Termodinamica

BALANCE DE ENERGÍA

Habitualmente se define la energía como la capacidad de la materia para producir trabajo, pudiendo adoptar distintas formas.

El balance de energía al igual que el balance de materia es una derivación matemática de la "Ley de la conservación de la energía" (Primera Ley de La Termodinámica), es decir "La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma". El balance de energía es un principio físico fundamental al igual que la conservación de masa, que es aplicado para determinar las cantidades de energía que es intercambiada y acumulada dentro de un sistema. La velocidad a la que el calor se transmiten depende directamente de dos variables: la diferencia de temperatura entre los cuerpos calientes y fríos y superficie disponible para el intercambio de calor. También influyen otros factores como la geometría y propiedades físicas del sistema y, si existe un fluido, las condiciones de flujo. Los fluidos en bioprocesado necesitan calentarse o enfriarse. Ejemplos típicos de ellos son la eliminación de calor durante las operaciones de fermentación utilización utilizando agua de refrigeración y el calentamiento del medio original a la temperatura de esterilización mediante vapor.

Uno de los principales intereses del balance de energía es determinar la cantidad de energía que tiene un sistema, sin embargo esta no puede ser determinada, es decir no podemos conocer la energía absoluta en un momento determinado. En realidad lo que nos interesa es conocer los cambios en los niveles de energía que puede experimentar un sistema, para lo cual es necesario definir claramente la frontera entre el sistema o sus partes y los alrededores o el entorno.

Los objetivos del balance de Energía son:

Determinar la cantidad energía necesaria para un proceso.

Determinar las temperaturas a las cuales el proceso es más eficiente.

Disminuir el desperdicio de energía.

Determinar el tipo de materiales y equipos que mejor sean más eficientes.

Sin embargo el objetivo principal es la estimación de costos de operación del proceso, ya que el gasto energético es uno de los más importantes rubos durante la operación.

ENERGÍA

La energía (en la Física) es la capacidad que tiene un sistema de realizar un trabajo o una transformación. Y en muchos casos depende del estado de un sistema.

En la termodinámica y por ende en el balance de energía se considera los siguientes tipos de energía:

Los dos primeros tipos de energía son energías de transferencia, es decir solo se presentan cuando el entorno y el sistema se encuentran en estados diferentes, por lo cual esta energía se transfiere para alcanzar un equilibrio termodinámico:

• Trabajo (W): Es una forma de energía que representa una transferencia entre el sistema y el entorno. Y en general se manifiesta por presentar una fuerza mecánica.

• Calor (Q): Se define como la parte del flujo total de energía a través de la frontera de un sistema que se debe a una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno, es decir un tipo de energía en tránsito.

Los demás tipos de energías son propiedades de los sistemas:

• Energía Potencial: energía debida a la posición del sistema en un campo potencial (campo gravitatorio o campo electromagnético).

• Energía Cinética: Es la energía que un sistema posee en virtud de su velocidad relativa respecto al entorno que se encuentra en reposo. Surge en el fenómeno del movimiento. Está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde su posición de equilibrio hasta una velocidad dada.

• Energía Interna: toda energía que posee un sistema que no sea cinética ni potencial, tal como la energía debida al movimiento relativo de las moléculas respecto al centro de masa del sistema o energía debida a la vibración de las moléculas o la energía producto de las interacciones electromagnéticas de las moléculas e interacciones entre los átomos y/o partículas subatómicas que constituyen las moléculas. Dado que no existen instrumentos que puedan medir la energía interna de manera macroscópica, esta energía suele calcularse a partir de variables macroscópicas medibles como: temperatura, presión, volumen y composición.

• Entalpía (∆H)]: Es una magnitud termodinámica, cuya variación expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, es decir, la cantidad de energía que un sistema puede intercambiar con su entorno. La entalpía recibe diferentes denominaciones según el proceso, así: entalpía de reacción, entalpía de formación, entalpía de combustión, entalpía de disolución, entalpía de enlace, etc., siendo las más importantes:

• Entalpía de reacción (Hr).- es el calor absorbido o desprendido durante una reacción química, a presión constante.

• Entalpía de formación (Hf).- es el calor necesario para formar un mol de una sustancia, a presión constante y a partir de los elementos que la constituyen.

• Entalpía de combustión (Hc).- es el calor liberado, a presión constante, cuando se quema una mol de sustancia.

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

La expresión matemática del balance de masas puede simbolizarse de la siguiente manera, una vez hecho los arreglos matemáticos respectivos:

Donde ∆E es la diferencia de energía total de sistema (acumulación) durante un proceso o cambio de estado, Q (Calor) y W (Trabajo) que son energías de transferencia hacia el sistema del entorno o visceversa, D(H+K+P) son energías que se transportan con la materia que entra o sale del sistema, y Erx es la generación o consumo de energía por parte del sistema producto de una reacción química (Entalpía de Reacción).

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

4.

Si introducimos esas simplificaciones la ecuación se reduce a:

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

SISTEMA CERRADO: Es aquel que no presenta intercambio con el medio ambiente que lo rodea, pues es hermético a cualquier influencia ambiental. Así, los sistemas cerrados no reciben ninguna influencia del ambiente, y por otro lado tampoco influencian al ambiente. No reciben ningún recurso externo, operan con un intercambio de materia y energía

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