BALANCES DE ENERGIA

BALANCES DE ENERGÍA

ENERGÍA

De manera general, podemos decir que existen tres formas de energía: la energía cinética (Ek), la energía potencial (Ep) y la energía interna (U).

La energía cinética, llamada también energía del movimiento es aquella que posee un sistema en movimiento debido a su velocidad.

La energía potencial, es la energía relacionada a la posición del sistema en un campo gravitacional o electromagnético, o debido a la conformación del sistema en relación con la posición de equilibrio.

[pic 1]

Ejemplo de energía cinética y potencial

Como ejemplo de estas dos energías, podemos referirnos a la figura 1, se determina la energía de un ciclista cuando sube y baja (B) una cuesta debido a la velocidad que llevan las ruedas de la bicicleta al subir y bajar; la energía potencial se determina en el momento cuando se localiza en la parte superior (A) donde no existe movimiento de las ruedas de la bicicleta.

La energía interna es la suma de todas las energía molecular, atómica y subatómica de la materia. La energía interna no puede ser medida directamente, o bien no es posible establecer un valor absoluto, por lo que solamente se cuantifican variaciones o cambios de energía interna, esto nos habla de que la energía interna es una función de estado.

Una función de estado es aquella propiedad termodinámica que posee un sistema y que depende de su estado inicial y final durante un proceso

La energía puede ser transferida en forma de calor o trabajo:

El calor (Q) es el tipo de energía que se transfiere o fluye a través de las fronteras de un sistema debido a una diferencia de temperaturas.

El trabajo (W) es la energía que se transfiere como resultado de un desplazamiento. Existen dos tipos de trabajo, el trabajo mecánico que es el trabajo realizado por una parte móvil de un sistema (por ejemplo el agitador en un fermentador) y el trabajo de flujo que es la energía necesaria para impulsar a la materia dentro del sistema.

Tanto el calor como el trabajo son funciones de trayectoria o en tránsito ya que se intercambian o transfieren constantemente del entorno hacia el sistema o desde el sistema hacia los alrededores como resultado del estado inicial y final del mismo (variación de su energía cinética, potencial e interna)

UNIDADES

Los conceptos revisados en el apartado anterior corresponden a diferentes tipos de energía por lo tanto todos manejan la unidad de Joule (J) en el sistema internacional de unidades

La unidad de energía es el Joule en el S.I.
1 Joule = 1 Newton metro (N m)

PROPIEDADES INTENSIVAS Y EXTENSIVAS

Las propiedades de la materia se clasifican en dos grupos: las propiedades intensivas y las propiedades extensivas.

Se le conoce como propiedad intensiva a aquellas cuya magnitud no depende de la cantidad de materia presente. En cambio, las propiedades extensivas son aquellas cuya magnitud depende de la cantidad de materia. Si la variable extensiva se divide entre la cantidad de masa del sistema, se convierte en una propiedad específica. Las variables específicas son propiedades intensivas ya que son independientes de la masa.

Tabla 1. Ejemplos de propiedades intensivas, extensivas y específicas

Es común que algunos autores (y será nuestro caso también) opten por utilizar letras mayúsculas para denotar las propiedades extensivas y con letra minúscula las propiedades específicas.

ENTALPÍA

La entalpía (H) es una función de estado y es la energía de intercambio. Es una propiedad que se emplea frecuentemente en los balances de energía.

Matemáticamente se define como la sumatoria de la energía interna más el trabajo de flujo:

H= U + pV............... (1)

Donde: H=Entalpía [=] J

U= Energía interna [=] J

p=presión [=] N/m2

V=volumen [=] m3

Para calcular la entapía es importante recordar que esta función no se puede conocer en términos absolutos por lo cual se debe considerar en términos de variación de entalpía. Para fines prácticos en cálculos de balance, se puede establecer el valor de referencia de la entalpía igual a cero.

Además de la ecuación (1), la entalpía puede ser determinada mediante:

a) Cambios de tempertatura

b) Cambios de fase

c) Reacciones químicas

La energía en forma de calor que se transfiere para que se de un aumento o disminución de la temperatura se conoce como calor sensible, cuando un proceso se lleva a cabo a presión constante el calor se iguala a la variación de entalpía

Q = [pic 2]H

Esta variación de calor sensible se calculan mediante la capacidad calorífica a presión constante (Cp) y el calor específico a presión constante (cp).

Estas dos propiedades de la materia indican la capacidad de un cuerpo de almacenar energía siendo la capacidad calorífica una propiedad extensiva y el calor específico una propiedad intensiva. Estas propiedades, dependen de diferentes factores como la presión, la pureza de una sustancia y la temperatura; cuando el valor de cp y Cp son constantes la variación de entalpía puede ser calculada de la siguiente forma: 

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