ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO F A C UL U L TA T A D DE D E C I E N C IA I A S P E C UA UA R I A S CARRERA: INGENIERIA EN INDUSTRIAS PECUARIAS T R ANS FORMAC FORM AC IONES IONES FISICOQU FISICOQUÍMICAS ÍMICAS
1. DATOS GENERALES: NOMBRE(s):
CODIGO(s):
FECHA DE ENTREGA: 22/01/2016 RIOBAMBA – ECUADOR
1
1. TEMA: BALANCE DE ENERGÍA 2. INTRODUCCIÓN: Los balances de energía (E) son una de las herramientas más importantes con las que cuenta la ingeniería de procesos y se utilizan para contabilizar los flujos de energía entre un determinado proceso industrial y los alrededores o entre las distintas operaciones que lo integran. Por tanto, en la realización de los BE nos permitirán conocer los caudales másicos de todas las corrientes materiales que intervienen en el proceso, así como las necesidades energéticas del mismo, que en último término se traducirán en los requerimientos de servicios auxiliares, tales como vapor o refrigeración.
2
3. Objetivos:
Investigar en el tema sobre el balance de energía. Conocer el concepto de balance de energía y los tipos de energía. Explicar las aplicaciones en las que podemos utilizar los balances energéticos.
4. Marco teórico a. BALANCES DE ENERGÍA La energía total de un sistema corresponde a la sumatoria de tres tipos de energía:
- Energía Cinética: energía debida al movimiento trasnacional del sistema considerado como un todo, respecto a una referencia (normalmente la superficie ter restre) ó a la rotación del sistema alrededor de un eje.
- Energía Potencial: energía debida a la posición del sistema en un campo potencial (campo gravitatorio o campo electromagnético)
- Energía Interna: toda energía que posee un sistema que no sea cinética ni potencial, tal como la energía debida al movimiento relativo de las moléculas respecto al centro de masa del sistema o energía debida a la vibración de las moléculas o la energía producto de las interacciones electromagnéticas de las moléculas e interacciones entre los átomos y/o partículas subatómicas que constituyen las moléculas. Hay dos formas de energía en tránsito son calor y trabajo. Calor: energía que fluye como resultado de una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores. La dirección de este flujo es siempre de la mayor temperatura a la menor temperatura. Por convención, el calor es positivo cuando la transferencia es desde los alrededores al sistema (o sea, el sistema recibe esta energía). -
-
Trabajo: energía que fluye como consecuencia de cualquier fuerza impulsora diferente a un gradiente de temperatura, tal como una fuerza, una diferencia de voltaje, etc. Por ejemplo, si un gas en un cilindro en su expansión mueve un pistón venciendo una fuerza que restringe el movimiento, este gas efectúa un trabajo sobre el pistón (la energía es transferida desde el sistema a los alrededores (que incluyen el pistón) como trabajo. Trabajo positivo.- el trabajo positivo es realizado por los alrededores sobre el sistema (la convención opuesta también suele emplearse; la elecció n es arbitraria siempre que se use de manera consistente con el resto de las definiciones: sin embargo, para evitar confusiones al leer referencias termodinámicas es fundamental asegurarse la convención adoptada). Los términos "trabajo" y "calor" se refieren sólo a energía que está siendo transferida: es posible hablar de calor o trabajo agregado a un sistema o transferido por él pero no tiene sentido hablar de calor o trabajo poseído o contenido dentro de un sistema.
