💥😬BALANCES DE ENERGÍA: Conceptos Básicos de los Balances de Energía✨
Summary
TLDREl video ofrece una revisión de los conceptos fundamentales de los balances de energía, esenciales en la ingeniería química para determinar la cantidad de energía requerida en procesos industriales. Se discuten las formas de energía, como la cinética, potencial y interna, y se destaca la importancia de la ley de conservación de la energía en la primera ley de la termodinámica. Se describe la transferencia de energía a través del calor y el trabajo, y se introduce la entropía y la entalpía como funciones de estado claves. Además, se exploran los equipos de transferencia de calor, como los intercambiadores de calor, y cómo se aplican en la industria química para suministrar o eliminar calor. Finalmente, se mencionan los conceptos de energía latente y sensible, y cómo estos se relacionan con los cambios de fase y la temperatura. El video es una herramienta valiosa para estudiantes y profesionales que deseen profundizar en el análisis de procesos energéticos.
Takeaways
- 📚 Los balances de energía y de materia son fundamentales en la ingeniería química para determinar los requerimientos de materiales y energía en procesos industriales.
- 🔍 La energía es esencial en la industria química, ya que es un insumo clave para la fabricación de productos y intermediarios.
- ⚖️ Los ingenieros químicos deben ser capaces de calcular la cantidad de energía necesaria para operar equipos o realizar procesos, incluyendo el calor para calentar o enfriar una corriente.
- 🚫 La ley de conservación de la energía, que forma la base del primer principio de la termodinámica, establece que la energía no se puede crear ni destruirse, sino transformar de una forma a otra.
- 🔄 La energía puede existir en diferentes formas, como energía cinética, energía potencial y energía interna, y puede transformarse de una forma a otra.
- ✅ La energía cinética se refiere a la energía del movimiento, mientras que la energía potencial está relacionada con la posición en un campo de fuerzas o la configuración de un sistema.
- 🌡️ La energía interna de un sistema está relacionada con el movimiento y la interacción entre las moléculas, y se manifiesta a través de la temperatura.
- 🔥 La transferencia de energía entre un sistema y su entorno puede ocurrir por medio del calor o del trabajo mecánico.
- 🌀 La entropía es una función de estado que surge de la combinación de la energía interna con una parte del trabajo que realiza el sistema.
- 💧 Los intercambiadores de calor son dispositivos esenciales en la industria química para suministrar o eliminar calor, y pueden tener diferentes diseños según su uso.
- ⚙️ En los equipos de transferencia de calor, la energía cinética y potencial son insignificantes comparados con la energía calorífica que se intercambia,简化表示为 Q = ΔH.
Q & A
¿Qué son los balances de energía y por qué son importantes en la industria química?
-Los balances de energía son la determinación cualitativa y cuantitativa de los requerimientos de materiales y energía involucrados en un proceso. Son vitales en la industria química ya que son insumos para la elaboración de productos, y permiten a los ingenieros químicos determinar la cantidad de energía necesaria para los equipos o procesos, incluyendo la energía para calentar o enfriar una corriente.
¿Qué ley de la termodinámica es fundamental para realizar balances de energía?
-La primera ley de la termodinámica, también conocida como la ley de la conservación de la energía, es fundamental para realizar balances de energía. Esta ley establece que la energía no puede crearse ni destruirse en los procesos que no incluyen reacciones nucleares, sino que puede convertirse de una forma en otra.
¿Cómo se define la energía cinética?
-La energía cinética es la energía debida al movimiento de un sistema con respecto a un sistema de referencia. Se calcula como la masa del sistema multiplicada por la velocidad al cuadrado, dividido entre 2 (Ec = 1/2 mv²).
¿Cómo se define la energía potencial?
-La energía potencial es la energía debida a la posición del sistema en un campo de fuerzas o su configuración con respecto a un estado de equilibrio. Por ejemplo, la energía potencial gravitacional es igual a la masa del sistema multiplicada por la gravedad por la altura (Ep = mgh).
¿Qué es la energía interna y cómo se relaciona con la temperatura del sistema?
-La energía interna es la energía debido al movimiento de las moléculas y a la interacción entre ellas, que se manifiesta a través de la temperatura del sistema. No se puede expresar mediante una relación de las variables de estado ni calcular de forma absoluta; solamente se consideran las diferencias.
