M
M
ó
ó
dulo II: Balances de
dulo II: Balances de
Materia y Energ
Materia y Energ
í
í
a
a
Curso de Capacitaci
Curso de Capacitacióón sobre Evaluacin sobre Evaluacióón n Ambiental y Gesti
Ambiental y Gestión de Riesgos Ambientalesón de Riesgos Ambientales Presenta: Ing. Leonel Hern
Presenta: Ing. Leonel Hernáándezndez Depto
Depto. de Ciencias Energ. de Ciencias Energéticas y éticas y FluFluíídicasdicas Universidad Centroamericana Jos
Universidad Centroamericana Joséé SimeSimeón ón Ca
Unidad 1
Unidad 1
¾
¾
Importancia y ubicaci
Importancia y ubicaci
ó
ó
n de los balances
n de los balances
de materia y energ
de materia y energ
í
í
a.
a.
¾
¾ IntroducciIntroduccióónn
¾
¾ Importancia de los balances de materia y Importancia de los balances de materia y energ
energíía para la evaluacia para la evaluacióón de impacto n de impacto ambiental.
ambiental.
¾
¾ Tipos de procesos y se representaciTipos de procesos y se representacióónn
¾
¾ Variables de procesoVariables de proceso
¾
Introducci
Introducci
ó
ó
n
n
Este m
Este móódulo estdulo estáá orientado a exponer las bases de orientado a exponer las bases de los balances de materia y energ
los balances de materia y energíía y su utilidad a y su utilidad para el an
para 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
t
téécnicas 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.
Importancia de los balances de
Importancia de los balances de
materia y energ
materia y energ
í
í
a
a
La materia y la energíLa materia y la energía 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 energ
energééticas y otras cosas.ticas y otras cosas.
Normalmente se asocia este tema con los cáNormalmente se asocia este tema con los cálculos realizados lculos realizados
principalmente por los ingenieros qu
principalmente por los ingenieros quíímicos, pero alguna nocimicos, pero alguna nocióón de n de ellos deben tener tambi
ellos deben tener tambiéén todas las ramas de la ingeniern todas las ramas de la ingenieríía, asa, asíí como como las disciplinas qu
las disciplinas quíímicas y biolmicas y biolóógicas.gicas.
Los balances de materia y energíLos balances de materia y energía son la herramienta con la que se a son la herramienta con la que se
analiza la situaci
analiza la situacióón de estabilidad de un proceso, y para determinar n de estabilidad de un proceso, y para determinar la manera c
la 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 c
consumida por los sistemas, el cóómo esta transferencia afecta las mo esta transferencia afecta las propiedades de los sistema y la cantidad de energ
propiedades de los sistema y la cantidad de energíía a útil que se útil que se puede obtener de las transformaciones.
Importancia de los balances de
Importancia de los balances de
materia y energ
materia y energ
í
í
a
a
Una de las aplicaciones mUna de las aplicaciones máás notables de los balances de s notables de los balances de
materia y energ
materia y energíía se encuentra en la metodología se encuentra en la metodología a conocida como An
conocida 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 informaci
de información acerca de la transformación acerca de la transformacióón de los n de los materiales, y de la energ
materiales, y de la energíía consumida (o producida) a consumida (o producida) durante las distintas etapas de la producci
durante las distintas etapas de la produccióón de un bien n de un bien ya sea a trav
ya 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.
Algunas definiciones para recordar
Algunas definiciones para recordar
Sistema: Sistema: se refiere a la se refiere a la porci
porcióón 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 extensi
Sistema y sus interacciones
Sistema y sus interacciones
Tipos de Fronteras
Tipos de Fronteras
¿
¿
C
C
ó
ó
mo 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:
1-1- lo que se sabe de un posible sistema, lo que se sabe de un posible sistema, particularmente en sus fronteras; y
particularmente en sus fronteras; y
Sistema cerrado
Sistema cerrado
Cuando no hay flujo de Cuando no hay flujo de
material a trav
material 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 anáMuchos análisis se lisis se
pueden realizar usando pueden realizar usando
este modelo. este modelo.
