INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS MATERIA:
Balance de materia y energía
TEMA:
Investigación de la unidad 3
Balance de energía sin reacción química
EQUIPO:
Rocío Lizbeth López Rodiz Amelia Ignacio Martínez Ana Karla Brindis Alejo Grisel Coto Ramos GRUPO: 4 “B”
CATEDRATICO:
Ing. Cesar Velázquez Márquez
Coatzacoalcos Ver. A 16 de Mayo del 2017.
INDICE .......................................................................... .................................................... .......................... 2 INTRODUCCIÓN ................................................ .......................................................................... .................................. ........ 3 3.1 CONCEPTOS BASICOS ................................................ ............................................. 4 TIPOS DE ENERGÍA: SEIS TIPOS DE ENERGÍA ..............................................
3.1.1 TIPOS DE PROCESOS (ISOTÉRMICO, ADIABÁTICO, ISOBÁRICO, .......................................................................... .................................................... .................................. ........ 7 AISLADO) ................................................ ............................................................................ .............................. .... 7 PROCESO ISOTERMICO .................................................. ............................................................................ .............................. .... 8 PROCESO ADIABATICO .................................................. .................................................................................. .......................... 9 PROCESO ISOBARICO. ........................................................ .................................................................................... ................ 10 PROCESO AISLADO. .................................................................... .......................................................................... ............................ .. 11 3.1.3 CALIDAD DEL VAPOR ................................................ ............................ 13 3.2 BALANCE DE ENERGIA Y MASA EN UNA SOLA FASE .............................
3.3 BALANCE DE ENERGIA Y MASA EN SISTEMAS CON CAMBIO DE FASE. ................................................... ............................................................................ ................................................... .................................................. ........................ 17
3.4 APLICACIÓN DE LOS BALANCES DE ENERGIA A PROCESOS SIN ......................................................................................... .................... 21 REACCIÓN QUIMICA.. ..................................................................... .......................................................................... .................................................... ............................ .. 22 CONCLUSIÓN ................................................ ..................................................................... .. 23 REFERENCIAS BIBLIOGRAFCAS ....................................................................
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INTRODUCCIÓN
En esta presente investigación se darán a conocer cada uno de los temas y subtemas correspondientes a la materia de balance de materia y energía de la unidad número tres, otorgando la información encontrada desde diferentes fuentes de información, como internet, libros de la biblioteca, apuntes y hasta de diccionarios. A grandes rasgos plasmaremos algunos conceptos de suma importancia e interés dentro de esta materia, así como los diferentes tipos de procesos; isotérmico, adiabático, isobárico, aislado, isocorico. De igual manera conoceremos las diferentes rutas hipotéticas, la calidad de vapor, el balance de energía y masa de una sola fase, el mezclado. Describiremos la definición y función de los calentadores, enfriadores, dentro de flujo de fluidos, el balance de energía y masa en sistemas con cambio de fase.
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3.1 CONCEPTOS BASICOS
Sistema: Cualquier masa de material o parte de equipo especificados arbitrariamente. Un sistema se define circundándolo con una frontera. Un sistema cerrado por el cual no hay transferencia de masa se denomina sistema cerrado o sistema sin flujo, en contraposición a un sistema abierto o sistema con flujo, en el cuál se permite el intercambio de masa. Toda masa o equipos externos al sistema definido se designan como entorno. Al resolver un problema se debe definir claramente el sistema y su entorno.
Propiedad: es una característica de un materia la cuál se puede medir, como volumen, presión, temperatura etc.., o que se puede calcular.
Propiedad extensiva (variable, parámetro): es aquella cuyo valor depende de la cantidad de material y es aditiva, por ejemplo el volumen y la masa son propiedades extensivas.
Propiedad intensiva (variable, parámetro): es aquella cuyo valor no es aditivo y no varía con la cantidad de material, ejemplo temperatura, presión, densidad.