¿Cómo se define la transferencia de energía en un sistema cerrado?
-La transferencia de energía en un sistema cerrado puede realizarse a través de dos formas principales: el calor, que es la energía que fluye debido a una diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores, y el trabajo, que es la energía que fluye en respuesta a la aplicación de una fuerza.
¿Qué es la entropía y cómo se relaciona con la energía interna y el trabajo del sistema?
-La entropía es una función de estado que resulta de la combinación de la energía interna con una parte del trabajo que genera el sistema. Se expresa en unidades de energía y es igual a la energía interna más la presión por el volumen (Entalpía = U + pV).
¿Cómo se calcula la entalpía específica de una sustancia?
-La entalpía específica es una propiedad de estado dividida por la masa. Se calcula como la energía interna específica más la presión por el volumen específico (h = u + p/v), donde h es la entalpía específica, u es la energía interna específica, p es la presión y v es el volumen específico.
¿Qué es el calor latente y cómo se relaciona con los cambios de fase de una sustancia?
-El calor latente es el cambio de entalpía debido a transiciones de fase a temperatura constante. Incluye el calor latente de fusión, necesario para el cambio de sólido a líquido, y el calor latente de vaporización, necesario para el cambio de líquido a gas.
¿Cómo se relaciona la capacidad calorífica con el calor sensible y cómo afecta la temperatura a esta capacidad?
-La capacidad calorífica es la constante de proporcionalidad entre el calor transferido y el cambio en la temperatura de una sustancia (calor = masa × cp × delta T). Esta capacidad varía con la temperatura y afecta tanto al calor sensible, que es el calor transferido para un cambio de temperatura en una sola fase, como al calor latente, asociado con cambios de fase a temperatura constante.
¿Cómo se representa un intercambiador de calor en un diagrama de flujo y qué componentes son fundamentales?
-Un intercambiador de calor se representa en un diagrama de flujo con cuatro corrientes: corriente de entrada y salida de fluido caliente y corriente de entrada y salida de fluido frío. Los componentes fundamentales son la masa, la velocidad y la altura en la entrada y salida de cada fluido.
¿Cómo se aplica la primera ley de la termodinámica en los equipos de transferencia de calor?
-En los equipos de transferencia de calor, donde no se realiza trabajo y las energías cinética y potencial son muy pequeñas, la primera ley de la termodinámica se aplica简化为: el calor (Q) es igual al cambio en la entalpía (ΔH), es decir, Q = ΔH, y se desprecian los cambios de energía cinética y potencial.
Outlines
📚 Introducción a los balances de energía
Este primer párrafo introduce los conceptos básicos de los balances de energía en la industria química. Se destaca la importancia de la energía en la fabricación de productos y cómo los ingenieros químicos deben determinar la cantidad de energía necesaria para los procesos. Se menciona la ley de conservación de la energía y se sugiere que los espectadores revisen la materia de termodinámica para comprender mejor los balances energéticos. Además, se describe la energía cinética, potencial y interna, y cómo se relacionan entre sí.
🔥 Transferencia de energía y entropía
El segundo párrafo aborda el tema de la transferencia de energía entre un sistema cerrado y su entorno, a través del calor y el trabajo. Se define la entropía como una función de estado resultante de la combinación de la energía interna y parte del trabajo generado por el sistema. Se introduce la entalpía y su relación con la energía interna y la presión por el volumen. Además, se discuten conceptos como la entalpía de formación o estándar y la entropía de combustión estándar, que son importantes para realizar balances de energía en ejercicios prácticos.
🔧 Equipos de transferencia de calor
Este párrafo se enfoca en los equipos de transferencia de calor, esenciales en la industria química para suministrar o eliminar calor. Se describe cómo estos equipos, conocidos como intercambiadores de calor, pueden diseñarse de diferentes formas y usarse para el calentamiento, enfriamiento o cambios de estado de la materia. Se presenta un diagrama de flujo para representar un equipo de transferencia de calor y se discute cómo la energía se intercambia entre corrientes de fluidos calientes y fríos. Además, se menciona la ecuación de balance de energía para estos equipos, destacando que el trabajo y las energías cinética y potencial son despreciables en comparación con la energía calorífica.
