miércoles, 10 de febrero de 2010

BALANCE DE ENERGIA

CONCEPTOS BÁSICOS:
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.
Dos propiedades son independientes una de la otra, si existe por lo menos una variable de estado del sistema en la que una propiedad varíe y la otra se mantenga fija
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 o cuando el proceso ocurre con tal rapidez que no hay tiempo de transferir calor
Capacidad calorífica: se definen las capacidades caloríficas a volumen constante(Cv) y a presión constante(Cp) y respectivamente. También se utiliza el término calor específico para indicar la capacidad calorífica expresada con base a la unidad de masa
Para rangos no demasiado amplios de temperatura se puede considerar a las capacidades caloríficas como independientes de la temperatura. Para líquidos y sólidos Cv y Cp se pueden considerar prácticamente iguales. Para los gases ideales Cp = Cv +R
Con objeto de dar un significado físico a la capacidad calorífica, se puede pensar que representa la cantidad de energía necesaria para elevar en un grado la temperatura de la unidad de masa de una sustancia.
Si consideramos la dependencia de la capacidad calorífica a presión constante Cp, con la temperatura y teniendo en cuenta que casi todas las ecuaciones para Cp de sólidos y líquidos son empíricas, se expresa mediante una serie de potencias, con constantes a, b b, c, etc. por ejemplo:

Cp = a + bT + cT2 + dT3












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.
Para evaluar cuantitativamente la transferencia de calor , se puede utilizar una fórmula empírica:
(1)
velocidad de transferencia de calor
A = área de transferencia
U = coeficiente de transferencia de calor(dato empírico)
T = diferencia efectiva de temperatura entre el sistema y el entorno

Energía cinética(Ec): es la energía que tiene el sistema asociada a su velocidad relativa al entorno en reposo

Ec = ½ mv2 (2)

Energía 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

h = distancia al plano de referencia, medida a partir del centro de masa del sistema
m = masa del sistema
g = aceleración de gravedad

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

Entalpía: la entalpía se expresa como H = U + PV (3), donde E es la energía interna, P es la presión y V 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. Para determinar la entalpía se considera un estado de referencia :

Estado inicial del sistema Estado final del sistema
Entalpía = H1 - Href H2 - Href

Cambio neto de entalpía del sistema al pasar del estado inicial al estado final:

(H2 - Href ) – (H1 - Href ) = H2 – H1 = H (4)


Se tiene que del primer principio de la termodinámica : U = Q – W (5)

Siendo Q el calor absorbido y W el trabajo realizado, W = PV.

Si consideramos un proceso a presión constante tenemos:

H = U + PV, en este caso H corresponde al calor absorbido por el sistema, luego
H = Qp

Si el proceso se verifica a volumen constante V = 0, luego Qv = U = H

La entalpía es una función de estado y sólo depende de los estados inicial y final y no del camino recorrido

ECUACIÓN GENERAL DEL BALANCE DE ENERGIA

La ecuación general del balance de energía se expresa de la siguiente forma:


Acumulación de energía = transferencia de energía _ transferencia de energía
Dentro del sistema a través de la frontera fuera de la frontera
del sistema del sistema

+ energía generada dentro - energía consumida dentro (6)
del sistema del sistema


Esta ecuación puede ser aplicada a un equipo individual o a toda una planta

En la ecuación (6) se pueden introducir algunas simplificaciones:

1. No hay acumulación de energía dentro del sistema
2. No hay generación de energía dentro del sistema
3. No se consume energía dentro del sistema

Si introducimos esas simplificaciones la ecuación (6) se reduce a:

Transferencia de energía a través = Transferencia de energía fuera
de la frontera del sistema de la frontera del sistema












BALANCES DE ENERGIA PARA SISTEMAS CERRADOS

Se dice que un sistema es abierto o cerrado dependiendo que exista o no transferencia de masa a través de la frontera del sistema durante el período de tiempo en que ocurre el balance de energía. Por definición un proceso intermitente es un proceso cerrado y los procesos semiintermitente y continuo son sistemas abiertos.
Una ecuación integral de balance de energía puede desarrollarse para un sistema cerrado entre dos instantes de tiempo.

energía final del sistema – energía inicial del sistema = energía neta transferida

Energía inicial del sistema = Ui + Eci + Epi

Energía final del sistema = Uf + Ecf + Epf

U = energía interna
Ec = energía cinética
Ep = energía potencial

Energía transferida(E) = Q + W
E = Et2 –Et1
Los subíndices se refieren a los estrados inicial y final

(Uf - Ui) + (Ecf - Eci) + (Epf - Epi) = Q +W

Si utilizamos el símbolo  para indicar diferencia se tiene:
U + Ec + Ep = Q + W luego,

E = Q + W (7)

donde E representa la acumulación de energía en el sistema asociada a la masa y está compuesta por: energía interna(U), energía cinética y energía potencial(P).
La energía transportada a través de la frontera del sistema puede transferirse de dos modos: como calor (Q) o como y trabajo (W)
Q y W representan la transferencia neta de calor y trabajo, respectivamente, entre el sistema y su entorno
Si E = 0 ; Q = - W
La ecuación (7) es la es la forma básica de la primera ley de la termodinámica

BALANCE DE ENERGIA PARA SISTEMAS ABIERTOS EN REGIMEN ESTACIONARIO

Por definición en un sistema abierto se observa la transferencia de materia a través de sus fronteras cuando ocurre un proceso. Debe realizarse trabajo sobre el sistema para que exista una transferencia de materia hacia él y la masa que sale del sistema realiza trabajo sobre los alrededores(entorno)ambos términos de trabajo deben incluirse en la ecuación de balance de energía.
En la ecuación de balance de energía para un sistema abierto debemos incluir la energía asociada a la masa que entra y sale del sistema, con lo cual se tiene:

(8)

 significa lo que entra lo que sale del sistema menos lo que entra

si consideramos régimen estacionario: E entrada = E salida; E = 0, no hay acumulación de energía por lo que tenemos:

(9)

Si se considera que no hay variación de energía potencial ni de energía cinética y que W = 0 se tiene:

Q = H = Hproductos - Hreactivos (10)


TRANSICIONES DE FASE

Cuando ocurren cambios de fase de sólido a líquido, líquido a vapor y viceversa, ocurren grandes cambios en el valor de la entalpía de las sustancias. Estos cambios se denominan “Calor latente” y es constante referido a la unidad de masa(valores se encuentran en tablas).
Los cambios de entalpía que tienen lugar en una sola fase se conocen como cambios de “Calor sensible”
En los cambios de fase tenemos: calor de fusión, calor de evaporación, calor condensación y calor de sublimación.

1 comentario:

  1. está información está buena ya que no tiene tantos ejercicios y está mas conceptualizada

    ResponderEliminar