Contenido Dinámicos Balances de Energía Parte1

8/18/2019 Contenido Dinámicos Balances de Energía Parte1

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TERMODINÁMICA

Fuente: (Levenspiel, 1996)

CURSO DE TERMODINÁMICASEMESTRE ENERO-JUNIO DE 2016

PROGRAMA DE INGENIERÍA AMBIENTALUNIVERSIDAD MARIANA

Energía, Transferencia de Energía y Análisis General de Energía.

TEMAFormas de Energía

TUTORMario Alberto Jurado ErasoIngeniero Químico - Profundización en procesos químicos, catalíticos y biotecnológico

Especialista en Ingeniería Sanitaria y AmbientalMagister en Ingeniería, Énfasis en Ingeniería Sanitaria y Ambiental

Diplomado en Investigación Científica: Aplicada a las Ciencias Exactas, Físicas y NaturalDiplomado en Fundamentos para la Creación y Desarrollo de Cursos B-Learnin


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TERMODINÁMICA INTRODUCCIÓN

Apreciados estudiantes:

Este material se ha desarrollado con el fin de presentar las principales formas de energía, temfundamental para llevar a cabo análisis debalances de energía en sistemas ambientales.

Antes de comenzar:

Observa el siguientevídeo en el que se analiza una de las más interesantes formas detransferencia de energía:el calor se convierte en trabajo.

https://www.youtube.com/watch?v=PzB-3nTgfqYhttps://www.youtube.com/watch?v=PzB-3nTgfqYhttps://www.youtube.com/watch?v=PzB-3nTgfqY


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TERMODINÁMICA CONTEXTUALIZACIÓN

La energía es la capacidad que tiene un sistema termodinámico de producir un cambio. Estocambios pueden ser por ejemplo: la capacidad que tiene un sistema termodinámica de producir l

y calor o la capacidad que tiene un sistema termodinámico de producir movimiento a partir dcalor. En este orden de ideas, un sistema termodinámica es una masa o un volumen de cualquiersustancia química (Valencia V., 1996).

La sociedad moderna depende del uso de la energía, por ejemplo: en unatermoeléctrica selogra convertir la energía almacenada en el carbón (que resulta de la descomposición de animay plantas) en energía eléctrica que es una de las formas más útiles, pues la usamos diariamente ennuestras vidas. Otro ejemplo interesante es la gasolina, cuya energía utilizamos para transport

bienes y materiales, todos los días. Sin embargo, los flujos de energía y su transformación tamb pueden causar problemas medioambientales, por ejemplo: los gases provenientes de los vehícuque usan la energía de la gasolina, contribuyen al aumento descontrolado de la temperatura meddel plantea (calentamiento global intensificado) (Mihelcic & Auer, 1999).

Formas de energía. Las formas de energía, se pueden dividir en dos tipos:internas y externas .La energía que tienen las moléculas de una sustancia cualquiera se llama energía interna. Por otra parte, la energía relacionada con la posición o velocidad de un sistema termodinámico se llamenergías externas y son de dos tipos principales:energía potencial y energía cinética (Mihelcic &Auer, 1999).

Por otra parte, elcalor que es una forma de agregar o eliminar energía de un sistema por elcontacto con un cuerpo máscliente o más frío, es una forma de energía interna resultante delmovimiento aleatorio de los átomos y moléculas, por ejemplo: cuando se calienta un pocillo dagua (al cambiar su temperatura) se le añade energía en forma de calor al agua (debido a un camb

en la energía interna del agua). A este respecto,el cambio en la energía interna del agua se calculacomo se muestra en la ecuación 1 (Levenspiel, 1996; Mihelcic & Auer, 1999).

Δ = m∗ c∗ Δ T (1)

https://www.youtube.com/watch?v=Apg_aEwvzGMhttps://www.youtube.com/watch?v=Apg_aEwvzGMhttps://www.youtube.com/watch?v=YWEXLSjaYf0https://www.youtube.com/watch?v=YWEXLSjaYf0https://www.youtube.com/watch?v=YWEXLSjaYf0https://www.youtube.com/watch?v=Pz87CpmzwG8https://www.youtube.com/watch?v=Pz87CpmzwG8https://www.youtube.com/watch?v=Pz87CpmzwG8https://www.youtube.com/watch?v=Pz87CpmzwG8https://www.youtube.com/watch?v=YWEXLSjaYf0https://www.youtube.com/watch?v=Apg_aEwvzGM


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TERMODINÁMICA donde:

Δ U es el cambio en la energía interna del agua o cualquier otra sustancia y se mide en unidadde energía, por ejemplo: J, cal, kcal, Btu o lbf -ft.

m es la masa del agua o del cualquier otra sustancia y se mide en unidades de masa.

c es la capacidad de calor o el calor específico del agua o del cualquier otra sustancia y se mi

en unidades de í∗

, por ejemplo:∗

,∗°

,∗°

. Además, cabe mencionar que la capacidad

de calor o calor específico depende de la sustancia, por ejemplo: para el agua vale 4184∗

En la tabla 1, se presentan algunas de las ecuaciones básicas para el cálculo de los cambios d

energía (Δ E) que sufre un sistema termodinámico, a nivel interno y externo.

