Balance De Energia

Capítulo 4
Balances de energía
Al diseñar un proceso no solo se requiere hacer un estudio de materiales, capacidad de las
unidades, conectividad y demás aspectos involucrados e imprescindibles para ello. Es
preciso tomar en consideración las cantidades de materia que serán tratadas en dichas
unidades y que serán transformadas en otros productos, así como el consumo o producción
energéticaasociados al proceso en cuestión. Este último aspecto gana relevancia en esta
época pues a nivel mundial, por diversas razones, se viene buscando el ahorro de energía,
más aun cuando la misma proviene de recursos naturales no renovables (gas, petróleo, otros)
de alto costo para la mayoría de países.
Es por esta razón que un ingeniero debe conocer y saber determinar los
requerimientosenergéticos de algún proceso que esté diseñando o estudiando. Para ello,
debe recurrir a los balances de energía de manera análoga a como se plantean los balances
de materia.
Procesos en los cuales el objetivo es la recuperación máxima del calor (por ejemplo,
en el calentamiento o enfriamiento de un fluido), en la producción efectiva de calor en
hornos y calderas (que conlleva el cálculo de pérdidasenergéticas y aislamientos), en el
cálculo del consumo de combustible de una maquinaria para producir trabajo y calor, o en
refinerías industriales (para la fabricación de olefinas o para la síntesis de amoniaco, por
ejemplo), es imprescindible el análisis energético.
En este capítulo se provee al estudiante que sigue el curso de Introducción a los
Procesos Químicos, de los conocimientosbásicos requeridos para llevar a cabo análisis de
procesos sencillos que requieren de balances de energía así como de balances de materia y
energía en conjunto.
Los aspectos aquí ilustrados se basan principalmente en los textos clásicos
del área difundidos a nivel de estudios de pregrado: Felder y Rousseau (2004) y Himmelblau
(1997).

Apuntes de Procesos Químicos para Ingeniería de SistemasClaudia S. Gómez Quintero

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4.1 Calor y trabajo. Primera ley de la termodinámica
De manera general, se puede definir energía como la capacidad de producir un efecto sobre
un cuerpo. En física, se dice que la energía es la capacidad para producir un trabajo. A su
vez, el trabajo puede definirse como la productividad que la energía puede proporcionar al
ser aplicada sobre un cuerpo porunidad de tiempo.
La energía no es un estado físico real sino una cantidad escalar (no tiene dirección)
que se le asigna a determinado estado del sistema al encontrarse en ciertas condiciones. Por
ejemplo, se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo.
La cantidad de energía que tiene un sistema no se puede determinar, por lo tanto se
suele medir la cantidad de energíade un sistema con respecto a un valor “arbitrario” de
referencia. En realidad lo que más interesa es conocer los cambios en los niveles de energía
que puede experimentar un sistema, y no la energía absoluta en un momento determinado.
La unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades es el Julio o Joule (J),
el cual tiene las siguientes equivalencias:
1 J = 1 kg.m2.s-1 = 1 N.m = 107dina.cm = 0,239 cal = 9,478710-4 BTU.
Para medir los cambios de energía en un sistema es necesario definir claramente la
frontera entre el sistema o sus partes y los alrededores. Un sistema encerrado por una
frontera a través de la cual no hay tranferencia de masa (ni del sistema al entorno ni del
entorno al sistema) se denomina sistema cerrado. Un sistema abierto es la contraparte delanterior, es decir, se permite el intercambio de masa entre el entorno y el sistema o sus
partes. Dependiendo de si el sistema es abierto o cerrado el balance de energía puede
hacerse más o menos complicado, lo cual se verá en la sección 4.1.3.
Se puede clasificar las formas de energías en dos categorías: la primera se refiere a la
energía total que posee un sistema, la cual consta de cuatro...