Balances de energía en estado inestable, mezclado no ideal, intermitente de solución

Los balances de energía resultan fundamentales para establecer las variaciones de energía que se producen durante un proceso industrial, o bien para determinar los requerimientos energéticos de una determinada operación o proceso industrial.

El principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye solo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación.

En el caso de la energía mecánica se puede concluir que, en ausencia de razonamientos y sin intervención de ningún trabajo externo, la suma de las energías cinética y potencial permanece constante. Este fenómeno se conoce con el nombre de principio de conservación de la energía mecánica.

Ecuación de todas las formas de energía.

∆(𝑈 + 𝐸𝑘 + 𝐸𝑝) = 𝑄 + 𝑊

Primera ley de la termodinámica.

La primera ley de la termodinámica relaciona el trabajo y el calor transferido intercambiado en un sistema a través de una nueva variable termodinámica, la energía interna. Dicha energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma. En este apartado estudiaremos.

La primera ley de la termodinámica determina que la energía interna de un sistema aumenta cuando se le transfiere calor o se realiza un trabajo sobre él. Su expresión depende del criterio de signos para sistemas termodinámicos elegido.

Criterio IUPAC

Se considera positivo aquello que aumenta la energía interna del sistema, o lo que es lo mismo, el trabajo recibido o el calor absorbido.

Criterio tradicional

Se considera positivo el calor absorbido y el trabajo que realiza el sistema sobre el entorno.

ΔU=Q+W

ΔU=Q−W

Donde:

∆U : Incremento de energía interna del sistema ( ∆U = Ufinal - Uinicial ). Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio ( J )

Q : Calor intercambiado por el sistema con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio ( J ), aunque también se suele usar la caloría ( cal ). 1 cal = 4.184 J

W : Trabajo intercambiado por el sistema con el entorno. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el julio ( J )

Principio de conservación de la energía.

Se considera que la energía total puede representarse como la suma de la energía interna, la energía cinética y la energía potencial, por lo tanto, el balance de energía puede ser expresado del siguiente modo

Resultados Equipo #3

DATOS DEL H2SO4 Y H20

Sustancia Volumen (mL) Masa (g) Moles (n) Temperatura inicial Temperatura de la mezcla

H2SO4 10 17.934 0.183 22°C 84°C

H2O 40 39.92 2.218 21°C

Total 50 57.854 2.401

FRACCIÓN MASA DE LAS SUSTANCIAS

H2SO4 0.310

H2O 0.690

Temperatura Masa

Ti=28°C

Ti=301.15K

T1[H2O] T1[H2SO4] Temperatura Final (mezcla) Masa [H2O] Masa [H2SO4]

Replicas °C K °C K °C K g kg g kg

1 20 293.15 21 294.15 90 363.15 39.92 0.03992 17.934 0.017934

2 20 293.15 21 294.15 92 365.15 39.92 0.03992 17.934 0.017934

3 20.5 293.65 21 294.15 90.6 363.65 39.92 0.03992 17.934 0.017934

Promedio 20.167 293.317 21 294.15 90.87 364.02 39.92 0.03992 17.934 0.017934

Temperatura de mezcla. %Error

Temperatura teórica de mezcla. (K) Temperatura experimental de mezcla. (K)

321.278 K 364.02 K 11.74 %

Cálculo de Masa (g) y (kg) y Moles (n) de las sustancias

40 mL H2O ρ[H_2 O]=0.998 g/mL y P.M=18 g/mol

Para calcular la masa del H2O

masa[H_2 O]=40 mL*0.998 g/mL=39.92 g=(39.92g*1Kg)/(1000 g)=0.0399 Kg

Para calcular el número de moles del H2O

numero de moles [H_2 O]=39.92 g*mol/(18 g)=2.2177≈2.218

10 mL de H2SO4 al 98% de pureza (w/w) ρ[H_2 SO_4 ]=1.83 g/mL y P.M=98 g/mol

Para calcular la masa de H2SO4

masa[H_2 SO_4 ]=10 mL*1.83 g/mL=18.3 g al 100%(w/w)

masa[H_2 SO_4 ]=18.3*98/100=17.934 g=(17.943g*1Kg)/(1000 g)=0.017934 Kg

Para calcular el número de moles del H2SO4

numero de moles [H_2 SO_4 ]=17.934 g*mol/(98 g)=0.183 mol

Moles de agua/moles de soluto

(2.218 mol )/(0.183 mol)=12.12 mol

Cálculo de fracción masa de las sustancias.

M_Total=masa[H_2 O]+ masa[H_2 SO_4 ]→M_Total=39.92 g+17.934 g=57.854 g

Xfraccción masa [H_2 O]=(masa de H20)/(Masa total )=(39.998 g)/(57.854 g)=0.690

X fracción masa [H_2 SO_4 ]=(masa de H2SO4)/(Masa total )=(17.934 g)/(57.854 g)=0.3099≈0.310

Cálculo del calor especifico (Cp) de la mezcla.

Cp [de la mezcla]=0.76 BTU/(〖lb〗_m*°F) (1.05506kJ/(1 BTU))((2.20462 〖lb〗_m)/(1 kg))*((212-32)°F)/(373.15-273.15)K=3.182 kJ/(kg K)

Cálculo de Calor integral de solución.

∆H°=-16.4 kcal/mol ((4.184 kJ)/kcal)((1000 mol)/kmol)=-68617.6 kJ/kmol

CALCULOS DE LA PRÁCTICA

Cálculo de temperaturas y masas de las sustancias

Masa y Temperatura H2O

Masa[H_2 O]=39.92 g (1kg/1000g)=0.03992

T1 y T2=(20 +273.15)=293.15K T3=(20.5+273.15)=293.65 K

Masa y Temperatura H2SO4

Masa[H_2 SO_4 ]=17.934 g (1kg/(1000 g))=0.017934 T1yT2yT3=(21+273.15)=294.15 K

Temperatura experimental de mezcla.

Temperatura1=(90+273.15)=363.15 K

Temperatura 2=(92+273.15)=365.15 K

Temperatura 3=(90.6+273.15)=363.75 K

promedio= (363.15 K+365.15 K+363.75 K)/3=364.02 K

Cálculo tabla 3.2 temperatura teórica de mezcla

[teo mez]=297.15+{((0.310*-(-68,617.6) kJ/(kmol ))/(98 kg/kmol))+[0.310*138.90 kJ/(kg K)*(294.15-297.15)K]+[0.690*4.198 kJ/(kg*K)*(293.317-297.15)K]}*1/(3.182 kJ/(kg K))= 321.278 K

Error relativo=(364.02-321.278)/364.02=11.74%

Los balances de energía resultan fundamentales para establecer

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