Balance de enegia

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Escuela Nacional de Ciencias Biológicas
Departamento de Ingeniería Bioquímica
Academia de Ingeniería
Ingeniería Termodinámica

2.- Balance global de energía
2.1 Ecuación general del balance de energía
2.2 Conceptos y expresiones matemáticas para el trabajo
a) Trabajo de dilatación o compresión
b) Trabajo de eje
c) Trabajode flujo
2.3 Ecuación general de balance de energía para sistemas cerrados
2.4 Ecuación general de balance de energía en sistemas abiertos en régimen permanente
2.5 Clasificación de dispositivos que operan en sistemas abiertos
2.6 Compresores y expansores ideales o isoentrópicos
2.7 Dispositivos de estrangulamiento (isoentálpicos)
2.8 Toberas
2.9 Balance de energíamecánica (Ecuación de Bernoulli)

2.1 Ecuación general de balance de energía
Cuando un sistema se somete a un proceso que provoca que sus propiedades cambien, la ley de la conservación de la energía establece que todos los cambios en el sistema deben de poderse explicar mediante los intercambios energéticos entre el sistema y los alrededores o viceversa, tal como seobserva en la figura 1.
Acumulación de
Energía
Dentro del
Sistema
Entrada
De energía
Desde los
Alrededores
Salida de
Energía
Hacia los
Alrededores

Figura 1: Intercambio de energía entre el sistema y sus alrededores

Esta expresión cualitativa (Figura 1) puede convertirse en una expresión matemática útil si se especifican las formas enque entra y sale la energía en el sistema y la acumulación que provoca en el mismo , que da como resultado el cambio en las propiedades termodinámicas del mismo sistema. El termino de acumulación se refiere a los tipos de energía que se encuentran dentro del sistema y que son modificados (cambio de estado termodinámico) debido a las energías que entran o salen delsistema. La energía contenida en el sistema se puede subdividir en diferentes tipos. Para fines de la materia sólo se especifican tres componentes:
a) Energía cinética (Ec): es la energía relacionada con el movimiento del sistema como un todo y con respecto a un marco de referencia.

b) Energía potencial (Ep): es la energía debida a la posición de un sistema en un campogravitacional.

c) Energía interna (U): es la energía debida al movimiento de las moléculas respecto del centro de masa del sistema. También se le considera como la energía almacenada que posee un sistema debido a la energía atómica y molecular de la materia que lo constituye.

La energía que se transfiere ya sea al sistema o a los alrededores lo puede hacerde cuatro formas diferentes:

1.- Transfiriendo masa
2.- Introduciendo o generando trabajo (W)
3.- Introduciendo o extrayendo calor (Q)
4.- Mediante efectos de campos electromagnéticos

Las formas más comunes de transferencia de energía que se consideran son el calor (Q) y trabajo (W), que se dan en cualquier tipo de sistema (abierto o cerrado), mientras que latransferencia de energía como masa se observa específicamente en los denominados sistemas abiertos.

1.- Sistema cerrado (sin flujo): es aquel sistema que no intercambia masa con sus alrededores. Un ejemplo seria el gas confinado en un pistón o el agua en una marmita de calentamiento, como la olla exprés. La figura 2 muestra un sistema cerrado y las interacciones con el medioexterior
Figura 2: sistema cerrado

2.- Sistema abierto (con flujo): como se observa en la figura 3 es aquel sistema que intercambia masa con sus alrededores. Por ejemplo: el flujo de fluidos a través de un sistema de tuberías, también el paso de refrigerante por el compresor en un sistema de refrigeración.
Figura 3: sistema abierto

Calor (Q): es la energía que...