Estado: es el conjunto de propiedades de los materiales en un momento dado. El estado de un sistema no depende de la forma o la configuración del sistema sino sólo de sus propiedades intensivas como la temperatura, la presión y la composición.
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TIPOS DE ENERGÍA: SEIS TIPOS DE ENERGÍA
Trabajo (W): es una forma de energía que representa una transferencia entre el sistema y el entorno. El trabajo no puede almacenarse. Es positivo si se efectúa sobre el sistema, el trabajo hecho por el sistema es negativo.
Calor: se define como la parte del flujo total energía que cruza a través de la frontera de un sistema debido a una diferencia de temperatura entre el sistema y el entorno. Se conoce en ingeniería también como flujo calórico. El calor es positivo cuando es transferido
al sistema, este puede ser
transferido
por conducción, convección y radiación.
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Energía cinética (Ec): es la energía que tiene el sistema asociada a su velocidad relativa al entorno en reposo. Ec = ½ mv2Energía potencial (P): es la energía que posee el sistema debido a la fuerza ejercida sobre su masa por un campo gravitacional o electromagnético con respecto a un plano de referencia. Energía potencial debida a un campo gravitacional: P = mgh.
Energía interna: la energía interna (U), es la medida macroscópica de la energías molecular, atómica, y subatómica, lo cual sigue reglas microscópicas definidas para los sistemas dinámicos. La energía interna se mide indirectamente a través de la medición de otras variables, tales como presión, volumen, temperatura y composición. La energía interna se calcula como en relativa a un estado de referencia, pero no en forma absoluta
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Entalpía: la entalpía se expresa como H = U + PV (3), donde E es la energía interna, P es la presión y el volumen. Al igual que en el caso de la energía interna, la entalpía no tiene un valor absoluto, sólo se miden los cambios de entalpía.
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3.1.1 TIPOS DE PROCESOS (ISOTÉRMICO, ADIABÁTICO, ISOBÁRICO, AISLADO) PROCESO ISOTERMICO Se denomina proceso isotérmico o proceso isotermo al cambio reversible en un sistema termodinámico, siendo dicho cambio a temperatura constante en todo el sistema. La compresión o expansión de un gas ideal puede llevarse a cabo colocando el gas en contacto térmico con otro sistema de capacidad calorífica muy grande y a la misma temperatura que el gas; este otro sistema se conoce como foco calorífico. De esta manera, el calor se transfiere muy lentamente, permitiendo que el gas se expanda realizando trabajo. Como la energía interna de un gas ideal sólo depende de la temperatura y ésta permanece constante en la expansión isoterma, el calor tomado del foco es igual al trabajo realizado por el gas: Q = W.
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PROCESO ADIABATICO
Proceso Adiabático: proceso en que no hay intercambio de calor, el sistema está aislado. También puede considerarse como adiabático el proceso, si Q (calor transferido) es muy pequeño cuando el proceso ocurre con tal rapidez que no hay tiempo de transferir calor. Las propiedades de las curvas adiabáticas en un diagrama P-V:
(1) Cada adiabática se aproxima asintótica mente a ambos ejes del diagrama P-V (al igual que las isotermas).
(2) Cada adiabática interseca cada isoterma exactamente una sola vez. (3) Una curva adiabática se parece a una isoterma, excepto que durante una expansión, una adiabática pierde más presión que una isoterma, por lo que inclinación es mayor (es más vertical).
(4) Si las isotermas son cóncavas hacia la dirección "noreste" (45 °), entonces las adiabáticas son cóncavas hacia la dirección "este noreste" (31 °).
(5) Si adiabáticas e isotermas se dibujan separadamente con cambios regulares en la entropía y temperatura, entonces a medida que nos alejamos de los ejes (en dirección noreste), parece que la densidad de las isotermas permanece constante, pero la densidad de las adiabáticas disminuye. La excepción se encuentra muy cerca del cero absoluto, donde la densidad de las adiabáticas cae fuertemente y se hacen muy raras.
