se crea ni se destruye. Premisa que para . Premisa que para nuestros fines es mnuestros fines es máás que suficiente, pero no s que suficiente, pero no absoluta.absoluta.Lo anterior se basa en la observaciLo anterior se basa en la observacióón que para n que para sistemas cerrados y abiertos, la distribucisistemas cerrados y abiertos, la distribucióón de n de los materiales puede cambiar entre un instante los materiales puede cambiar entre un instante inicial y uno final, debido a cambios finicial y uno final, debido a cambios fíísicos o sicos o ququíímicos, pero la cantidad total, medida en micos, pero la cantidad total, medida en unidades de masa, se mantiene antes y despuunidades de masa, se mantiene antes y despuéés s de un proceso.de un proceso.

EcuaciEcuacióón general del balance de n general del balance de masa en procesos fmasa en procesos fíísicos.sicos.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

sale quetotal Masa

entra que total Masa

sistema. delmasa de cantidadla en Cambio

La expresiLa expresióón anterior se puede escribir en tn anterior se puede escribir en téérminos rminos totales, o en forma de rapidez.totales, o en forma de rapidez.En los procesos en los que la cantidad de masa del En los procesos en los que la cantidad de masa del sistema estsistema estáá cambiando interesa a veces saber con qucambiando interesa a veces saber con quéérapidez lo hace, en ese sentido, la masa que entra y que rapidez lo hace, en ese sentido, la masa que entra y que sale se expresa en forma de sale se expresa en forma de flujo mflujo máásicosico ((kgkg/s, /s, kgkg/h, /h, kgkg/d/díía, ton/da, ton/díía, ton/aa, ton/añño, o, etcetc).).Dentro del caso anterior pueden entrar las situaciones Dentro del caso anterior pueden entrar las situaciones de llenado y vaciado de tanques o estanques.de llenado y vaciado de tanques o estanques.

La expresiLa expresióón como la descrita antes se n como la descrita antes se conoce como un conoce como un balance total de masabalance total de masa, , pues spues sóólo se fija en la cantidad total de lo se fija en la cantidad total de materiales, sin hacer distincimateriales, sin hacer distincióón de las n de las clases de sustancias contenidas en el clases de sustancias contenidas en el sistema.sistema.TambiTambiéén, es aplicable tanto si las n, es aplicable tanto si las sustancias son lsustancias son lííquidas o gaseosas.quidas o gaseosas.En este En este úúltimo caso, lo que puede cambiar ltimo caso, lo que puede cambiar son otro tipo de propiedades como la son otro tipo de propiedades como la velocidad o la densidad, pero ellas deben velocidad o la densidad, pero ellas deben hacerlo sujetas a la restriccihacerlo sujetas a la restriccióón de la n de la expresiexpresióón general.n general.

Si dentro del sistema ocurre un cambio de fase, Si dentro del sistema ocurre un cambio de fase, un mezclado, o una separaciun mezclado, o una separacióón de sustancias, se n de sustancias, se pueden plantear tambipueden plantear tambiéén n balances por balances por componentecomponente, en los cuales se describe la , en los cuales se describe la manera cmanera cóómo se distribuyen las sustancias en mo se distribuyen las sustancias en las distintas corrientes de entrada y salida.las distintas corrientes de entrada y salida.Un ejemplo serUn ejemplo seríía un equipo de aire a un equipo de aire acondicionado, en el cual entra aire ambiente acondicionado, en el cual entra aire ambiente hhúúmedo y debido al enfriamiento el agua se medo y debido al enfriamiento el agua se condensa y se separa del aire, saliendo por un condensa y se separa del aire, saliendo por un lado aire frlado aire fríío mo máás seco y agua condensado por s seco y agua condensado por el otro lado.el otro lado.Para este tipo de balances se requiere mPara este tipo de balances se requiere máás s informaciinformacióón dada a travn dada a travéés de la s de la composicicomposicióónn de de las corrientes.las corrientes.