🌡️ Calor sensible, latente y procesos de cambio de fase
El cuarto y último párrafo explora el concepto de calor sensible y latente en relación con los procesos de cambio de fase de los materiales. Se describe cómo el calor sensible se relaciona con los cambios de temperatura en una sola fase, mientras que el calor latente está asociado con transiciones de fase a temperatura constante. Se mencionan los procesos de fusión y vaporización como ejemplos de cambio de fase reversibles y se definen los términos calor latente de fusión y calor latente de vaporización. Finalmente, se resume la información sobre los balances de energía, destacando la importancia de estos conceptos para el desarrollo de ejercicios prácticos en el campo de la termodinámica.
Mindmap
Keywords
💡Balances de energía
💡Energía cinética
💡Energía potencial
💡Energía interna
💡Transferencia de energía
💡Entropía
💡Entalpía
💡Capacidad calorífica
💡Intercambiadores de calor
💡Calor latente
💡Primera ley de la termodinámica
Highlights
Los balances de energía son fundamentales en la industria química para determinar los requerimientos de energía en procesos.
Los ingenieros químicos deben ser capaces de determinar la cantidad de energía para equipos o procesos, incluyendo calentamiento o enfriamiento.
La energía puede ser determinada como calor, generalmente suministrada por vapor de agua o agua.
Todas las formas de energía asociadas con la masa son importantes en los cálculos, siguiendo la ley de conservación de la energía.
La primera ley de la termodinámica es la base para realizar balances de energía.
Los balances de energía son esenciales para el análisis de procesos y tienen múltiples aplicaciones prácticas.
La energía se clasifica en energía almacenada y energía en transición.
La energía cinética y energía potencial son componentes de la energía total de un sistema.
La energía interna de un sistema está relacionada con el movimiento y la interacción molecular, y se manifiesta a través de la temperatura.
La transferencia de energía entre un sistema y sus alrededores puede ocurrir a través del calor o del trabajo.
La entropía es una función de estado resultante de la combinación de la energía interna con una parte del trabajo generado por el sistema.
La entalpía, medida en jules o unidades de energía, es igual a la energía interna más la presión por el volumen.
La entalpía de formación o estándar es la variación de entalpía en la formación de un compuesto a partir de sus elementos en condiciones estándar.
Los intercambiadores de calor son ampliamente utilizados en la industria química para suministrar o eliminar calor.
En los equipos de transferencia de calor, la energía cinética y potencial son muy pequeñas comparadas con la energía calorífica intercambiada.
Para sistemas sin cambio de fase, la energía transferida es igual al calor, y se relaciona con la capacidad calorífica a presión constante.
Los cambios de fase, como la fusión y vaporización, requieren calor latente, que es el calor necesario para la transición a una temperatura constante.
El calor sensible es proporcional a la masa de la sustancia y al número de grados de cambio de temperatura.
Los principios básicos de los balances de energía son fundamentales para desarrollar ejercicios y aplicaciones en la materia.