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PROCESO ISOBARICO
Un proceso isobárico es un proceso termodinámico que ocurre a presión constante. La Primera Ley de la Termodinámica, para este caso, queda expresada como sigue:
Donde:
Q = Calor transferido. U = Energía interna. P = Presión. V = Volumen.
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PROCESO AISLADO
En un sistema aislado (no hay intercambio de energía con el exterior), para cualquier proceso en el interior del sistema, Q=0, W=0 y, según la Primera Ley, ΔU=0, es decir, que la energía interna es constante. En resumen, la energía interna de un sistema aislado no puede modificarse por ningún proceso interno del sistema.
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3.1.3 CALIDAD DEL VAPOR El título de vapor o calidad del vapor 1 es el porcentaje en masa de vapor en una mezcla líquido-vapor y suele denotarse con la letra
:
El valor de X varía desde 0 (líquido saturado) hasta 1 (vapor saturado). Para valores del título cercanos a 1 se tiene una masa de líquido pequeña en forma de gotitas en suspensión. Para valores inferiores el líquido se deposita sobre el fondo del recipiente por efecto de la gravedad. La coexistencia de líquido y vapor se indica normalmente con el término vapor
húmedo y, en el diagrama, corresponde a la zona bajo la campana. Las líneas de título constante se trazan dividiendo las líneas de presión constante, comprendidas entre el estado líquido y el estado del vapor saturado seco, en partes iguales. Es muy normal que en una mezcla de líquido saturado y vapor saturado, la masa de cada fase suela desconocerse, en cuyo caso, pueden relacionarse los volúmenes y el título se definiría como; la relación existente entre el aumento de volumen durante la vaporización y el aumento de volumen que correspondería al vapor saturado seco a la misma presión .2
Vx es el volumen específico de la mezcla, Vl es el volumen específico del líquido saturado y Vv es el volumen específico del vapor saturado. De acuerdo con esta ecuación, la calidad se relaciona con las distancias horizontales en el diagrama. En un diagrama h-S, la misma relación que hay entre
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estas distancias sobre la línea de presión constante, habrá sobre sus proyecciones sobre los ejes cartesianos, por lo que también se puede escribir:
h es la entalpía y S es la entropía específica. Los subíndices expresan lo mismo que en la ecuación anterior.
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3.2 BALANCE DE ENERGIA Y MASA EN UNA SOLA FASE Primera le de Fick de la difusión molecular La ecuación clásica del flux difusivo es:
Tiene aplicaciones para el transporte difusivo en películas o capas de fluido estancado flujo laminar de fluidos, como agua, aire, libres o en medio poroso.
Transporte advectivo La ecuación del flux es:
U es la velocidad promedio del fluido y C es la concentración del soluto que transporta. Esta ecuación es aplicable al transporte de solutos o sustancias disueltas en el viento o una corriente superficial. También se puede aplicar al transporte de soluto en agua subterránea, pero en este caso, U, debe sustituirse por la velocidad de Darcy.
Dónde k es la conductividad hidráulica del suelo saturado y ah/ax se conoce cómo gradiente hidráulico.
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Transporte advectivo de partículas dentro de un fluido La ecuación del flux es:
Aquí Up es la velocidad de las partículas dentro del medio fluido. Cp. es la concentración en masa del contaminante de interés en o dentro de la partícula (masa del contaminante/masa de la partícula) y PP es la concentración de bulto de partículas en el medio fluido.
Transferencia convectiva de masa Este tipo de transferencia consiste en la transferencia de masa entre un fluido en que fluye paralelo a una superficie y la superficie, d ebido tanto a la difusión de masa comal movimiento de toda la masa de fluido. Si la masa de fluido no está en movimiento, la convección se reduce a una difusión.
Este método de transferencia depende de, tanto en las propiedades de transferencia, como de las características dinámicas del fluido que esta fluyendo. Cuando una bomba u otro aparato semejante mueven el fluido, el proceso se llama, convección forzada
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Si el movimiento del fluido se debe a una diferencia de densidades, que puede haber surgido como resultado de una diferencia en la concentración o la temperatura, el proceso se llama convección libre o natural.
