Guía sobre el tema de Balances de Energía sin reacción. Es una introducción al tema, trae los conceptos claves, resumidos. La expresión de la ecuación de balance de energía para sistemas abiertos, para sistemas cerrados, en estado estacionario o transitorio. Hay explicaciones sobre el manejo de las tablas de vapor. Y trae algunos problemas para resolver, con su respuesta respectiva.

1. GUÍA 7 DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA – Curso Intersemestral
Profesor JUAN ANDRÉS SANDOVAL HERRERA
F.U.A. 2014
Introducción a los Balances de energía
TIPOS DE ENERGÍA
1. Energía cinética. Debida al movimiento de traslación de
un sistema cerrado en relación con un marco de
referencia. También puede deberse al movimiento
rotacional en torno a un eje.
2. Energía potencial. Se debe a la posición de un sistema
dentro de un campo de potencia gravitacional o de un
campo electromagnético.
3. Energía Interna. Se debe al movimiento de las moléculas
con respecto al centro de masa de un sistema; al
movimiento rotacional y vibracional de las moléculas; y,
a las interacciones electromagnéticas de las moléculas.
FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA
En sistema CERRADO no hay corrientes de entrada o de
salida de materia. Pero sí hay, generalmente,
transferencia de CALOR o de TRABAJO con los
alrededores en ambas direcciones.
Calor: Forma de transferencia de energía que se da por la
diferencia de temperatura entre el sistema y los
alrededores. Positivo cuando fluye desde LOS
ALREDEDORES hacia EL SISTEMA.
Trabajo: Forma de transferencia de energía que se da en
respuesta a cualquier otra fuerza impulsora: diferencia
de presiones, diferencia de voltaje, diferencia de
concentraciones. Positivo cuando el SISTEMA lo realiza
SOBRE LOS ALREDEDORES.
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA Y
ECUACIÓN DE BALANCE DE ENERGÍA DE UN SISTEMA
Ley de conservación de la energía: “La energía no se
crea ni se destruye” (… sino que se transforma).
Análoga con:
Primera leyde conservaciónde la energía: La velocidad
a la cual las corrientes de entrada llevan energía al
sistemamásla velocidadalacual entracalor al sistema,
menos la velocidad a la cual las corrientes de salida
llevanenergíadel sistema, menos la velocidad a la cual
sale energíaenforma de trabajo,es igual a la velocidad
de acumulación de energía del sistema.
𝑬𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 − 𝒕𝒓𝒂𝒃𝒂𝒋𝒐 + 𝒄𝒂𝒍𝒐𝒓 − 𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂𝒔 = 𝒂𝒄𝒖𝒎𝒖𝒍𝒂𝒄𝒊ó𝒏
Ecuación de balance de energía(Fórmula):
∑ṁ i (Û + gz +
u2
2
)
i
+ 𝑄̇ − Ẇ
− ∑ṁ j (Û + gz +
u2
2
) =
j
d
dt
[m(Û + gz +
u2
2
)]
Donde:
ṁ i, ṁ j: Corrientes de entrada y de salida(válidassólo para
sistemas abiertos)
U:̂ Energía interna específica (Energía / masa)
gz: Energía potencial específica (mgz/m)
u2
2
: Energía cinética específica (mu2/2m)
d
dt
[m (Û + gz +
u2
2
)]: Acumulación o razón de cambio de
energía del sistema
Simplificaciones a la ecuación de balance de energía
Sistemascerrados: Sin corrientesde entradani salida.
La ecuaciónquedaríaasí:
𝑄̇ − Ẇ =
d
dt
[m(Û + gz +
u2
2
)]
Sistemasaislados: Sincorrientesde entradani salida;
tampocohay transferenciade calorni de trabajo.La
ecuaciónquedaríaasí:
0 =
d
dt
[m (Û + gz +
u2
2
)]
Sistemas abiertos en estado estacionario: La
acumulación es cero, porque no hay cambios con el
tiempode la energía del sistema. La ecuación quedaría
así:
∑ṁ i (Û + gz +
u2
2
)
i
+ 𝑄̇ − Ẇ − ∑ṁ j (Û + gz +
u2
2
) =
j
0
Sistemas cerrados en estado estacionario: La
acumulaciónesceroy las corrientesde entrada y salida
también. La ecuación quedaría así:
𝑄̇ − Ẇ = 0
Tipos de procesos
Isocórico: No hay cambio de volumen. En este caso el
trabajode expansióny/ocompresiónescero, W = PV = 0
Isobárico: La presión del sistema no cambia. Las
reaccionesquímicasyalgunasoperacionesunitarias como
la evaporación y la condensación, se realizan a presión
constante.
Isotérmico: La temperatura del sistema no cambia. No
significa que no haya transferencia de calor, porque
precisamente puede requerirse un retiro de calor del
sistema para mantenerlo a temperatura constante. El
sistema y sus alrededores pueden estar a diferente
temperatura, pero la temperatura del sistema no debe
cambiar.

2. Adiabático: Ocurre cuando no hay transferencia de calor
desde o hacia el sistema. Puede ocurrir en algunas
operaciones unitarias, donde a pesar de que dentro del
sistema haya varias corrientes a diferente temperatura y
que desde una a las otras haya transferencia de calor, no
existe transferenciade calorpor las fronteras del sistema.
