balances

1. BALANCES DE ENERGÍA
Dr. José Luis Herrera
Introducción a Ingeniería Química 2022
UNIVERSIDAD NACIONAL DE MISIONES
FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, QUÍMICAS
Y NATURALES
2022

2. Energía
 Capacidad para producir trabajo
Puede adoptar distintas formas convertibles directa o indirectamente unas en
otras:
 Energía Potencial,
 Energía Cinética,
 Energía Eléctrica,
 Radiación electromagnética,
 Energía Química (de enlace),
 Calor.

3. Escalas de medición de Temperaturas

4. Conversión de temperaturas
 Para tener presente:
 en el sistema anglosajón la coma (,) separa los miles y el punto (.) las cifras decimales
 En nuestros textos y en la web vamos a ver que las formas varían según el origen
 Para nosotros, el punto (.) separa los miles y la coma (,) las cifras decimales (OJO con esto!)
Fuente: https://www.aulafacil.com/cursos/quimica/problemas-de-quimica-general-para-universitarios/escalas-de-temperatura-l40212

5. Magnitudes referidas a energía
Cantidad absoluta:
Energía, J, cal, kcal, kJ
Caudal:
Energía/tiempo, J/s (W)
Flujo:
Energía/(tiempo . superficie), W/m2
Específica:
Energía/masa, J/kg

6. 1ra. Ley
LEY DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
La energía ni se crea ni se destruye,
sólo se transforma.
Primer principio de la
Termodinámica

7. Aplicaciones
 Recuperación máxima del Calor: optimización energética del
proceso. Calentamiento o enfriamiento de un fluido
 Producción de Calor en Hornos y Calderas. Cálculo de Perdidas y
Aislamientos. Optimización de los Procesos de Obtención de
Energía Eléctrica (Cogeneración).
 Cálculo del consumo de combustible para producir trabajo y calor
 Cálculo de la energía mecánica necesaria que hay que comunicar a
un fluido para mantenerlo en movimiento

8. Manifestaciones de Energía
 TRABAJO (W, del inglés work)
 Es una manifestación de la energía que representa una
transferencia entre el sistema y el entorno.
 El trabajo no puede almacenarse.
 Es positivo si se efectúa sobre el sistema, el trabajo hecho por el
sistema es negativo
El trabajo es una
cantidad escalar
La única fuerza efectiva es la componente en la dirección del
desplazamiento

9. Manifestaciones de Energía
 CALOR (Q)
 Energía en tránsito
 Se define como la parte del flujo total energía que cruza a través de la frontera
de un sistema debido a una diferencia de temperatura entre el sistema y el
entorno. Se conoce en ingeniería también como flujo calórico.
 El calor es positivo cuando es transferido al sistema, este puede ser
transferido por conducción, convección y radiación.
 La fuerza impulsora es la diferencia de temperaturas…

10. Manifestaciones de Energía
 ENERGÍA CINÉTICA (Ec)
 Es la energía que tiene el sistema asociada a su velocidad relativa al
entorno en reposo.

Ec = ½ m v2

11. Manifestaciones de Energía
 ENERGÍA POTENCIAL (EP)
 Es la energía que posee el sistema debido a la fuerza ejercida
sobre su masa por un campo gravitacional o
electromagnético con respecto a un plano de referencia
 Energía potencial debida a un campo gravitacional:
EP = m g h
 h = distancia al plano de referencia, medida a partir del centro de masa del sistema
 m = masa del sistema
 g = aceleración de gravedad
EP = ½ k x2
Energía potencial elástica

12. Manifestaciones de Energía
 ENERGÍA INTERNA (U)
 La energía interna(U), es la medida macroscópica de la energías molecular,
atómica, y subatómica, lo cual sigue reglas microscópicas definidas para los
sistemas dinámicos.
 La energía interna se mide indirectamente a través de la medición de otras
variables, tales como presión, volumen, temperatura y composición. La
energía interna se calcula como en relativa a un estado de referencia, pero no
en forma absoluta
Primer principio de laTermodinámica

13. Manifestaciones de Energía
Primer principio de laTermodinámica
ΔU
(cambio en la energía interna)
Q
(calor)
W
(trabajo hecho sobre el gas)
es + si la temperatura T aumenta. es + si entra calor al gas. es + si el gas se comprime.
es - si la temperatura T disminuye. es - si sale calor del gas. es - si el gas se expande.
es 0 si la temperatura T es
constante. es 0 si no se intercambia calor. es 0 si el volumen es constante.
https://www.educaplus.org/gases/tcm_y_t.html