Convección - difusión en un gas estancado Ejemplo: evaporación desde una superficie de agua y difusión del vapor de agua a través de una columna de aire estancado y eventualmente removida por el flujo de aire alrededor de un tubo.
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A temperaturas muy bajas, la presión de vapor del agua es baja y también lo es la tasa de evaporación. Por lo tanto el vapor se mueve lentamente hacia la parte superior dela columna de aire debido a su energía térmica, esto es el proceso de difusión molecular. A una temperatura intermedia, la difusión y la convección son importantes. Supongamos difusión de estado estable de vapor de A a través de un gas B estancado. El gas B es pobremente soluble en A, por lo tanto NB=0. En la parte superior del tubo, el flujo de volumen alto de B, mantiene la concentración de a en cero. La ecuación que gobierna este proceso es la siguiente:
El origen de la velocidad u es debido a la generación continua de vapor de A, ya que elsistema está abierto en la parte superior dónde el vapor de A es continuamente removido.
C es la concentración total del sistema.
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3.3 BALANCE DE ENERGIA Y MASA EN SISTEMAS CON CAMBIO DE FASE.
Las transiciones entre las fases sólidas, líquidas y gaseosas, suelen incluir grandes cantidades de energía, en comparación con el calor específico. Si a una masa de hielo, le añadimos calor a un ritmo constante, para que lo lleve a través de los cambios de fase, primero a líquido y luego a vapor, las energías necesarias para llevar a cabo los cambios de fase (llamadas calor latente de fusión y calor latente de vaporización ), daría lugar a las mesetas que observamos en el gráfico de temperatura vs tiempo de abajo. Se supone que la presión en el gráfico, es de 1 atmósfera estándar.
Son aquellos procesos en que un sistema gana o pierde calor sin que cambe su temperatura. El cambio en la energía interna se debe completamente al cambio en la configuración física, que es lo que se conoce como cambio de fase.
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Normalmente, una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando absorbe o cede calor al ambiente que le rodea. Sin embargo, cuando una sustancia cambia de fase absorbe o cede calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor Q que es necesario aportar para que una masa m de cierta sustancia cambie de fase es igual a Q=mL
Donde L se denomina calor latente de la sustancia y depende del tipo de cambio de fase. Por ejemplo, para que el agua cambie de sólido (hielo) a líquido, a 0ºC se necesitan 334·10 3 J/kg. Para que cambie de líquido a vapor a 100 ºC se precisan 2260·10 3 J/kg. En la siguiente tabla, se proporcionan los datos referentes a los cambios de estado de algunas sustancias.
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Los cambios de estado se pueden explicar de forma cualitativa del siguiente modo: En un sólido los átomos y moléculas ocupan las posiciones fijas de los nudos de una red cristalina. Un sólido tiene en ausencia de fuerzas externas un volumen fijo y una forma determinada. Los átomos y moléculas vibran, alrededor de sus posiciones de equilibrio estable, cada vez con mayor amplitud a medida que se incrementa la temperatura. Llega un momento en el que vencen a las fuerzas de atracción que mantienen a los átomos en sus posiciones fijas y el sólido se convierte en líquido. Los átomos y moléculas siguen unidos por las fuerzas de atracción, pero pueden moverse unos respecto de los otros, lo que hace que los líquidos se adapten al recipiente que los contiene pero mantengan un volumen constante. Cuando se incrementa aún más la temperatura, se vencen las fuerzas de atracción que mantienen unidos a los átomos y moléculas en el líquido. Las moléculas están alejadas unas de las otras, se pueden mover por todo el recipiente que las contiene y solamente interaccionan cuando están muy próximas entre sí, en el momento en el que chocan. Un gas adopta la forma del recipiente que lo contiene y tiende a ocupar todo el volumen disponible. Un ejemplo clásico en el que se utilizan los conceptos de calor específico y calor latente es el siguiente: Determinar el calor que hay que suministrar para convertir 1g de hielo a -20 ºC en vapor a 100ºC. Los datos son los siguientes: 1. Calor específico del hielo C h =2090 J/(kg K) 2. Calor de fusión del hielo Lf =334·10 3 J/kg 3. Calor específico del agua C =4180 J/(kg K) 4. Calor de vaporización del agua Lv =2260·10 3 J/kg