Un caso especial es Un caso especial es
cuando no hay ning cuando no hay ningúún n
tipo de interacci
tipo de interaccióón con n con los alrededores. Entonces los alrededores. Entonces
se habla de un
se habla de un sistema sistema aislado.
Volumen de control
Volumen de control
En muchas situaciones es En muchas situaciones es m
máás conveniente estudiar el s conveniente estudiar el material contenido en una
material contenido en una
regi
regióón del espacio, y que n del espacio, y que est
estáá 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 ampl
que lo amplíía al considerar a al considerar aquellos casos que
aquellos casos que
involucran velocidades y
involucran velocidades y
fuerzas aplicadas.
Volumen de control
Volumen de control
Muchos procesos de Muchos procesos de flujo flujo
estable
estable 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 atenci
atencióón en una regin en una regióón, es n, es m
máás 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.
Estado y equilibrio
Estado y equilibrio
El
El
estado
estado
de un sistema se refiere a la
de un sistema se refiere a la
asignaci
asignaci
ó
ó
n de valores en las
n de valores en las
propiedades del mismo.
propiedades del mismo.
Cuando un sistema est
Cuando un sistema est
á
á
en
en
equilibrio
equilibrio
no 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
a
Tipos de equilibrios de inter
Tipos de equilibrios de inter
é
é
s
s
Equilibrio t
Equilibrio t
é
é
rmico (la T es la misma)
rmico (la T es la misma)
Equilibrio mec
Equilibrio mec
á
á
nico (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 var
varíía.a.
Si es un sistema con reacciSi es un sistema con reaccióón qun quíímica, la mica, la composici
Procesos y ciclos
Procesos y ciclos
Cualquier 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
id
idéénticos se conoce nticos se conoce como un
Tipos de procesos
Tipos de procesos
Nos 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 químico.ímico.
Procesos donde hay cambios tanto fProcesos donde hay cambios tanto fíísicos como qusicos como quíímicos.micos.
En los procesos de cambio fíEn los procesos de cambio físico las sustancias no sico las sustancias no
cambian en su naturaleza qu
cambian en su naturaleza quíímica, pero símica, pero sí pueden pueden cambiar de estado de agregaci
cambiar de estado de agregacióón. Los procesos de n. Los procesos de mezclado, separaci
mezclado, separacióón, de cambio de fase, etc., caen n, de cambio de fase, etc., caen dentro de esta categor
dentro de esta categoríía.a.
Los procesos con cambio quíLos procesos con cambio químico afectan la naturaleza mico afectan la naturaleza
de las sustancias, convirti
de las sustancias, convirtiééndolas en otras con distintas ndolas en otras con distintas propiedades. Las reacciones qu
propiedades. Las reacciones quíímicas son las que micas son las que representan este tipo.
Variables del proceso.
Variables del proceso.
Este t
Este t
é
é
rmino 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 medici
Las propiedades son objeto de medici
ó
ó
n o
n o
de estimaci
de estimaci
ó
ó
n.
n.
Las m
Las m
á
á
s utilizadas son: temperatura,
s utilizadas son: temperatura,
presi
presi
ó
ó
n, densidad, volumen, contenido de
n, densidad, volumen, contenido de
energ
Dimensiones y unidades
Dimensiones y unidades
Se le llama dimensiSe le llama dimensióón a una caractern a una caracteríística stica
sujeta a medici
sujeta 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
dimensi
dimensióón, ya sea de manera individual o n, ya sea de manera individual o combinada. As
combinada. 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
tambi
tambiéén las hay de otras propiedades como la n las hay de otras propiedades como la velocidad, la energ
velocidad, la energíía, el potencial ela, el potencial elééctrico, ctrico, etc., que se forman por combinaci
etc., que se forman por combinacióón de las n de las dimensiones b
dimensiones báásicas a travsicas a travéés de una relacis de una relacióón n 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 (kg)kg)
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 kJa: joule (J y kJ))
Potencia: watt (W)Potencia: watt (W)
Sistema ingl
Sistema ingl
é
é
s
s
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--piepie
Potencia: Potencia: lbflbf--pie/spie/s
Temperatura: Temperatura: °° rankinerankine ((°°RR))
Unidad 2
Unidad 2
¾
¾
Balances de masa.
