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BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
• SEMANA N°3
BALANCE DE ENERGÍA
Ing. Enrique Ames Ramírez
Interés
https://bit.ly/2U8J9Me
Video acerca de cómo
funciona una
hidroeléctrica
¿Cuáles son los tipos de energía que
aparecen en el video? Identifique en el
video.
¿Indique un diagrama de bloques que
muestre la secuencia de transformación
de energía?
¿Cuál es tu conclusión del video?
¿Qué importancia tendrá hacer un
balance de energía para la economía y
para el medio ambiente?
AGENDA
1. Sistema Termodinámico.
2. Tipo de sistema.
3. Energía y Masa.
4. Tipos de energía.
5. Formas de transferir energía
6. Primera ley de la termodinámica.
7. Ecuación de Bernoulli.
8. Teorema de Torriccelli.
Al término de la clase, el estudiante aplicará balance de energía sin
reacción química mostrando el manejo de la primera Ley de la
Termodinámica.
LOGRO DE LA SESIÓN
TIEMPO SUJETO VERBO CONDICIÓN CRITERIOS
Descubrimiento
Desarrollo del tema
¿Qué es un Sistema TERMODINÁMICO?
• Es la porción de materia que se utiliza para
un determinado estudio.
• Se distingue de la materia que la rodea a la
cual llamaremos límites o vecinos.
• El sistema se limita con sus fronteras.
Tipos de sistemas
TIPOS DE ENERGÍA
Energía cinética (Ec)
• Es la energía debido a la velocidad
de traslación de un objeto o fluido.
Velocidad media
V = Q/A
Energía potencial gravitatoria (Ep)
• Es la energía del fluido debido a la ubicación o
altura de un cuerpo o fluido respecto a un nivel de
referencia. Mide la interacción del cuerpo o fluido
con la tierra.
Energía de presión (Epe)
• Es la energía que tiene un fluido debido a
la presión a la que se encuentra.
• Epe = PV Unidad en el SI: Joule (J)
Energía interna (U)
• Es la energía que se debe a la agitación
molecular, es decir es propia de la
interacción de las moléculas y átomos
que constituyen al fluido.
• Depende de la temperatura.
Todo cuerpo posee una
energía acumulada en
su interior conocida
como energía interna.
tempera
tura
FORMAS DE TRANSFERIR
LA ENERGÍA
Trabajo (W)
• Si bien es cierto es la magnitud que
cuantifica la transferencia de energía
mediante la aplicación de una fuerza que
se mueve cierta distancia, en forma
práctica podemos decir que cuando un
pistón se mueve o un objeto gira, se
desliza o desplaza hay trabajo
W es el trabajo que realizan sobre el
sistema (-) (como las bombas o
compresores) o que realiza el
sistema (+)(como las turbinas)
Calor
• Es la transferencia de energía por otros
medios distinto al trabajo. Se genera
siempre por una diferencia de
temperatura, transfiriéndose
espontáneamente de mayor a menor
temperatura
Donde Q es calor que el sistema gana (+)
o pierde (-)
Primera Ley de la termodinámica
• En un sistema, se cumple:
(Ecs +Eps+Epes+Us) – (EcE+EpE+EpeE+UE) + dU/dt = q-w
• dU/dt: Es el término de acumulación de energía.
• q: calor intercambiado entre el sistema y su entorno.
• w: Trabajo realizado por el sistema o sobre él.
SISTEMA
1 2
1: Corrientes de entrada
2: Corrientes de salida
Primera Ley de la termodinámica
• En un fluido, se cumple:
(Ec2 +Ep2+Epe2+U2) – (Ec1+Ep1+Epe1+U1) = Q-W
• Donde Q es calor que el sistema gana (+) o pierde (-)
• W es el trabajo que realizan sobre el sistema (-) (como las bombas) o
que realiza el sistema (+)(como las turbinas)
• Si la temperatura del sistema no cambia (sistema isotérmico) el valor de
U1 = U2, luego
a) Éter dietílico, b) benceno, c) agua, d) tolueno, e) anilina
Respuesta:
A la temperatura a la que Pvap=Pext
ya que es posible la formación de
burbujas de vapor en el interior del
líquido.