Tabla 1. Ecuaciones básicas para el cálculo de los cambios de energía (Δ E).

Forma de Energía Fórmula para el cálculo del cambio deEnergía (ΔE )

Energía Interna (U) ΔE = ΔU = m*c*Δ T

Energía potencial (Ep)ΔE = Δ

Ep = m*g*Δ

zEnergía cinética (Ec) Δ E =Δ Ec =1

2*m*Δ (v2)

donde: m es masa, c es calor específico,Δ T es un cambio en la temperatura, g es la aceleración de la gravedad(9.8 m/s2), Δ z es un cambio en la posición (altura) yΔ (v2) es un cambio en la velocidad al cuadrado (Δ (v2) = velocidadfinal del cuerpo2 – velocidad inicial del cuerpo2).

Pr imera l ey de la Termodi námica o L ey de la conservación de la Energía. La observación

muestra que la energía no puede surgir de la nada. Si un sistema u objeto gana energía ésta dede haber venido de fuera de él. La primera ley dice: La energía no puede crearse o destruirsSolamente puede cambiarse de una forma a otra o solo puede agregarse al sistema desde lalrededores.

Balance de Energía. La ecuación 2, se puede usar para llevar a cabo los balances de energía.


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TERMODINÁMICA ( í á í ) =

( í ) −

( í ℎ ) (2)

= −

Nomenclatur a a usarse. Considere un sistema uniforme (temperatura, presión y composiciónconstante) que tiene una masa m, o que contiene un número de moles de materialɳ . Entonces tenga

en cuenta las ecauciones 3 a 11.

= (3)

donde:

ɳ es el número de moles

m es la masamw es la masa molecular

= = (4)

donde:

e es la energía específica del sistema en unidades de energía/masa o energía/moles, poejemplo: J/kg, J/g, Btu/lb, lbf -ft/lb, J/mol, J/kmol, Btu/lbmol, lbf-ft/lbmol, etc.

E es la energía total del sistema en unidades de energía, por ejemplo: J, cal, kcal, Btu, lbf-fetc.

m es la masa del sistema

ɳ son las moles del sistema

=t

= (5)


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TERMODINÁMICA E es la razón de cambio o tasa de energía total del sistema en unidades de energía/tiempo, p

ejemplo: J/s. (Tenga en cuenta los siguientes factores de conversión: 1 J/s = 1 W; 1 W = 745.7 hpRecuérdese que W significa watts y hp significa Horse Power (caballo de fuerza).

E es la energía total del sistema en unidades de energía, por ejemplo: J, cal, kcal, Btu, lbf-fetc.

t es el tiempo.

= =η (6)

donde:

e es la razón de cambio o tasa de energía específica en unidades de energía/(masa*tiempo)energía/(moles*tiempo). Por ejemplo:

∗= , etc.

E es la razón de cambio o tasa de energía total del sistema en unidades de energía/tiempo, pejemplo: J/s. (Tenga en cuenta los siguientes factores de conversión: 1 J/s = 1 W; 1 W = 745.7 hp

m es la masa del sistema

ɳ son las moles del sistema

m =t (7)

donde:

m es el flujo másico o carga

m es la masa de un sistema en movimiento

t el tiempo


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TERMODINÁMICA

V = (8)

donde:

V es el caudal

V es el volumen de un sistema en movimiento

t es el tiempo

=∗

= ∗ (9)

donde:

W es la potencia ejecutada por un equipo mecánico para mover una masa o un volumen de usistema en movimiento, por ejemplo: bombas o compresores. Está en unidades de W (watts) o (Horse Power).

W es el trabajo mecánico realizado por el equipo. Está en unidades de energía J, cal, Btu, et

m es el flujo másico del sistema.

m es la masa del sistema.

w es el trabajo específico del equipo mecánico. Está en J/kg, Btu/lb, etc.

1 ∗ 1 = 2 ∗ 2 (9)

donde:

v1 y v2, son las velocidades de un fluido (gas o líquido) a la entrada de una tubería o cualquieequipo.

A1 y A2 son las áreas de la tubería o equipo a la entrada y a la salida de la tubería o equipo.


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TERMODINÁMICA V = v ∗ A (10)

donde:

V es el caudal de un fluido que viaja por una tubería o equipo. Está en unidades dvolumen/tiempo.

A es el área de la tubería o equipo por el que viaja un fluido.

= ∗ (11)

donde:

m es el flujo másico de un fluido

V es el caudal de un fluido

es la densidad de un fluido.


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TERMODINÁMICA REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Levenspiel, O. (1996).Understanding Engineering Thermo . Prentice Hall PTR.

Mihelcic, J. R., & Auer, M. T. (1999). Fundamentals of environmental engineering . John Wiley.

Valencia V., B. (1996). Balance de energía. Manizales: Universidad Nacional de Colombia,.

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