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Etapas: 1. Se eleva la temperatura de 1g de hielo de -20ºC (253 K) a 0ºC (273 K) Q1=0.001·2090· (273-253)=41.8 J
2. Se funde el hielo Q2 =0.001·334·10 3=334 J
3. Se eleva la temperatura del agua de 0º C (273 K) a 100 ºC (373 K) Q3=0.001·4180· (373-273)=418 J
4. Se convierte 1 g de agua a 100ºC en vapor a la misma temperatura Q4=0.001·2260·10 3=2260 J
El calor total Q=Q1+Q2 +Q3+Q4=3053.8 J. Si disponemos de una fuente de calor que suministra una energía a razón constante de q J/s podemos calcular la duración de cada una de las etapas
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3.4 APLICACIÓN DE LOS BALANCES DE ENERGIA A PROCESOS SIN REACCIÓN QUIMICA. Las principales aplicaciones de los balances son:
Estudios de operaciones básicas
Proyectar plantas industriales
Comprobación y funcionamiento de los procesos (existencia de posibles fugas)
Los problemas de balance de masa y energía se basan en la aplicación correcta de las leyes de la conservación de la masa y de la energía y pueden llegar a ser extraordinariamente complicados. Sólo la resolución sistemática de muchos de ellos creará la intuición necesaria para resolver casos nuevos. En esta unidad se resolverán algunos problemas que ejemplifiquen estos balances.
Una alternativa para resolver los problemas encontrados en el balance de masa, incluye el elaborar programas con hojas de cálculo, las cuales proporcionan una forma de almacenar, analizar y organizar los datos numéricos, a través del uso de unas cuantas funciones básicas, y el manipular los datos de entrada y resultantes, mediante el uso específico de tablas que incluyen la incorporación de las propiedades cuantitativas de las especies involucradas en la transformación,
adecuación
y
contabilidad
de
materiales.
Al llevar a cabo un balance de materiales es útil y conveniente efectuar varios pasos preliminares, los cuales son flexibles y pueden modificarse de acuerdo con el estilo de análisis que se desarrolle. El conocer y manejar las operaciones o procesos unitarios es básico para llevar a cabo las transformaciones, procesamiento o tratamiento de la materia prima lo cual involucra la contabilidad de materiales y en donde una herramienta indispensable usada es la diagramación de las OU o PU involucrados en un sistema de manufacturas de bienes e inclusive de servicios. 21
CONCLUSIÓN
Esta investigación fue muy importante e interesante ya que en ella pudimos aprender grandes cosas como: Algunos conceptos básicos, tipos de procesos, rutas hipotéticas y varios temas de gran importancia. Los balances de masa y energía constituyen una herramienta fundamental para el desarrollo de procesos, mediante el planteamiento de las leyes de conservación y la aplicación de reglas estequiometrias y termodinámicas. Como sabemos los balances de masa o balances de materia se basan en la ley de la conservación de la materia, que establece que la materia no se crea ni se destruye. Los balances de masa son utilizados en el diseño de un nuevo proceso o en el análisis de uno ya existente.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFCAS
https://es.wikipedia.org/wiki/Tittulo_de_vapor.
Himmelblau, David M. Balances de Materia y Energía. Prentice – Hall.
Reklaitis, G. V. y Schneider, D. R. Balances de Materia y Energía. Nueva Editorial Interamericana.
https://es.slideshare.net/zumzteingnr/balance-de-materia-sin-reaccion-quimica
https://es.scribd.com/doc/95113481/Unidad-III-Balance-de-energia-sinreaccion-quimica
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