Balances de masa.
¾
¾ Principio de conservaciPrincipio de conservacióón de la masa y n de la masa y ecuaci
ecuacióón general del balance de masa.n general del balance de masa.
¾
¾ Balances totales y por componente.Balances totales y por componente.
¾
¾ Balances de masa sin reacciBalances de masa sin reaccióón qun quíímica.mica.
¾
Principio de conservaci
Principio de conservaci
ó
ó
n 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 conservaci
principio de conservacióón de la masa: n de la masa:
la masa
la masa
no se crea ni se destruye
no 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 distribuci
sistemas 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 f
inicial y uno final, debido a cambios fíísicos o sicos o qu
quíímicos, pero la cantidad total, medida en micos, pero la cantidad total, medida en unidades de masa, se mantiene antes y despu
unidades de masa, se mantiene antes y despuéés s de un proceso.
Ecuaci
Ecuaci
ó
ó
n general del balance de
n general del balance de
masa en procesos f
masa en procesos f
í
í
sicos.
sicos.
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
=
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
sale
que
total
Masa
entra
que
total
Masa
sistema.
del
masa
de
cantidad
la
en
Cambio
La expresióLa expresión 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 est
sistema estáá cambiando interesa a veces saber con qucambiando interesa a veces saber con quéé rapidez 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, kg
kg/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 expresi
La expresi
ó
ó
n como la descrita antes se
n como la descrita antes se
conoce como un
conoce como un
balance total de masa
balance total de masa
,
,
pues s
pues s
ó
ó
lo se fija en la cantidad total de
lo se fija en la cantidad total de
materiales, sin hacer distinci
materiales, sin hacer distinci
ó
ó
n de las
n de las
clases de sustancias contenidas en el
clases de sustancias contenidas en el
sistema.
sistema.
Tambi
Tambi
é
é
n, es aplicable tanto si las
n, es aplicable tanto si las
sustancias son l
sustancias son l
í
í
quidas o gaseosas.
quidas o gaseosas.
En este
En este
ú
ú
ltimo 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 restricci
hacerlo sujetas a la restricci
ó
ó
n de la
n de la
expresi
Si dentro del sistema ocurre un cambio de fase, Si dentro del sistema ocurre un cambio de fase,
un mezclado, o una separaci
un mezclado, o una separacióón de sustancias, se n de sustancias, se pueden plantear tambi
pueden plantear tambiéén n
balances por
balances por
componente
componente
, 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
h
húúmedo 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 fr
lado 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
informaci
informacióón dada a travn dada a travéés de la s de la
composici
composici
ó
ó
n
n
de de las corrientes.
La composici
La composici
ó
ó
n 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 fracci
en fracci
ó
ó
n de la masa, en fracci
n de la masa, en fracci
ó
ó
n molar,
n molar,
y en los casos cuando las cantidades
y en los casos cuando las cantidades
presentes son muy peque
presentes son muy peque
ñ
ñ
as, se suele
as, se suele
usar medidas como las
Ecuaci
Ecuaci
ó
ó
n general del balance de
n general del balance de
masa en procesos qu
masa en procesos qu
í
í
micos.
micos.
⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ consumidos totales Moles generados totales Moles salen que totales Moles entran que totales Moles sistema. del moles de cantidad la 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 aparecer para este caso hay que considerar que apareceráán n nuevas especies generadas por la reacci
nuevas especies generadas por la reaccióón qun quíímica y mica y consumidas por ella. De all
consumidas por ella. De allíí que aparezcan tque aparezcan téérminos de rminos de generaci
generacióón y consumo.n y consumo.
Como es de esperarse, la composiciComo es de esperarse, la composicióón de la mezcla n de la mezcla
cambiar
cambiaráá a medida que la reaccióa medida que la reacción avance, y al final n avance, y al final puede ser que s
puede ser que sóólo haya sustancias generadas, o que lo haya sustancias generadas, o que queden todav
queden todavíía reactivos sin consumir.a reactivos sin consumir.
Esto se cuantifica a travéEsto se cuantifica a través de la s de la conversiconversióón n de la de la
reacci
reacción.ón.
En los procesos industriales se busca obtener el mEn los procesos industriales se busca obtener el mááximo ximo
de conversi
de conversióón pues normalmente el producto es el que n pues normalmente el producto es el que tiene mayor valor econ
tiene mayor valor económico.ómico.
En los procesos de tratamiento de efluentes, se busca En los procesos de tratamiento de efluentes, se busca
tambi
tambiéén la mayor conversin la mayor conversióón de los materiales en n de los materiales en sustancias m
sustancias máás inocuas o que sean de ms inocuas o que sean de máás fás fácil cil transporte y disposici
Otro aspecto durante los procesos con reacciOtro aspecto durante los procesos con reaccióón n
qu
quíímica es que las sustancias generadas pueden mica es que las sustancias generadas pueden estar en diferente estado de agregaci
estar 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
l
lííquidos para una entrada de material squidos para una entrada de material sóólido, o lido, o pueden generarse s
pueden generarse sóólidos a partir de una lidos a partir de una corriente de entrada que s
corriente 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 reacci
la 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
agregaci
Cuando ocurre una reacciCuando ocurre una reaccióón qun quíímica, la mica, la
informaci
informacióón a recopilar es mayor, pues ademn a recopilar es mayor, pues ademáás s de la composici
de 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
composici
composicióón 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 conversi
y 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 qu
especies quíímicas presentes o en base a la masa micas presentes o en base a la masa o moles de los elementos qu
o 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 ox
carbono, balance de ox
í
í
geno, balance de
geno, balance de
nitr
Unidad 3. Balances de Energ
Unidad 3. Balances de Energ
í
í
a
a
¾
¾
La primera ley de la termodin
La primera ley de la termodin
á
á
mica
mica
¾
¾
Enfoques para resolver balances de
Enfoques para resolver balances de
energ
energ
í
í
a.
a.
¾
¾
Balances sin reacci
Balances sin reacci
ó
ó
n qu
n qu
í
í
mica.
mica.
¾
Primera ley de la termodin
Primera ley de la termodin
á
á
mica.
mica.
La PLT es una principio natural y sus enunciados La PLT es una principio natural y sus enunciados
est
estáán basados en la experiencia cotidiana.n basados en la experiencia cotidiana.
Su aplicaciSu aplicacióón prn prááctica estctica estáá orientada a la orientada a la
utilizaci
utilizacióón mn máás eficiente de la energs eficiente de la energíía, a la a, a la evaluaci
evaluacióón de fuentes energn de fuentes energééticas, y a ticas, y a contabilizar cu
contabilizar cuáánta de ella se usa en los nta de ella se usa en los procesos de producci
procesos de produccióón.n.
Su enunciado mSu enunciado máás conocido es que s conocido es que
la energ
la energ
í
í
a no
a no
se crea ni se destruye, s
se crea ni se destruye, s
ó
ó
lo se transforma.
lo se transforma.
Entendemos por Entendemos por
energ
energ
ía
í
a
a la capacidad de los a la capacidad de lossistemas para realizar cambios.