14. Manifestaciones de Energía
 ENTALPÍA (H)
 La entalpía se expresa como
H = U + PV
 donde U es la energía interna, P es la presión y V el volumen.
 Al igual que en el caso de la energía interna, la entalpía no tiene un valor absoluto,
sólo se miden los cambios de entalpía.
 Para determinar la entalpía se considera un estado de referencia:
 Estado inicial del sistema Estado final del sistema
Entalpía = H1 - Href H2 - Href

15. Manifestaciones de Energía
 Si consideramos un proceso a presión constante tenemos:
H = U + PV
en este caso H corresponde al calor absorbido por el sistema, luego
H = Qp
 Si el proceso se verifica a volumen constante V = 0, luego

H = U = Qv
La entalpía es una función de estado y sólo depende de
los estados inicial y final y no del camino recorrido

16.  ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA
 Energía de un fotón en relación a la frecuencia de onda.
E = h ν
 Cuando interacciona con la materia toda o parte de esta energía puede ser
absorbida. Normalmente su absorción se expresa como un aumento de
temperatura.
 ENERGÍA NUCLEAR
 Transformación de masa en energía de acuerdo a
E = m c2
Desintegraciones nucleares.
Manifestaciones de Energía
h= constante de Planck
h= 6,626 070 × 10-34
J/s
c= velocidad de la luz
c= 299.792.458 m/s
Cuanto o Partícula

17. Ecuación general del Balance
Acumulación
de Energía
dentro del
sistema
=
Transferencia
de Energía a
través de las
paredes del
sistema
-
Transferencia de
Energía fuera de
las paredes del
sistema
+
Energía
Generada
dentro del
sistema
-
Energía
Consumida
dentro del
sistema
Los BE serán imprescindibles en equipos en los que el intercambio de
energía sea determinante, lo que fundamentalmente sucederá en
cambiadores de calor, evaporadores, columnas de destilación, etc., es
decir, cuando haya que calentar o enfriar un fluido

18. Intercambio de calor
˙
𝑚 𝑜
𝑢
𝑡𝐻 𝑜
𝑢
𝑡− ˙
𝑚 𝑖
𝑛𝐻 𝑖
𝑛
=𝑄

19. Problema
En un recipiente aislado se ponen en contacto 750 cm³
de agua a 20 °C con 250 cm³ de agua a 80 °C. ¿Cuál
es la temperatura final de la mezcla?
¿Cuánto calor ha pasado de un subsistema al otro?
Cp = 4,184 kJ kg-1
K-1

20. Calor y cambios de fase

22. Ejemplo 1
 Una estudiante desea enfriar 0,25 kg de Ovni -Cola
diet (casi sólo agua) que está a 25ºC agregándole
hielo que está a -20ºC.
 ¿Cuánto hielo debe agregar para que la temperatura
final sea 0ºC con todo el hielo derretido, si puede
ignorarse la capacidad calorífica del recipiente?

23. Solución
 Calores sensibles
Qovni, s = movni Cp, ovni (T)ovni
Qhielo, s = mhielo Cp, hielo (T)hielo
(Cp, hielo=2,0 kJ kg-1
K-1
)
 Calor Latente
Qhielo, l = mhielo  hielo
( hielo =334 kJ kg-1
)

24. Balance de Calor
Qovni, s + Qhielo, s + Qhielo, l = 0

25. Ejemplo 2
En un recipiente de cobre aislado térmicamente, que
pesa 1 kg y que contiene 5 kg de agua a 10ºC, se
introduce un calentador eléctrico de 1500 W de
potencia.
Calcular el tiempo que transcurrirá hasta que el agua se
ponga a hervir, suponiendo que no se producen
pérdidas de calor hacia el exterior.
(cp cobre = 0,385 kJ/(kg.K); cp agua = 4,18 kJ/(kg.K)

26. Ejemplo 3
En un recipiente aislado térmicamente se mezclan
529 kg de un concentrado de tomate, a 85ºC de
temperatura, con 350 kg de agua, a 25ºC de
temperatura, para iniciar la fabricación de una
salsa.
¿Cuál será la temperatura de la mezcla?
(cp conc tomate = 2,83 kJ/(kg.K); cp agua = 4,18 kJ/(kg.K)