Transcripts
[Música]
hola queridos estudiantes cómo están en
esta ocasión vamos a revisar conceptos
básicos de los balances de energía
comencemos como ya hemos repasado en
vídeos anteriores los balances de
materia y energía se definen como la
determinación cualitativa y cuantitativa
de los requerimientos de materiales y
energía involucrados en un proceso
químico industrial de energía en la
industria química es de vital
importancia debido a que es un insumo
para la elaboración de productos
intermedios o finales
nosotros como ingenieros químicos
debemos ser capaces de poder determinar
la cantidad de energía que necesitan los
equipos o bien lo que necesitan los
procesos la energía que se requiere para
poder calentar o enfriar una corriente
generalmente se puede determinar como
calor dicho calor o energía los
suministro de un medio que generalmente
es vapor de agua o agua
todo ingeniero químico debe de tener en
cuenta principalmente que todas aquellas
formas de energía asociadas con la masa
y dentro de los cálculos no olvidar la
ley de la conservación de la energía que
como ya repasamos en balances de masa
según la cual la energía no puede
crearse ni destruirse en los procesos
que no incluyen reacciones nucleares
pero sí puede convertirse de una forma
en otra esta ley nosotros ya la
conocemos y es la primera ley de la
termodinámica es la base para poder
realizar los balances de energía ahora
bien una vez dicho esto necesitaremos
hacer uso de conceptos básicos revisados
en la materia de termodinámica por lo
que te recomendamos pases a visitar la
lista de reproducción de las clases de
termodinámica aquí arriba te dejo el
link directo para que vayas a estas
clases pasando a revisar qué es un
balance energético podemos comentar que
es una contabilidad del aporte y del
consumo de energía en un sistema el
balance de materia y el balance de
energía de un proceso son herramientas
fundamentales para el análisis del mismo
entre otras aplicaciones los balances de
energía pueden considerarse como los
siguientes lograr una producción
efectiva de calor recuperar y usar
efectivamente el calor determina el
consumo de combustible y calcular la
cantidad de energía mecánica necesaria
vamos a repasar los tipos de energía ya
habíamos revisado que no existe hasta
ahora una definición exacta o
satisfactoria de la energía se dice que
la energía es algo que tiene una
facultad una aptitud o una potencia de
producir cambios en el estado de los
cuerpos incluyendo cambios en sus
movimientos o bien producir trabajo
mecánico o eléctrico o entre otros
ustedes este repasen la energía puede
clasificarse en dos grandes grupos tanto
energías almacenadas y energías en
transición al primer grupo corresponden
todas las energías que permanecen en un
sistema hasta que mediante alguna
transformación pueden convertirse en
otro tipo de energía ahora bien
revisemos las siguientes energías
tenemos la energía cinética y además
tenemos la energía potencial estos dos
tipos de energía son los componentes de
la energía total de un sistema por
ejemplo la energía cinética nos habla de
que es la energía debida al movimiento
del sistema respecto a un sistema de
referencia y la vamos a indicar cómo
sigue energía cinética es igual a la
masa por la velocidad al cuadrado entre
2 por lo tanto la energía potencial es
la energía debida a la posición del
sistema en un campo potencial de fuerzas
o a su configuración respecto a un
estado de equilibrio y vamos a indicar
la como sigue en la siguiente ecuación
energía potencial es igual a la masa por
la gravedad por la altura a continuación
tenemos a la energía interna
la energía interna es la energía debida
al movimiento de las moléculas y a la
interacción entre ellas que se
manifiesta a través de la temperatura
del sistema no es posible expresarla
mediante una relación de las variables
de estado ni calcularla de forma
absoluta solamente las diferencias aquí
tenemos un esquema en el cual tenemos la
energía potencial sumada a la energía
cinética que ya definimos en el slide
anterior es igual a la energía interna
entonces así es como nosotros vamos a
poder identificar y poder determinar a
la famosa energía interna de igual
manera esto ya lo revisamos y ustedes ya
lo repasaron en clases de termodinámica
ahora vamos a ver la transferencia de
energía la transferencia de energía
entre un sistema cerrado y sus
alrededores puede realizarse de dos
formas tenemos el calor el calor es la
energía que fluye como resultado de una
diferencia de temperatura entre el
sistema y
y sus alrededores y tenemos además el
trabajo
esta es la energía que fluye en
respuesta a la aplicación de una fuerza
recuerden que el calor es positivo si lo
recibe el sistema y el trabajo es
positivo si es realizado sobre el
sistema en cuestión de igual manera esto
ya lo revisamos en clases de