La composiciLa composicióón se refiere a la cantidad de n se refiere a la cantidad de sustancia presente en una mezcla de sustancia presente en una mezcla de sustancias.sustancias.Esta suele expresarse de varias maneras: Esta suele expresarse de varias maneras: en fraccien fraccióón de la masa, en fraccin de la masa, en fraccióón molar, n molar, y en los casos cuando las cantidades y en los casos cuando las cantidades presentes son muy pequepresentes son muy pequeññas, se suele as, se suele usar medidas como las usar medidas como las ppmppm..

EcuaciEcuacióón general del balance de n general del balance de masa en procesos qumasa en procesos quíímicos.micos.

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

consumidostotales Moles

generadostotales Moles

                                           

salen quetotales Moles

entran que totales Moles

sistema. delmoles de cantidadla en Cambio

Mol: es la cantidad de sustancia que contiene 6.023 x 1023

unidades de dicha sustancia. El número descrito se conoce como Número de Avogadro. Así, un mol de agua contiene 6.023 x 1023

moléculas de agua y en conjunto tienen una masa de 18 gramos. Lo mismo se puede aplicar a cualquier sustancia.

A diferencia del balance de masa sin reacciA diferencia del balance de masa sin reaccióón qun quíímica, mica, para este caso hay que considerar que aparecerpara este caso hay que considerar que apareceráán n nuevas especies generadas por la reaccinuevas especies generadas por la reaccióón qun quíímica y mica y consumidas por ella. De allconsumidas por ella. De allíí que aparezcan tque aparezcan téérminos de rminos de generacigeneracióón y consumo.n y consumo.Como es de esperarse, la composiciComo es de esperarse, la composicióón de la mezcla n de la mezcla cambiarcambiaráá a medida que la reaccia medida que la reaccióón avance, y al final n avance, y al final puede ser que spuede ser que sóólo haya sustancias generadas, o que lo haya sustancias generadas, o que queden todavqueden todavíía reactivos sin consumir.a reactivos sin consumir.Esto se cuantifica a travEsto se cuantifica a travéés de la s de la conversiconversióón n de la de la reaccireaccióón.n.En los procesos industriales se busca obtener el mEn los procesos industriales se busca obtener el mááximo ximo de converside conversióón pues normalmente el producto es el que n pues normalmente el producto es el que tiene mayor valor econtiene mayor valor econóómico.mico.En los procesos de tratamiento de efluentes, se busca En los procesos de tratamiento de efluentes, se busca tambitambiéén la mayor conversin la mayor conversióón de los materiales en n de los materiales en sustancias msustancias máás inocuas o que sean de ms inocuas o que sean de máás fs fáácil cil transporte y disposicitransporte y disposicióón.n.

Otro aspecto durante los procesos con reacciOtro aspecto durante los procesos con reaccióón n ququíímica es que las sustancias generadas pueden mica es que las sustancias generadas pueden estar en diferente estado de agregaciestar en diferente estado de agregacióón que las n que las que entraron. que entraron. Durante la reacciDurante la reaccióón pueden generarse gases o n pueden generarse gases o llííquidos para una entrada de material squidos para una entrada de material sóólido, o lido, o pueden generarse spueden generarse sóólidos a partir de una lidos a partir de una corriente de entrada que scorriente de entrada que sóólo tenga sustancias lo tenga sustancias disueltas.disueltas.Para los procesos industriales, estos flujos de Para los procesos industriales, estos flujos de materiales son separados del sitio donde ocurre materiales son separados del sitio donde ocurre la reaccila reaccióón (lln (lláámese reactor, quemador, tanque mese reactor, quemador, tanque de tratamiento, de tratamiento, etcetc) y deben ser procesados de ) y deben ser procesados de acuerdo a su naturaleza y propiedades.acuerdo a su naturaleza y propiedades.En los procesos naturales tambiEn los procesos naturales tambiéén pueden haber n pueden haber separaciones de sustancias de distinto estado de separaciones de sustancias de distinto estado de agregaciagregacióón.n.

