El documento describe el balance de energía. Explica que la energía no puede crearse ni destruirse, sino solo transformarse. Detalla las formas en que la energía puede intercambiarse entre un sistema y su entorno, incluida la energía interna, cinética, potencial, calor y trabajo. Además, explica cómo aplicar el balance de energía a sistemas cerrados y abiertos.

1. BALANCE DE ENERGÍA
Mario Robles
Anahí Reynoso
Enrique Murillo

2. Balance de energía
Supóngase que se somete a un sistema en un estado energético específico, a
algún proceso que provoca que cambie dicho estado.
Como la energía no puede crearse ni destruirse, para todos los casos debe
cumplirse que:
Todos los cambios de energía del sistema, entre los estados inicial y final, se
pueden explicar mediante intercambios de energía entre el sistema y sus
alrededores.
Para convertir esta expresión cualitativa a una ecuación de balance útil,
necesitamos especificar las formas en que estos intercambios de energía pueden
ocurrir.

3. Balance por intercambios de energía
 En lo que respecta a la energía asociada con la masa, se
divide en tres tipos:
 Energía interna (U)
 Energía cinética (K)
 Energía potencial (P)
 También la energía puede transferirse por:
 Calor (Q). La generación o consumo de energía dentro del sistema
estará dada por reacción química o causada por algún
 Trabajo (W). campo eléctrico o magnético externo.

4. Formas de energía en transición: TRABAJO
 Cuando el sistema efectúa trabajo sobre sus
alrededores, les transfiere cierta cantidad de
energía.
 De igual forma, cuando los alrededores efectúan
trabajos sobre un sistema, el contenido de energía
del sistema aumenta.

5. Formas de energía en transición:
CALOR
 Cuando se coloca a un sistema que está a una temperatura
determinada dentro de un medio que se encuentra a una
temperatura mayor, la temperatura del sistema aumenta en
tanto que la temperatura de sus alrededores podría bajar.

6. La energía no se crea ni se destruye,
sólo se transforma.
 Cuando dos objetos de diferente energía térmica se
ponen en contacto, se transfiere energía de uno a otro.
 Por ejemplo:
 Supongamos que se vacía una cubeta de carbón
caliente en un recipiente con agua, el carbón
transferirá energía térmica al agua hasta que los
materiales tengan la misma temperatura; a esto se
llama equilibrio térmico.

7. Ecuación general de balance de
energía:
Ṹ
No todos los términos están en juego en algunos casos el valor de los términos es muy
pequeño que puede ser despreciable.

8. Transferencia de calor
 La cantidad de calor transferido durante un proceso de denota
por Q y su unidad en el S.I. es el Julio ( J ) .
 La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es
la velocidad de transferencia de calor se denota por . Su
Q
unidad en el S.I. es el J /Q = W .
Conocida la velocidad de transferencia de calor se puede determinar
la cantidad de calor transferida en un intervalo de tiempo por:

9. Sistemas cerrados
 Un sistema es cerrado cuando la masa no atraviesa los límites del
sistema durante el periodo del balance de energía.
 En consecuencia el balance de energía para este sistema es el siguiente:
 Energía neta transferida = Energía final – Energía inicial
Resultando:
 Q + W = ΔU + ΔEc + ΔEp, como W=0.
Tenemos Q = ΔU + ΔEc + ΔEp
De donde: Q = Flujo calorífico transferido.
W = Trabajo realizado en sistema.
U = Variación de la energía interna.
ΔEc = Variación de la energía cinética.
ΔEp = Variación de la energía potencial.

10. Sistemas abiertos
 Un sistema es abierto cuando la masa atraviesa los
límites del sistema durante el periodo del balance de
energía.
 En consecuencia el balance de energía para este
sistema es el siguiente;
 Energía neta transferida = Energía final – Energía
inicial
 Resultando: Q + Ws = ΔH + ΔEc + ΔEp
 De donde: Q (Flujo calorífico transferido), Ws
(Trabajo realizado en el sistema, ΔH (Variación de la
entalpía), ΔEc (Variación de la energía cinética), ΔEp
(Variación de la energía potencial).

11. Balance de energía en un intercambiador
de calor.

13. Eficiencia en el intercambiador de calor

14. BALANCE DE ENERGÍA EN UNA
SUPERFICIE

-- Una superficie no contiene ni volumen ni masa y, por tanto,
tampoco energía. Se puede considerar como un sistema ficticio
cuyo contenido de energía permanece constante durante un
proceso. El balance de energía será: Eentra = Esale
-- Balance de energía para la superficie exterior de una
pared

-- Eentra = Esale => Q1-punto = Q2-punto + Q3-punto
-- Cuando no se conocen la direcciones de transferencia se
pueden suponer todas entrantes ( dirigidas a la superficie ) y el
balance de energía será: Eentra = 0

15. Algunas aplicaciones de los balances
de energía en la Industria
Recuperación máxima del Calor: optimización energética del proceso.
Calentamiento o enfriamiento de un fluido.
 Producción Efectiva de Calor en Hornos y Calderas. Cálculo de
Perdidas y Aislamientos. Optimación 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

16. Sistemas donde se pueden aplicar
un balance de energía:
- Un proceso químicaplanta: p.ej. Fabricación
- Una planta de una completa: Por ejemplo,
de olefinas
Una refinería. (Complejo síntesis de
amoniaco)

17. Algunas aplicaciones de los balances de
energía en la Industria
 Unidad de una planta: p.ej. Columna de
rectificación, reactor

18. Algunas aplicaciones de los balances
de energía en la Industria
 Cambiadores de Calor

19. Balances entálpicos
 Aplicación a sistemas en régimen estacionario
que intercambian calor con el medio.
 Incluye cambios en la temperatura, en el estado
de agregación o en la naturaleza química de las
sustancias.
 No se considera la contribución de la energía
mecánica (variaciones de energía potencial y
cinética despreciables) al estado energético del
sistema.

20. Aplicaciones de Balances entálpicos
 Cálculo de la cantidad de calor (Q) necesaria para modificar la
temperatura, estado de agregación o naturaleza química de un
determinada cantidad de materia.
 Cálculo del caudal de fluido refrigerante o de calefacción necesario
para mantener las condiciones de trabajo de una operación.
 Cálculo de los caudales de calor intercambiado requeridos para que
una operación se realice en condiciones isotérmicas o adiabáticas.
 Cálculo del consumo de combustible para producir el calor necesario
en una operación.
 Calculo de Rendimientos y Propuestas de estrategias