Es decir,el calor noatraviesalas paredes del equipo o del
sistema. En muchas ocasiones, es necesario para que la
eficienciade la operación sea máxima que el proceso sea
adiabático,entoncesparaesose aísla bienlasparedes del
equipo.
Otras simplificaciones: En la mayoría de los casos, las
velocidades de las corrientes no cambian. Además, la
influencia de la altura es mínima a comparación de la
influenciadel calorodel trabajo,o de losmismos cambios
de velocidad, si los hubiese.
ENTALPÍA
Es el cambio del contenido de energía de un sistema a
presión constante, ya sea porque lo libera o porque lo
recibe. Este cambio se refleja en su energía interna. De
manera que: H = U + PV.
Al introducir la entalpía en el balance de energía, éste
quedaría así:
∑ṁ i (Ĥ + gz +
u2
2
)
i
+ 𝑄̇ − 𝑊̇´´̇
− ∑ṁ j (Ĥ + gz +
u2
2
) =
j
d
dt
[m(H + gz +
u2
2
)]
Donde, 𝑊̇ ̇´´
corresponde a todo el trabajo MECÁNICO,
menosel de expansión o compresión. Es decir, incluye el
trabajo de eje o de rotación, pero no el de flujo.
TABLAS DE VAPOR
En esta se consignan los valores de las propiedades
termodinámicas que se definen como funciones de
trayectoria,yaque dependende un estado de referencia.
No son valores absolutos, sino que siempre tienen una
referencia.Loque se mide son cambios. Por otra parte, la
temperatura, la presión y el volumen específico, si son
funciones de estado, que sirven para caracterizar un
sistema en un momento dado. Lo que hacen las tablas es
organizar la información de las funciones de trayectoria,
según el estado de la sustancia y las propiedades de
estado que la determinan.
Una sustancia pura puede estar en tres estados físicos:
sólido,líquidoogaseoso.Enel puntotriple coexistenestos
tresestados,yse debe definircon presión y temperatura.
Una mezcla de dos fases de la misma sustancia (líquido
más su propio vapor), que estén en equilibrio, puede
coexistir en ese equilibrio desde el punto triple hasta el
punto crítico de la sustancia.
Más allá del punto crítico, no se puede encontrar nada
del líquido, y es imposible condensar el vapor, y se dice
que es un gas en todo el sentido de la palabra. Entre
esos dos puntos, es donde trabajan las tablas de vapor,
donde ofrecen la información que se requiere para
muchos cálculos de operaciones unitarias y balances de
energía.
Si esasustanciaestáen unafase es necesarioespecificar
dos propiedades:presión y temperatura; temperatura y
volumenespecífico;o, presión y volumen específico. Si,
por el contrario, está en dos fases: líquido más vapor,
entonces, se requiere solo una propiedad: presión, o
temperatura, o volumen específico.
Entonces,para un líquido subenfriado, se necesitan dos
propiedades. Para mezclas de vapor y líquido con una
determinada calidad (concentración másica de vapor)
solobasta una.Si estácomo vaporsobre calentado(lejos
de la temperatura de saturación) se requieren
nuevamente dos propiedades.
PREGUNTAS TEÓRICAS
1. Exprese la ecuación de balance de energía para un sistema
cerrado en estado transitorio donde sólocambian la velocidad
y la elevación.
2. Exprese la ecuación de balance de energía para un sistema
abiertoenestadoestacionario donde cambianlas velocidades y
las energíasinternas de las corrientes pero no sus alturas. Y
considere que si hay transferencia de calor y de trabajo.
3. Exprese la ecuación de balance de energía para un sistema
abiertoenestadoestacionario donde cambianlas velocidades y
las energíasinternas de las corrientes pero no sus alturas. Y
considere que el proceso es adiabático e isocórico.
4. Plantee la ecuaciónde energía en estado estable para una
turbina donde entra vapor a alta velocidad, sale a baja
velocidad, nocambia significativamente las alturas de las
corrientes;el vapor produce una gran cantidad de trabajo pero
se aísla de forma que no se pierda calor.
5. Plantee la ecuaciónde energía en estado estable para un crudo
que se bombea ycircula por una tubería, cambiandode altura
entre dos puntos, sin pérdida de calor.
6. Diga cuantas ycuáles propiedades se deben (o se pueden)
necesitar para definir el estadode un vapor sobre calentado.
7. Diga si es posible o no, y por qué, conocer las propiedades
termodinámicas de un vapor a 120°C y calidad 0,4.
8. La ecuación:∆H= 𝑚 ∫ 𝐶 𝑝
( 𝑇) 𝑑𝑡
𝑇2
𝑇1
se emplea para calcular la
entalpía en un proceso
a. De cambio de temperatura e isocórico.
b. De cambio de temperatura e isotérmico.
c. De cambio de temperatura e isoentálpico.
d. De cambio de temperatura e isobárico.
9. Respecto de las siguientes afirmaciones:
I. La energía interna absoluta no se puede conocer
II. La temperatura es una propiedad de estado
Diga si:
a. I II son verdaderas
b. I y II sonfalsas
c. I es verdadero yII es falsa
d. I es falsa yII es verdadera
10. Para conocer la entalpía yla energía interna de agua a 1 bar y
45°C, se usan las Tablas de:
a. Líquido subenfriado
b. Vapor sobrecalentado
c. Vapor Saturado
d. Sólido comprimido
BIBLIOGRAFÍA
Balances demateria y energía. Reklaitis,capítulos6 y 7.