Energ
Energ
í
í
a es un concepto del que todos
a es un concepto del que todos
tenemos alguna noci
tenemos alguna noci
ó
ó
n.
n.
Una idea b
Una idea b
á
á
sica es que la energ
sica es que la energ
í
í
a puede
a puede
estar
estar
almacenada
almacenada
dentro de los sistemas
dentro de los sistemas
en varias formas. La energ
en varias formas. La energ
í
í
a puede
a puede
tambi
tambi
é
é
n ser
n ser
convertida
convertida
de una forma en
de una forma en
otra, y
otra, y
transferida
transferida
entre sistemas.
entre sistemas.
Para sistemas cerrados, la energ
Para sistemas cerrados, la energ
í
í
a puede
a puede
ser
ser
transferida
transferida
en forma de
en forma de
trabajo
trabajo
y
y
calor.
calor.
Formas de la energ
Formas de la energ
í
í
a
a
TTéérmicarmica
MecMecáánicanica
CinCinééticatica
PotencialPotencial
ElElééctricactrica
MagnMagnééticatica
QuQuíímicamica
Formas de la energ
Formas de la energ
í
í
a
a
gz v u mgz mv U E E U gz e ; mgz E v e ; mv E U P K P P K K + + + + = + + = = = = 2 : específica total Energía 2 1 : total Energía : potencial Energía 2 2 1 : cinética Energía : interna Energía 2 2 2 2Sistemas de flujo
Sistemas de flujo
Los volLos volúúmenes de menes de
control involucran
control involucran
flujos de fluidos por
flujos de fluidos por
per
perííodos prolongados odos prolongados de tiempo, y se hace de tiempo, y se hace m máás conveniente s conveniente expresar el flujo de expresar el flujo de energ
energíía en forma de a en forma de razones.
kW)
(kJ/s
:
energía
de
flujo
=
=
=
=
e
m
E
A
v
V
m
prom&
&
&
&
ρ
ρ
razones.La transferencia de energ
La transferencia de energ
í
í
a
a
Las formas de energLas formas de energíía mencionadas a mencionadas
anteriormente est
anteriormente estáán n
contenidas
contenidas
en el sistema, y en el sistema, y de alguna forma pueden considerarse comode alguna forma pueden considerarse como
formas
formas
est
est
á
á
ticas
ticas
de la energde la energíía.a.
Las formas Las formas
din
din
á
á
micas
micas
de la energde la energíía constituyen a constituyenlas formas de transferencia de la misma, y se
las formas de transferencia de la misma, y se
conocen como
conocen como
interacciones energ
interacciones energ
é
é
ticas.
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 energ
las formas sensibles y latentes de la energíía a como
como calorcalor, pero en termodin, pero en termodináámica es mica es preferible llamarles
“
“
Organizaci
Organizaci
ó
ó
n
n
”
”
de la energ
de la energ
í
í
a
a
Las formas mLas formas máás s úútiles de tiles de
la energ
la energíía son aquellas a a son aquellas a las que podr
las que podrííamos amos denominar
denominar organizadas.organizadas.
La energLa energíía cina cinéética tica
macrosc
macroscóópica de un pica de un cuerpo de agua es m cuerpo de agua es máás s organizada que la energ organizada que la energíía a cin
cinéética de sus moltica de sus molééculas, culas, y por tanto, es m
y por tanto, es máás fs fáácil cil de convertir en otras
de convertir en otras formas
Energ
Energ
í
í
a mec
a mec
á
á
nica
nica
Se 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 f
un sistema que puede ser convertida fáácilmente en cilmente en trabajo mec
trabajo mecánico de manera completa y directa por ánico de manera completa y directa por medio de alg
medio de algúún dispositivo mecn dispositivo mecánico como una turbina.ánico como una turbina.