Sistema abierto
Punto de ebullición
Cambios de fase
Tablas de vapor saturado, entrando con temperatura
Tablas de vapor saturado, entrando con presión
Tabla de vapor sobrecalentado
Ejercicio de aplicación
Un depósito rígido bien aislado con un volumen de 3m3 contiene vapor de agua saturado
a 100°C. Se agita el agua enérgicamente hasta que su presión alcance 1,5 bar. Determine
la temperatura final del sistema en °C y el trabajo durante el proceso en J.
Ejercicio de aplicación
Un flujo másico de 4600 Kg/h entra en una turbina que opera en situación estacionaria.
La turbina desarrolla una potencia de 1000 KW. En la entrada, la presión es 60 bar, la
temperatura 400°C y la velocidad 10 m/s. A la salida la presión es de 0,1 bar, el título
0,9 y la velocidad 50m/s. Calcúlese la transferencia de la transferencia de calor entre la
turbina y su entorno en kW.
ESTRUCTURA PPT
Experiencia
Actividades de aplicación colaborativa
Resolver en tríos, el siguiente problema:
Un flujo másico de 4600 Kg/h entra en una turbina que opera en situación estacionaria. La
turbina desarrolla una potencia de 1000 KW. En la entrada, la presión es 60 bar, la
temperatura 400°C y la velocidad 10 m/s. A la salida la presión es de 0,1 bar, el título
(llamado también calidad de vapor) 0,9 y la velocidad 50m/s. Calcúlese la transferencia de
la transferencia de calor entre la turbina y su entorno en kW.
Rpta: -61,3 KW, es decir la turbina libera calor al entorno.
ESTRUCTURA PPT
Aprendizaje evidenciado
TRABAJO APLICATIVO
Los estudiantes resuelven ejercicios de la hoja de práctica dirigida.
Problemas N°2, N°3, N°4 y N°7
ESTRUCTURA PPT
Instrumento de evaluación
Referencias
• Van Wylen. Fundamentos de Termodinámica técnica. Editorial Limusa.
• M. Morán y H. Shapiro. Fundamentos de Termodinámica técnica.
• http://www.youtube.com/watch?v=OrJNXlbZ8ac
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  • 3. Interés https://bit.ly/2U8J9Me Video acerca de cómo funciona una hidroeléctrica ¿Cuáles son los tipos de energía que aparecen en el video? Identifique en el video. ¿Indique un diagrama de bloques que muestre la secuencia de transformación de energía? ¿Cuál es tu conclusión del video? ¿Qué importancia tendrá hacer un balance de energía para la economía y para el medio ambiente?
  • 4. AGENDA 1. Sistema Termodinámico. 2. Tipo de sistema. 3. Energía y Masa. 4. Tipos de energía. 5. Formas de transferir energía 6. Primera ley de la termodinámica. 7. Ecuación de Bernoulli. 8. Teorema de Torriccelli.
  • 5. Al término de la clase, el estudiante aplicará balance de energía sin reacción química mostrando el manejo de la primera Ley de la Termodinámica. LOGRO DE LA SESIÓN TIEMPO SUJETO VERBO CONDICIÓN CRITERIOS
  • 7. ¿Qué es un Sistema TERMODINÁMICO? • Es la porción de materia que se utiliza para un determinado estudio. • Se distingue de la materia que la rodea a la cual llamaremos límites o vecinos. • El sistema se limita con sus fronteras.
  • 10. Energía cinética (Ec) • Es la energía debido a la velocidad de traslación de un objeto o fluido. Velocidad media V = Q/A
  • 11. Energía potencial gravitatoria (Ep) • Es la energía del fluido debido a la ubicación o altura de un cuerpo o fluido respecto a un nivel de referencia. Mide la interacción del cuerpo o fluido con la tierra.
