Manual Balances de materia y energía parte 03

Unidad III. Balances de materia y energía.
Objetivo. El alumno realizará balances de materia y energía en procesos químicos industriales con y sin reacción química, para cumplir con las especificaciones técnicas.
3.1 Conceptos básicos.
Saber. Explicar los conceptos básicos de propiedades termodinámicas:
Proceso isotérmico.
Proceso adiabático.
Trabajo de flujo.
Energía interna específica.Entalpía.
Calor de reacción
Capacidades caloríficas
Explicar los métodos analítico y gráfico de determinación de propiedades termodinámicas.
Saber hacer. Determinar las propiedades termodinámicas de un sistema mediante métodos analítico y gráfico.
Ser. Analítico, Honestidad, Asertividad, Ética, Responsabilidad, Trabajo en Equipo, Liderazgo, Capacidad de trabajar bajo presión, Capacidad de Síntesis,Solución de problemas.

Entalpía.
En los balances energéticos para los procesos con flujo en relación con los intercambiadores de calor, evaporadores, columnas de destilación, bombas, compresores, turbinas, máquinas térmicas, etc., aparece frecuentemente la expresión U + PV, para el cálculo de calor y trabajo. Debido a esto, se sugiere la definición conveniente una propiedad termodinámica. Así, ladefinición matemática (y la única) de la entalpía (en-thal’-py) es:
H ≡ U + PV (3.1)
donde H, U y V son valores molares o por unidad de masa (específicos).
El símbolo ≡ se lee “idéntico a”. Entonces, el valor de la Entalpia es idéntico a la suma de la energía interna más el producto de la presión por el volumen (específico) de una sustancia.
La palabra entalpía fue propuesta por H. KamerlinghOnnes, físico holandés, quien fue el primero en licuar el helio en 1908, descubrió la superconductividad en 1911 y ganó el premio Nobel de Física en 1913.
Como en el caso de la energía interna, la entalpía no tiene un valor absoluto; sólo podemos evaluar sus cambios. A menudo se utiliza un conjunto de condiciones de referencia (tal vez de manera implícita) al calcular los cambios de entalpía. Porejemplo, las condiciones de referencia que se usan en las tablas de vapor de agua son agua líquida a 0 °C (32 °F) y su presión de vapor. Esto no significa que la entalpía valga cero en estas condiciones, sino simplemente que hemos asignado en forma arbitraria un valor de cero a la entalpía en tales condiciones.
Todos los términos de la ecuación 3.1 se deben expresar en las mismas unidades. Elproducto PV tiene unidades de energía por mol (o por unidad de masa), al igual que U; por lo tanto, H también tiene unidades de energía por mol o por unidad de masa. En el sistema SI la unidad básica de la presión es el pascal Pa o N/m2 y, para el volumen molar, m3/mol. El producto PV tiene por lo tanto unidades N m /mol o J/mol. En el sistema inglés de ingeniería una unidad común para el producto PVes el (ft lbf)/lbm , que surge cuando la presión está en lbf/ft2 y con el volumen en ft3/lbm. Este resultado se convierte generalmente a Btu/lbm a través de dividir entre 778.16, porque la unidad inglesa de ingeniería común para U y H es el Btu/lbm.
Dado que U, P y V son funciones de estado, H definida por la ecuación 3.1 también es una función de estado. Como U y V, H es una propiedad intensivadel sistema (es independiente de la masa). La forma diferencial de la ecuación 3.1 es:
dH = dU + d(PV) (3.2)
Esta ecuación se aplica siempre que ocurre un cambio diferencial en el sistema. Al integrar, ésta se convierte en una ecuación para un cambio finito en el sistema:
H = U + (PV) (3.3)
Las ecuaciones 3.2 y 3.3 se aplican a la unidad de masa de una sustancia o a una mol.

Capacidadescaloríficas.
Se sabe por experiencia que se requieren distintas cantidades de energía para elevar en un grado la temperatura de masas idénticas perteneciente a sustancias diferentes. Por ejemplo, se necesitan 4.5 kJ de energía para elevar la temperatura de 1 kg de hierro de 20 a 30 °C, mientras que se requiere 41.8 kJ para elevar la temperatura de 1 kg de agua líquida en la misma cantidad. Por lo...