LEY DE LA CONSERVACION DE LA ENERGIA La energía no se crea ni se destruye, solo transforma. transforma. ENERGIA: Capacidad de producir trabajo. trabajo. Puede adoptar distintas formas convertibles directa o indirectamente unas en otras : Radiación electromagnética, Energía Potencial, Energía Eléctrica, Energía Química ( de enlace), Energía Cinética, Calor. •
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Cantidad absoluta :Energía, J, cal, kcal, kJ //// Caudal: Energía/tiempo, J/s (W) ///// Flujo:nergía/(tiempo*superficie), W/m2 ///specifica : Energía/masa, J/ Kg FORMAS DE ENERGIA •
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TRABAJO MECANICA (W): Producto del desplazamiento (x) por la componente de la fuerza que actúa en la dirección del d el desplazamiento desplazamiento (Fx). ENERGIA POTENCIAL (Ep): Capacidad de producir trabajo que posee un sistema en virtud de su posición respecto a un plano de referencia. ENERGIA CINETICA (Ec): Capacidad de producir trabajo que posee un cuerpo en función de su movimiento. Calor (Q): Energía en transito de un cuerpo que se haya a una temperatura hacia otro que esta a menor temperatura con el fin de igualar ig ualar ambas.
FORMAS DE ENERGIA ENERGIA INTERNA (U): Variable termodinámica (Función de estado) indicativa del estado energético de las moléculas constitutivas de la materia. Su valor se fija respecto a una referencia. ENERGIA ELECTROMAGNETICA: Asociada con la frecuencia de onda. Cuando interacciona con la materia toda o parte de esta energía puede ser absorbida. Normalmente su absorción se expresa como aumento de temperatura.
ENERGIA NUCLEAR (En):Transformación . .Desintegraciones nucleares.
de
masa
en
energía
de
acuerdo
a =
ENERGIA ASOCIADA A UN SISTEMA MATERIAL: ENERGIA CINETICA de un sistema material en movimiento, en función de su velocidad: …..m=masa del cuerpo…v=velocidad del cuerpo
ENERGIA POTENCIAL de un sistema material en función de su posición en el campo gravitatorio: m=masa del cuerpo ….g=aceleración de la gravedad …h=posición del cuerpo ENERGIA INTERNA DE ESPECIES QUIMICAS (U): Variable o Propiedad Termodinámica asociada a la composición química, temperatura y el estado de agregación de la materia. Energía debida al movimiento de las moléculas con respecto al centro de masas del sistema, al movimiento de rotación y vibración, a las interacciones electromagnéticas de las moléculas y al movimiento e interacciones de los constituyentes atómicos de las moléculas. H=U+PV
FORMAS DE TRANSFERENCIA DE ENRGIA
SIN TRANSEFERENCIA DE MATERIA: Interpretación macroscópica del intercambio de energía entre los cuerpos para sistemas cerrados simples ( no hay transferencia de materia entre sus fronteras). CON TRANSFERENCIA DE MATERIA: Sistemas abiertos: además de la formas anteriores la asociada a la materia que se transfiere CALOR Y TRABAJO
Son formas de energía en transito, entre el sistema y sus alrededores. Trabajo (W), energía en transito debido a la acción de una fuerza mecánica. Calor (Q), transito resultado de la diferencia de temperaturas entre el sistema y sus alrededores.
Intercambio En un sistema cerrado su balance neto en 0, ende un sistema abierto, su balance neto afecta a la energía energía interna del sistema según el balance global sea positivo o negativo BALANCE DE ENERGIA calor y trabajo Contabilidad del flujo de energía de un sistema →Determinación de los requerimientos
energéticos de un proceso Junto con los balances de materia son una herramienta fundamental T y P : parámetros de estado del sistema para el análisis de procesos Todas las corrientes de un proceso están relacionadas de forma que dados los valores de algunas variables de las corrientes de entrada y salida se pueden derivar y resolver ecuaciones para obtener los valores de otras sin necesidad de medirlas.