Cuando ocurre una reacciCuando ocurre una reaccióón qun quíímica, la mica, la informaciinformacióón a recopilar es mayor, pues ademn a recopilar es mayor, pues ademáás s de la composicide la composicióón de las corrientes de entrada, n de las corrientes de entrada, se debe conocer con suficiente confiabilidad la se debe conocer con suficiente confiabilidad la composicicomposicióón de las corrientes de salida.n de las corrientes de salida.Esto es importante para el control de la reacciEsto es importante para el control de la reaccióón n y tener seguridad que el grado de conversiy tener seguridad que el grado de conversióón n alcanzado es el que se espera.alcanzado es el que se espera.AcAcáá, el balance de masa se suele hacer sobre las , el balance de masa se suele hacer sobre las especies quespecies quíímicas presentes o en base a la masa micas presentes o en base a la masa o moles de los elementos quo moles de los elementos quíímicos que forman micos que forman las distintas corrientes.las distintas corrientes.AsAsíí, es usual escuchar t, es usual escuchar téérminos como rminos como balance de balance de carbono, balance de oxcarbono, balance de oxíígeno, balance de geno, balance de nitrnitróógeno, geno, etc. etc.

Unidad 3. Balances de EnergUnidad 3. Balances de Energííaa

La primera ley de la termodinLa primera ley de la termodináámicamicaEnfoques para resolver balances de Enfoques para resolver balances de energenergíía.a.Balances sin reacciBalances sin reaccióón qun quíímica.mica.Balances con reacciBalances con reaccióón qun quíímica.mica.

Primera ley de la termodinPrimera ley de la termodináámica.mica.

La PLT es una principio natural y sus enunciados La PLT es una principio natural y sus enunciados estestáán basados en la experiencia cotidiana.n basados en la experiencia cotidiana.Su aplicaciSu aplicacióón prn prááctica estctica estáá orientada a la orientada a la utilizaciutilizacióón mn máás eficiente de la energs eficiente de la energíía, a la a, a la evaluacievaluacióón de fuentes energn de fuentes energééticas, y a ticas, y a contabilizar cucontabilizar cuáánta de ella se usa en los nta de ella se usa en los procesos de producciprocesos de produccióón.n.Su enunciado mSu enunciado máás conocido es que s conocido es que la energla energíía no a no se crea ni se destruye, sse crea ni se destruye, sóólo se transforma.lo se transforma.Entendemos por Entendemos por energenergííaa a la capacidad de los a la capacidad de los sistemas para realizar cambios.sistemas para realizar cambios.

EnergEnergíía es un concepto del que todos a es un concepto del que todos tenemos alguna nocitenemos alguna nocióón. n. Una idea bUna idea báásica es que la energsica es que la energíía puede a puede estar estar almacenada almacenada dentro de los sistemas dentro de los sistemas en varias formas. La energen varias formas. La energíía puede a puede tambitambiéén ser n ser convertidaconvertida de una forma en de una forma en otra, y otra, y transferida transferida entre sistemas.entre sistemas.Para sistemas cerrados, la energPara sistemas cerrados, la energíía puede a puede ser ser transferidatransferida en forma de en forma de trabajotrabajo y y calor.calor.

Formas de la energFormas de la energííaa

TTéérmicarmicaMecMecáánicanicaCinCinééticaticaPotencialPotencialElElééctricactricaMagnMagnééticaticaQuQuíímicamicaNuclearNuclear

Formas de la energFormas de la energííaa

gzvu

mgzmvUEEU

gze;mgzE

ve;mvE

U

PK

PP

KK

++

++=++

==

==

2 :específica totalEnergía

21

: totalEnergía :potencial Energía

2

21 :cinética Energía

:interna Energía

2

2

22

Sistemas de flujoSistemas de flujo

Los volLos volúúmenes de menes de control involucran control involucran flujos de fluidos por flujos de fluidos por perperííodos prolongados odos prolongados de tiempo, y se hace de tiempo, y se hace mmáás conveniente s conveniente expresar el flujo de expresar el flujo de energenergíía en forma de a en forma de razones.

kW) (kJ/s :energía de flujo==

==

emE

AvVm prom

&&

&& ρρ

razones.