termodinámica a continuación tenemos a
la entropía la entropía es la función de
estado resultado de la combinación de la
energía interna con una parte del
trabajo que genera el sistema aquí
tenemos la expresión entalpía que la
vamos a venir indicando en jules o en
unidades de energía es igual a la
energía interna más la presión por el
volumen el término p b es denominado
energía de flujo y sumado a la energía
interna constituye esta una nueva
propiedad de estado cuando se utilizan
energía
por unidad de masa la expresión es la
siguiente tenemos ahora la entalpía
específica ustedes ya también conocen y
de igual manera ya lo revisamos en
clases de termodinámica que cuando
tenemos una unidad o una propiedad de
estado dividida entre la masa
corresponde a una propiedad específica
en este caso tenemos al en tal pía
específica que tenemos en unidades de
energía por unidad de masa o bien jules
por kilogramo esto va a ser igual a la
energía interna específica más la
presión por el volumen específico baquba
pues así lo vamos a considerar y así lo
vamos a estar trabajando además tenemos
las siguientes entalpía tenemos la
entalpía de formación o estándar
esta es la variación del entalpía
producida en la formación de un molde un
compuesto a partir de sus elementos
constituyentes en el estado estándar de
298
kelvin y una atmósfera de presión cuyas
respectivas en tal pies de formación se
definen como nulas en este estado y
además tenemos la entropía de combustión
estándar
esta es la variación de italia producida
en la combustión completa de un molde un
compuesto en el estado estándar de 298
kelvin y una atmósfera de presión
definiendo como nulas las respectivas en
tal vías de combustión de los productos
finales de oxidación
posteriormente en ejercicios vamos a
estar ocupando este tipo de en tal pies
para poder realizar los balances
pertinentes de energía
ahora revisemos los equipos de
transferencia de calor
recuerden que los equipos de
transferencia de calor son bastante
usados en la industria química para
suministrar o eliminar calor en forma
general reciben el nombre de
intercambiadores de calor nosotros
también estos ya los conocemos y los
podemos visualizar en una industria
química estos aparatos son diseñados de
diferentes formas según el empleo que
les vayamos a dar y pueden servir para
calentamiento o bien para enfriamiento o
para cambios de estado de la materia
para lo cual se utiliza otra sustancia
con la cual se intercambia el calor
pueden recibir nombres especiales como
por ejemplo servidores calderines
calderas o vaporizador es aquel equipo
en el cual se produce una evaporación
vale entonces un equipo de transferencia
de calor se puede representar mediante
el siguiente diagrama de flujo tenemos
aquí que el equipo de transferencia de
calor tiene cuatro corrientes una
corriente de entrada donde viene el
fluido caliente con los siguientes m que
representan
v que representa a la velocidad y h que
representa a la altura en la entrada
posteriormente tenemos el fluido
caliente a la salida que tenemos de
igual manera la masa de salida y la
velocidad de salida y la altura de
salida también tenemos un fluido frío
que viene en una corriente de abajo que
de igual manera tenemos masa de entrada
de ese fluido frío velocidad de entrada
y altura de entrada y del lado izquierdo
en la corriente de salida del fluido
frío tenemos su masa su velocidad y su
altura a la salida así es como nosotros
vamos a identificar un equipo de
transferencia de calor y posteriormente
vamos a realizar algunos ejercicios
sobre esto por lo tanto en los equipos
de transferencia de calor no se realiza
trabajo y las energías cinética y
potencial son muy pequeñas comparadas
con la energía calorífica que en ellos
se intercambia por ello en la ecuación
de balance de energía
escribir la de la siguiente manera aquí
tenemos una ecuación de la primera ley
de la termodinámica o de balance de
energía para este sistema abierto y
tenemos que q el calor más el trabajo es
igual al cambio la diferencia al de
entalpía más la delta de la energía
cinética más la delta de energía
potencial ahora que en los equipos de
transferencia de calor no se realice
este trabajo las energías tanto cinética
como potencial son muy pequeñas
comparadas con la energía calorífica que
en ellos se intercambia entonces q es
igual a delta h se desprecia el trabajo
se desprecian los cambios de energía
cinética y además de energía potencial y
podemos decir que q es igual a delta h
por lo tanto debemos de tener presente
que el calor incluye el tanto el calor
sensible y el calor latente presentes en
cada una de las corrientes que
atraviesan las fronteras del sistema
ahorita vamos a pasar
a este tipo de conceptos tenemos que
para un sistema sin cambio de fase
existe la siguiente expresión masa por