  • 12. Energía de presión (Epe) • Es la energía que tiene un fluido debido a la presión a la que se encuentra. • Epe = PV Unidad en el SI: Joule (J)
  • 13. Energía interna (U) • Es la energía que se debe a la agitación molecular, es decir es propia de la interacción de las moléculas y átomos que constituyen al fluido. • Depende de la temperatura. Todo cuerpo posee una energía acumulada en su interior conocida como energía interna. tempera tura
  • 15. Trabajo (W) • Si bien es cierto es la magnitud que cuantifica la transferencia de energía mediante la aplicación de una fuerza que se mueve cierta distancia, en forma práctica podemos decir que cuando un pistón se mueve o un objeto gira, se desliza o desplaza hay trabajo W es el trabajo que realizan sobre el sistema (-) (como las bombas o compresores) o que realiza el sistema (+)(como las turbinas)
  • 16. Calor • Es la transferencia de energía por otros medios distinto al trabajo. Se genera siempre por una diferencia de temperatura, transfiriéndose espontáneamente de mayor a menor temperatura Donde Q es calor que el sistema gana (+) o pierde (-)
  • 17. Primera Ley de la termodinámica • En un sistema, se cumple: (Ecs +Eps+Epes+Us) – (EcE+EpE+EpeE+UE) + dU/dt = q-w • dU/dt: Es el término de acumulación de energía. • q: calor intercambiado entre el sistema y su entorno. • w: Trabajo realizado por el sistema o sobre él. SISTEMA 1 2 1: Corrientes de entrada 2: Corrientes de salida
  • 18. Primera Ley de la termodinámica • En un fluido, se cumple: (Ec2 +Ep2+Epe2+U2) – (Ec1+Ep1+Epe1+U1) = Q-W • Donde Q es calor que el sistema gana (+) o pierde (-) • W es el trabajo que realizan sobre el sistema (-) (como las bombas) o que realiza el sistema (+)(como las turbinas) • Si la temperatura del sistema no cambia (sistema isotérmico) el valor de U1 = U2, luego
  • 19. a) Éter dietílico, b) benceno, c) agua, d) tolueno, e) anilina Respuesta: A la temperatura a la que Pvap=Pext ya que es posible la formación de burbujas de vapor en el interior del líquido. Sistema abierto Punto de ebullición
  • 21. Tablas de vapor saturado, entrando con temperatura
  • 22.
  • 23. Tablas de vapor saturado, entrando con presión
  • 24. Tabla de vapor sobrecalentado
  • 25. Ejercicio de aplicación Un depósito rígido bien aislado con un volumen de 3m3 contiene vapor de agua saturado a 100°C. Se agita el agua enérgicamente hasta que su presión alcance 1,5 bar. Determine la temperatura final del sistema en °C y el trabajo durante el proceso en J.
  • 26. Ejercicio de aplicación Un flujo másico de 4600 Kg/h entra en una turbina que opera en situación estacionaria. La turbina desarrolla una potencia de 1000 KW. En la entrada, la presión es 60 bar, la temperatura 400°C y la velocidad 10 m/s. A la salida la presión es de 0,1 bar, el título 0,9 y la velocidad 50m/s. Calcúlese la transferencia de la transferencia de calor entre la turbina y su entorno en kW.
  • 27. ESTRUCTURA PPT Experiencia Actividades de aplicación colaborativa Resolver en tríos, el siguiente problema: Un flujo másico de 4600 Kg/h entra en una turbina que opera en situación estacionaria. La turbina desarrolla una potencia de 1000 KW. En la entrada, la presión es 60 bar, la temperatura 400°C y la velocidad 10 m/s. A la salida la presión es de 0,1 bar, el título (llamado también calidad de vapor) 0,9 y la velocidad 50m/s. Calcúlese la transferencia de la transferencia de calor entre la turbina y su entorno en kW. Rpta: -61,3 KW, es decir la turbina libera calor al entorno.
  • 28. ESTRUCTURA PPT Aprendizaje evidenciado TRABAJO APLICATIVO Los estudiantes resuelven ejercicios de la hoja de práctica dirigida. Problemas N°2, N°3, N°4 y N°7
  • 30. Referencias • Van Wylen. Fundamentos de Termodinámica técnica. Editorial Limusa. • M. Morán y H. Shapiro. Fundamentos de Termodinámica técnica. • http://www.youtube.com/watch?v=OrJNXlbZ8ac