La transferencia de energLa transferencia de energííaaLas formas de energLas formas de energíía mencionadas a mencionadas anteriormente estanteriormente estáán n contenidascontenidas en el sistema, y en el sistema, y de alguna forma pueden considerarse como de alguna forma pueden considerarse como formas formas estestááticasticas de la energde la energíía.a.Las formas Las formas dindináámicasmicas de la energde la energíía constituyen a constituyen las formas de transferencia de la misma, y se las formas de transferencia de la misma, y se conocen como conocen como interacciones energinteracciones energééticas.ticas.En el lenguaje cotidiano, nos referimos a veces a En el lenguaje cotidiano, nos referimos a veces a las formas sensibles y latentes de la energlas formas sensibles y latentes de la energíía a como como calorcalor, pero en termodin, pero en termodináámica es mica es preferible llamarles preferible llamarles energenergíía ta téérmica.rmica.

““OrganizaciOrganizacióónn”” de la energde la energííaaLas formas mLas formas máás s úútiles de tiles de la energla energíía son aquellas a a son aquellas a las que podrlas que podrííamos amos denominar denominar organizadas.organizadas.La energLa energíía cina cinéética tica macroscmacroscóópica de un pica de un cuerpo de agua es mcuerpo de agua es máás s organizada que la energorganizada que la energíía a cincinéética de sus moltica de sus molééculas, culas, y por tanto, es my por tanto, es máás fs fáácil cil de convertir en otras de convertir en otras formas formas úútiles.tiles.

EnergEnergíía meca mecáánicanicaSe le llama asSe le llama asíí a todas las formas de energa todas las formas de energíía que posee a que posee un sistema que puede ser convertida fun sistema que puede ser convertida fáácilmente en cilmente en trabajo mectrabajo mecáánico de manera completa y directa por nico de manera completa y directa por medio de algmedio de algúún dispositivo mecn dispositivo mecáánico como una turbina.nico como una turbina.

( )

( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+

−+

−=∆=∆

−+−

+−

=∆

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++==

++=

12

21

2212

12

21

2212

2

2

2

2

21

21

zzgvvPPmemE

zzgvvPPe

gzvPmeme

gzvPe

mecmec

mec

mecmecánica

mecánica

ρ

ρ

ρ

ρ

&&&

&&&

Transferencia de energTransferencia de energíía por a por calor. calor.

La energLa energíía puede cruzar la a puede cruzar la frontera de un sistemas en dos frontera de un sistemas en dos formas: formas: calor y trabajo.calor y trabajo.El El calorcalor es la transferencia de es la transferencia de energenergíía entre dos sistemas (o a entre dos sistemas (o entre un sistema y sus entre un sistema y sus alrededores) debido a una alrededores) debido a una diferencia de temperatura.diferencia de temperatura.El calor es energEl calor es energíía en a en transicitransicióón, y sn, y sóólo se puede lo se puede identificar cuando cruza la identificar cuando cruza la frontera entre el sistema y los frontera entre el sistema y los alrededores.alrededores.Un proceso en el que no hay Un proceso en el que no hay transferencia de calor se transferencia de calor se conoce como conoce como adiabadiabáático.tico.

Transferencia de energTransferencia de energíía por a por trabajo.trabajo.