el cambio o la diferencia al dental pie
es igual al calor cuando la presión es
constante y esto es igual a la masa por
el cp por el delta t sabemos que s&p
involucra a quien a la capacidad
calorífica a presión constante de igual
manera este concepto ya lo revisamos en
clases de termodinámica por favor pasen
a revisarlo entonces como ya sabemos el
cambio de en thalía o delta h
es el calor transferido a presión
constante si en el sistema no hay cambio
de estado y sólo se presenta
calentamiento y enfriamiento de
sustancias la ecuación de balance de
energía adquiere la siguiente forma
si una sustancia se caliente a volumen
constante todo el calor se utiliza para
aumentar la energía interna por lo tanto
tenemos que la masa por el cambio de
energía interna va a ser igual al calor
cuando el volumen es constante y esto va
a ser igual a masa por la capacidad
calorífica cuando el volumen es
constante por la del tate o la
diferencial de temperaturas de igual
manera las capacidades caloríficas las
vamos a poder encontrar en tablas
termodinámicas de capacidades
caloríficas en unidades de kilocalorías
por kilogramo grados centígrados o bien
puede estar en unidades del sistema
inglés vtv / libra por fahrenheit ok
para que así lo estemos revisando
entonces aquí tomen nota las capacidades
caloríficas varían con la temperatura y
esto es el necesario que lo tengan en
cuenta en los cálculos de balances de
energía para ello es indispensable
conocer si la especia a la cual se le va
a calcular la capacidad calorífica es un
gas un líquido un sólido o bien una
mezcla de cada uno de estos componentes
tengan mucho cuidado tenemos enseguida
sistemas con cambio de fase aquí por
ejemplo tenemos un esquema en el cual
tenemos a un estado sólido un estado del
líquido y un estado gaseoso cuando le
suministramos calor a un sólido
imagínense que tenemos a un hielo
aumenta su temperatura de ese sólido y
su energía interna hasta un momento en
el que en el cual la energía interna es
tan grande que no es posible mantener su
estado de agregación y entonces comienza
a fundirse si se continúa suministrando
calor no hay aumento en la temporada
sino que complete el cambio de fase iii
cuando la sustancia está en fase líquida
el calor suministrado sigue aumentando
la temperatura hasta un valor de ella
que hace que el líquido empiece a
convertirse en vapor o sea ya llegamos
hasta la fase gas y mientras esto sucede
totalmente la temperatura permanece
constante una vez toda la sustancia que
está en fase gaseosa el suministro de
calor se manifiesta en un incremento de
la temperatura vale nos vamos a ver qué
pasa tenemos un proceso descrito y lo
podemos representar lo que ya platicamos
en esta gráfica
estamos graficando calor contra
temperatura si se dan cuenta tenemos ahí
varios conceptos nos dice calor sensible
calor latente calor sensible calor
latente hasta que llegamos a calor
sensible aquí en los procesos de fusión
y de vaporización son reversibles es
decir sea un líquido o se le quita calor
puede solidificarse y si a un vapor se
le quita calor puede condensarse
es lo que nos está hablando este gráfico
por lo tanto el calor sensible son esos
cambios de entropía debidos a cambios de
temperatura en una sola fase y el calor
latente es el cambio de en tal vía
debido a transiciones de fase a
temperatura constante ok
así lo tenemos que considerar y haciendo
como lo tenemos que revisar por ejemplo
la energía requerida para lograr el
cambio de fase de sólido a líquido se
llama calor latente de fusión y la
requerida para el cambio del líquido a
vapor se llama calor latente de
vaporización consideren que si un
líquido hierve a 1.03 cebar el calor la
tête de vaporización es el calor latente
de ebullición normal cuando se agrega o
se quita calor de un cuerpo y éste
cambia de temperatura se dice que está
recibiendo o liberando calor sensible si
una sustancia se calienta desde uno
hasta t2 que es lo que estamos viendo
nosotros en el esquema recibe una
determinada cantidad
que es igual a la cantidad que entrega
cuando se enfría desde de 2 hasta t 1 el
calor sensible es proporcional a la masa
de la sustancia y al número de grados en
que cambia su temperatura además tenemos
que la constante de proporcionalidad es
la capacidad calorífica de la sustancia
o sea el calor
es igual a la masa por cp o la capacidad
calorífica cuando la presión es
constante por delta t ok entonces estos
son los principios básicos de los
balances de energía que ustedes tienen
que tomar nota y además van a ser los
pilares para que nosotros podamos
desarrollar los siguientes ejercicios de
esta bonita materia entonces nos estamos
viendo en un próximo vídeo pongan mucha
atención
repasen lo y nos volvemos a escuchar
[Música]
a describir un like para continuar
efe
[Música]
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