BALANCE DE ENERGIA
Cualquier proceso de transformación en la naturaleza conlleva un intercambio de energía
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. Cálculos de Perdidas y Aislamientos. Optimación de procesos de Obtención de Energía Eléctrica (Cogeneración) Calculo del consumo de combustible para producir trabajo y calor Calculo de la energía mecánica que hay que comunicar a un fluido para mantenerlo en movimiento. BALANCES DE ENERGIA
Sistemas donde se pueden aplicar: Una planta agroindustrial, química, petroquímica, biotecnológica, etc. //Ejemplo: Una planta de etanol. Planta de azúcar. ECUACION GENERAL DE BALANCE
PROCESO
Sistema material sometido a transformaciones físicas y químicas que transcurren en régimen no estacionario
msale Entrada + Producción – Consumo = Salida + Acumulación Energía Energía que acumulada en el Energía que sale entra del sistema del exterior exterior mentra
En régimen estacionario
Energía que entra del exterior
Energía que sale del exterior
ECUACION GENERAL DEL BALANCE L1
SISTEMA
L2
EC1
EC2
EP1
EP2
EPe1
Q
W
U1
EPe2 U2
Li= Flujo másico ECi= Energía Cinética EPi= Energía Potencial EPei= Energía de presión Ui= Energía Interna Q= Calor W= Trabajo
ECUACION GENERAL DEL BALANCE ∗ + + + − ∗ + + + + =−
∗ +
+ + − ∗ + + + + 2 2 =− = +
∗ +
2
+ − ∗ +
∆ = ∆
2
+ +
=−
BALANCES ENTALPICOS •
Aplicación a sistemas en que no se considera la contribución de la energía mecánica ( variaciones de energía potencial y cinética despreciables) y que no intercambian trabajo con el medio: ∗ − + − +
1 2
− = −
= −
BALANCES ENTALPICOS •
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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 despreciable) al estado energético del sistema.
Algunas aplicaciones de los balances entalpicos •
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Calculo de la cantidad de calor (Q) necesaria para modificar la temperatura, estado de agregación o naturaleza química de una determinada cantidad de materia. Calculo de caudal de fluido refrigerante o de calefacción necesario para mantener las condiciones de trabajo de una operación. Calculo de los caudales de calor intercambio requeridos para que una operación se realice en condiciones isotérmicas o adiabáticas. Calculo del consumo de combustible para producir el calor necesario en una operación. Calculo de rendimiento y propuestas de estrategias.
CALCULOS DE ENTALPIAS No se pueden calcular valores absolutos de entalpia Para aplicar la ecuación hay que establecer un estado de referencias = −
El correspondiente a los elementos libres de todas las sustancias a una presión y temperatura (generalmente 1 atmosfera y 25 °C)
La entalpia de una sustancia (con respecto a un estado de referencia) es la suma de tres contribuciones:
Entalpia o calor de formación
Calor sensible
Calor latente
EJERCICO 01: •
Se calienta 4500kg/h de leche de vaca desde 5°C hasta 6O°C en un intercambiado de calor y utilizando para ello agua caliente . ¿Cuánto calor debe transmitir si el Cp de la leche es de 0.916kcal/kg°C
Solución: 5°C
PROCESO
60°C
= ∆ = 4500 ∗ 0.916 ∗ 60 − 5 ° ℎ ° = 226710
ℎ
EJERCICIO 02:
Un liquido fermentado se bombea a razón de 2000 kg/h a 30°C a través de un intercambiador de calor, en donde se calienta hasta 70°C. El agua para este proceso entra a 95°C y sale a 80°C. El Cp del liquido fermentado es de 0.966kcal/kg°K. las corrientes de fermentación y de agua están separadas por una superficie metálica través de la cual se transfiere calor y no hay mezcla física de una corriente con la otra. Indique el agua necesaria
Solución: C=D
HC
Tc= 95°C
HA
HB
A=2000kg/h
B=2000kg/h
TA= 30°C
HD
Cp=0.966 kcal/kg°C
D=C
TB= 70°C
TD= 80°C
∗ + ∗ = ∗ + ∗ D
A=B C=D 2000 ∗ ( - ) = C * ( - ) 2000 ∗ (∆) = C * (∆)
2000 ∗ 0.966
∗ (30 − 70)°C = C *1 ∗ (80 − ° ° 95)°C
CONCLUSIÓN •
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Él balance de energía se basa en la Ley de la Conservación de energía que indica que en un proceso, la energía no se crea, ni se destruye, solo se trasforma. En un balance total de energía se toma en cuenta las transferencias de energía a través de los limites del sistema. Ciertos tipos de energía están asociados a la masa que fluye, otros tipos como Q ( calor) y W ( trabajo) son solo formas de transmisión de energía.