Al igual que el calor, el trabajo Al igual que el calor, el trabajo es una interaccies una interaccióón energn energéética tica con los alrededores.con los alrededores.Si la energSi la energíía que cruza la a que cruza la frontera de un sistema cerrado frontera de un sistema cerrado no es calor, pues sno es calor, pues sóólo podrlo podrááser ser trabajotrabajo..El El trabajotrabajo es la transferencia es la transferencia de energde energíía asociada con una a asociada con una fuerza actuando a travfuerza actuando a travéés de s de cierta distancia.cierta distancia.Tiene las mismas unidades del Tiene las mismas unidades del calor por ser energcalor por ser energíía a transfiritransfiriééndose: ndose: kJkJ..El trabajo por unidad de masa El trabajo por unidad de masa es es w=W/mw=W/m

Ejemplos de trabajoEjemplos de trabajo

Balance de energBalance de energíía sin reacciones a sin reacciones ququíímicas.micas.

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+

⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

tiempo. de intervalo un en trabajo deforma en fronteras las de través a

sistema el desde atransferidenergía de neta Cantidad

                                                    

tiempo de intervalo un encalor de ciatransferen de forma en fronteras las de través a

sistema el hacia atransferidenergía de neta Cantidad

salida y entradade flujo de corrientes las por

sistema el hacia neta manerade atransferid Energía

tiempo de lo‐interva un en sistema el

en contenida energía decantidad la en Cambio

Primera ley de la Primera ley de la termodintermodináámica.mica.

El cambio neto (incremento o disminuciEl cambio neto (incremento o disminucióón) en la n) en la energenergíía total de un sistema durante un proceso a total de un sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energes igual a la diferencia entre la energíía total que a total que entra y la energentra y la energíía total que sale del sistema a total que sale del sistema durante el proceso.durante el proceso.

saleentraPK

sistema

−=++

−=−=

∆∆∆∆ 12

Mecanismos de transferencia de Mecanismos de transferencia de energenergíía.a.

Transferencia de calorTransferencia de calor, Q., Q.Transferencia de trabajoTransferencia de trabajo, W., W.Flujo mFlujo máásicosico, m, m

( ) ( )( )

sistema

salidamasaentradamasa

salidaentradasalidaentradasalidaentrada

∆ =

−

+−+−=−

,,

Balance de energBalance de energíía con reacciones a con reacciones ququíímicas.micas.

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡+

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

flujo de corrientes las porenergía de neta ciaTransferen

sistema. del dentroquímicas reacciones las por neta

forma en liberada Energía                                                       

trabajo. deforma en fronteras las de través a

sistema el desde atransferidenergía de neta Cantidad

calor de ciatransferen de forma en fronteras las de través a

sistema el hacia atransferidenergía de neta Cantidad

sistema. elen contenida energía de

cantidad la en Cambio

Enfoques para resolver balances Enfoques para resolver balances de energde energíía a

AcAcáá se utilizan los mismos que para el balance se utilizan los mismos que para el balance de materia: el enfoque de sistema, y el de de materia: el enfoque de sistema, y el de volumen de control.volumen de control.El primero se aplica a una masa fija seleccionada El primero se aplica a una masa fija seleccionada como el sistema, y el segundo a una regicomo el sistema, y el segundo a una regióón en n en el espacio donde la materia transcurre de el espacio donde la materia transcurre de manera estacionaria o no, y que estmanera estacionaria o no, y que estáá limitada limitada por una frontera escogida a conveniencia.por una frontera escogida a conveniencia.Las consideraciones en el caso de haber Las consideraciones en el caso de haber reacciones qureacciones quíímicas tienen que ver con la micas tienen que ver con la energenergíía liberada o consumida por las reacciones, a liberada o consumida por las reacciones, las cuales deben contabilizarse en el balance.las cuales deben contabilizarse en el balance.

Unidad 4. RepresentaciUnidad 4. Representacióón de los n de los balances de materia y energbalances de materia y energííaa

¡¡Muchas gracias!Muchas gracias!Leonel HernLeonel Hernáándezndez

lhernandez@uca.edu.svlhernandez@uca.edu.sv