( ) ( )⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + − + − = ∆ = ∆ − + − + − = ∆ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + = = + + = 1 2 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 2 2 2 2 1 2 1 z z g v v P P m e m E z z g v v P P e gz v P m e m e gz v P e mec mec mec mec mecánica mecánica ρ ρ ρ ρ & & & & & &
Transferencia de energ
Transferencia de energ
í
í
a por
a por
calor.
calor.
La energíLa energía 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
energ
energíía 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 energíEl calor es energía en a en
transici
transicióón, y són, y sólo 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
Transferencia de energ
Transferencia de energ
í
í
a por
a por
trabajo.
trabajo.
Al igual que el calor, el trabajo Al igual que el calor, el trabajo
es una interacci
es una interaccióón energén energética tica con los alrededores.
con los alrededores.
Si la energíSi la energía que cruza la a que cruza la
frontera de un sistema cerrado frontera de un sistema cerrado no es calor, pues s
no es calor, pues sóólo podrálo podrá ser
ser trabajotrabajo..
El El trabajotrabajo es la transferencia es la transferencia
de energ
de energíía asociada con una a asociada con una fuerza actuando a trav
fuerza actuando a travéés de s de cierta distancia.
cierta distancia.
Tiene las mismas unidades del Tiene las mismas unidades del
calor por ser energ calor por ser energíía a transfiri
transfiriééndose: ndose: kJkJ..
El trabajo por unidad de masa El trabajo por unidad de masa
es
Ejemplos de trabajo
Ejemplos de trabajo
Balance de energ
Balance de energ
í
í
a sin reacciones
a sin reacciones
qu
qu
í
í
micas.
micas.
⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ tiempo. de intervalo un en trabajo de forma en fronteras las de través a sistema el desde a transferid energía de neta Cantidad tiempo de intervalo un en calor de cia transferen de forma en fronteras las de través a sistema el hacia a transferid energía de neta Cantidad salida y entrada de flujo de corrientes las por sistema el hacia neta manera de a transferid Energía tiempo de lo ‐ interva un en sistema el en contenida energía de cantidad la en CambioPrimera ley de la
Primera ley de la
termodin
termodin
á
á
mica.
mica.
El cambio neto (incremento o disminuci
El cambio neto (incremento o disminuci
ó
ó
n) en la
n) en la
energ
energ
í
í
a total de un sistema durante un proceso
a total de un sistema durante un proceso
es igual a la diferencia entre la energ
es igual a la diferencia entre la energ
í
í
a total que
a total que
entra y la energ
entra y la energ
í
í
a total que sale del sistema
a total que sale del sistema
durante el proceso.
durante el proceso.
sale entra P K sistema−
=
+
+
−
=
−
=
∆
∆
∆
∆
2 1Mecanismos de transferencia de
Mecanismos de transferencia de
energ
energ
í
í
a.
a.
Transferencia de calorTransferencia de calor, Q., Q.
Transferencia de trabajoTransferencia de trabajo, W., W.
Flujo mFlujo máásicosico, m, m
(
) (
)
(
)
sistema salida masa entrada masa salida entrada salida entrada salida entrada∆
=
−
+
−
+
−
=
−
, ,Balance de energ
Balance de energ
í
í
a con reacciones
a con reacciones
qu
qu
í
í
micas.
micas.
⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ flujo de corrientes las por energía de neta cia Transferen sistema. del dentro químicas reacciones las por neta forma en liberada Energía trabajo. de forma en fronteras las de través a sistema el desde a transferid energía de neta Cantidad calor de cia transferen de forma en fronteras las de través a sistema el hacia a transferid energía de neta Cantidad sistema. el en contenida energía de cantidad la en CambioEnfoques para resolver balances
Enfoques para resolver balances
de energ
de energ
í
í
a
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 regi
como 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 est
manera 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 qu
reacciones quíímicas tienen que ver con la micas tienen que ver con la energ
energíía liberada o consumida por las reacciones, a liberada o consumida por las reacciones, las cuales deben contabilizarse en el balance.