3
b. ENERGÍA ASOCIADA A UN SISTEMA MATERIAL CÁLCULO DE ENERGÍA CINÉTICA .- La energía cinética de un objeto de masa m que se mueve a una velocidad u relativa a la superficie de la tierra es: = 1/2. . (Si expresamos la masa en kg y la velocidad en /, entonces la energía estará en joules, ) Energía cinética es transportada por el fluido dentro del sistema CÁLCULO DE ENERGÍA POTENCIAL.- La energía potencial gravitacional de un objeto de masa m es: = . . ℎ donde g es la aceleración de la gravedad y h es la altura del objeto por encima de un plano de referencia en el cual se definió arbitrariamente, = 0. Si un fluido ingresa a un sistema a una velocidad másica m' (kg/s) y a una altura z relativa al plano de referencia, entonces: ′ = ′.. ℎ
c. BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS CERRADOS El principio que rige los balances de energía es la ley de conservación de la energía que establece que la energía no puede crearse ni destruirse (excepto en procesos nucleares). Esta ley es también llamada primer principio de la termodinámica. En la más general de sus formas. PRIMERA LEY. - esta dice que la velocidad a la cual la energía (cinética + potencial + interna) es ingresada a un sistema por un fluido, más la velocidad a la cual ingresa energía en forma de calor, menos la velocidad a la cual la energía es transportada por el fluido fuera del sistema, menos la velocidad a la cual el sistema realiza trabajo sobre los alrededores, es igual a la velocidad a la cual la energía se acumula en el sistema. SISTEMA CERRADO.- Un sistema será abierto o cerrado según la masa pueda o no atravesar los límites del mismo durante el período de tiempo en que se plantea el balance de energía. Por definición, un proceso batch o por lotes es cerrado mientras que un semibatch o un proceso continuó son abiertos. El balance integral de un sistema cerrado debe ser planteado entre dos instantes de tiempo (por qué?). Como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación o consumo no tienen sentido, llegando a : ó = − el balance integral de energía de un sistema cerrado será
: í − í = í ( − ) Entonces: Energía inicial del sistema = + + Energía final del sistema = + + Energía transferida = + Donde : Los subíndices se refieren a los estados inicial o final del sistema, ,, , representan energía interna, energía cinética, energía potencial, calor transferido al sistema por los alrededores y trabajo realizado por los alrededores sobre el sistema. Reagrupando llegamos a:
( − ) + ( – ) + ( − ) = + ó á 4
d. BALANCE DE ENERGÍA EN SISTEMAS ABIERTOS EN ESTADO ESTACIONARIO Por definición de proceso abierto, en estos hay un flujo de materia que atraviesa los límites del mismo mientras el proceso se lleva a cabo. Por lo tanto, para que la masa ingrese al sistema es necesario efectuar un trabajo para empujar esta masa en el sistema y el sistema debe realizar un trabajo sobre los alrededores para que la masa pueda salir del sistema. Ambos trabajos (tanto para ingresar la materia o que esta egrese) deben ser incluidos en el Procesos Industriales I 5 balance de energía, y la diferencia entre ambos es el trabajo de flujo. En realidad en estos sistemas, más que hablar de trabajo decimos velocidad de transferencia de energía como trabajo o trabajo/tiempo)
TRABAJO DE FLUJO Y TRABAJO EN EL EJE El trabajo neto realizado por el sistema sobre los alrededores puede ser escrito como:
′ = ′ + ′ Dónde: ′ ∶ Es el trabajo en el eje o velocidad a la cual el sistema realiza trabajo sobre partes móviles del sistema (por ejemplo una bomba) ′ ∶ Es el trabajo de flujo o velocidad a la cual el fluido realiza trabajo para salir del sistema menos la velocidad a la cual los alrededores reali zan trabajo sobre el sistema para introducir el fluido en el proceso.
PROPIEDADES ESPECÍFICAS Y ENTALPÍA Las propiedades de un material pueden ser intensivas o extensivas de acuerdo a que estas propiedades varíen o no según la cantidad de materia considerada. La masa, el número de moles, el volumen (o flujos másicos, molares o caudales en corrientes continuas), la energía cinética, potencial o interna (o velocidades de transporte de estas cantidades por una corriente contínua) son propiedades extensivas mientras que la temperatura, presión y densidad son intensivas.
e. ENTALPÍA Entalpía (del griego [enthálpō], o agregar calor ; es una magnitud termodinámica, simbolizada con la letra H mayúscula, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema intercambia con su entorno. En palabras más concretas, es una función de estado de la termodinámica donde la variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego durante una transformación isobárica, es decir, a presión constante en un sistema termodinámico, teniendo en cuenta que todo objeto conocido se puede entender como un sistema termodinámico. Se trata de una transformación en el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la utilizada para un trabajo mecánico). En este sentido la entalpía es numéricamente igual al calor intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión. Dentro del Sistema Internacional de Unidades, la entalpía se mide habitualmente en joules (J) que, en principio, se introdujo como unidad de trabajo. 5
El caso más típico de entalpía es la llamada entalpía termodinámica. De ésta cabe distinguir la función de Gibbs, que se corresponde con la entalpía libre, mientras que la entalpía molar es aquella que representa un mol de la sustancia constituyente del sistema.
5. CONCLUSIONES
Investigamos que el balance de energía (BE) establece que es la sumatoria de algunos tipos de energía, como Energía Cinética, Energía Potencial, Energía Interna, etc. Además, es el nombre alternativo para los procesos termodinámicos. Conocimos los conceptos tanto del Balance de Energía (BE) como también cada uno de los tipos de energía, estableciendo las diferencias entre cada una de ellas. Se explica algunas aplicaciones de los Balances de Energía en la industria, asi también como la ingeniería en procesos.
6. BIBLIOGRAFÍA (santoti.files, 2013) (.fi.mdp) (wikipedia) (herrera, 2012) (claudiag)
6
