CAP TULO 2 Balances de Materia

Fundamentos de los Procesos Ambientales-Capítulo 2: Balances de Materia- Juan Pablo Silva V

2. BALANCES DE MATERIA
2.1

Introducción

Los balances de materia proporcionan una herramienta fundamental para el análisis
de los procesos ambientales. Un balance de masa se fundamenta en la ecuación de la
conservación de masa y permite explicar, como se presenta el transporte y las
transformaciones decompuestos en los sistemas ambientales. En este sentido, los
balances de materia son aplicables a situaciones como: estudio de la descarga de un
contaminante a un lago, determinación de la cantidad de cloro a adicionar en un
proceso de desinfección, volumen de biogás producido en un relleno sanitario,
cantidad de oxígeno necesario que debe adicionarse a un sistema de lodos activados,
cantidad decombustible necesario para producir una cantidad determinada de energía
en una caldera, balance global de dióxido de carbono en la atmosfera, auditorias de
producción de residuos peligrosos etc. Este capítulo explica los conceptos básicos del
balance de materia y las técnicas para resolver el mismo.
2.2

Definiciones Básicas

2.2.1 Sistema y Proceso
Un sistema se puede definir como un conjunto deelementos con relaciones de
interacción e interdependencia que le confieren entidad propia al formar un todo
unificado. Así, un sistema puede ser cualquier objeto, cualquier cantidad de materia,
cualquier región del espacio, etc., seleccionado para estudiarlo y aislarlo
(mentalmente) de todo lo demás. Así todo lo que lo rodea es entonces el entorno o el
medio donde se encuentra el sistema.
Elsistema y su entorno forman el universo, como se muestra en la figura 2.1. La
envoltura imaginaria que encierra un sistema y lo separa de sus inmediaciones
(entorno) se llama frontera del sistema y puede pensarse que tiene propiedades
especiales que sirven para: a) aislar el sistema de su entorno o para b) permitir la
interacción de un modo específico entre el sistema y su ambiente. Es muy importantedefinir la frontera del sistema como una superficie y no otro sistema, debe quedar
claro que el espesor de una superficie es matemáticamente cero por lo que la frontera
no puede contener materia u ocupar algún lugar en el espacio. El valor de una
propiedad que es medida en el punto exacto de la frontera debe ser por tanto el valor
del sistema así como del entorno, ya que después de todo el sistema yel entorno están
en contacto en ese punto.
Los sistemas termodinámicos se pueden clasificar como: aislados, cerrados y
abiertos. El sistema aislado es el sistema que no puede intercambiar materia ni
energía con su entorno y este es un modelo imaginario cuya frontera o límite del
sistema impide cualquier tipo de intercambio.El sistema cerrado es el sistema que

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sólo puede intercambiar energía con su entorno, pero no materia, es decir, aquel cuya
frontera admite únicamente el intercambio de energía.

Alrededores

Sistema

Límite del
sistema

Figura 2.1 Concepto de sistema termodinámico
Un proceso produce cambios en el sistema o en los alrededores. Los procesos se
clasifican en:
a) Procesodiscontinuo (Intermitente): Toda la materia se adiciona inicialmente
al sistema, con la particularidad que durante la ocurrencia del proceso no hay
entrada ni salida de materia, y solo hasta el final los productos son retirados.
b) Proceso semi-continuo: Permite la entrada o salida de materia al sistema pero
no de ambas
c) Proceso continuo: La materia entra y sale del proceso continuamente
2.2.2 Estadoestacionario y Estado Dinámico
Un proceso se dice que se encuentra en estado estacionario cuando todas las
propiedades del sistema, como son la temperatura, presión, la concentración, el
volumen, la masa etc. no cambian en el tiempo. Es importante aclarar que estado
estacionario no significa que nada está cambiando, sino que no ocurren cambios
respecto al tiempo. Por ejemplo, considérese un proceso...