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Suponga que la energía inicial de un sistema (interna + cinética + potencial) es E i, la energía final es E f, y que una cantidad Q de energía se transfiere de los alrededores al sistema como calor y otra cantidad W pasa del sistema a los alrededores como trabajo. Según la primera ley de la termodinámica, ¿cómo deben estar relacionadas E i, E f, Q y W?

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Energía cinética transportada por una corriente que fluye

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Energía cinética transportada por una corriente que fluye

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El agua que fluye hacia una unidad de proceso a través de una tubería de 2 cm de DI a velocidad de 2 m³/h. Calcule la energía cinética de la corriente en Joules/segundo.
Tips: Primero calcule la velocidad lineal del agua y después la velocidad del flujo másico.

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Incremento de la energía potencial de un fluido en movimiento

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Incremento de la energía potencial de un fluido en movimiento

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Se bombea petróleo crudo a razón de 15 kg/s desde un punto que se encuentra a 220 metros por debajo de la superficie terrestre hasta un punto que esta 20 metros más arriba del nivel del suelo. Calcule la velocidad de incremento de energía potencial concomitante.

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1. El dibujo y el marcado correctos del diagrama de flujo son fundamentales para resolver los problemas de balance de energía.

2. Al marcar el diagrama de flujo, asegúrese de incluir toda la información que necesitará para determinar las propiedades específicas de cada componente de la corriente, incluyendo las presiones y las temperaturas conocidas.

3. Ademas, indique los estados de agregación de los materiales de proceso cuando no sean obvios.

4. Escriba de forma adecuada el balance de energía y resuelva.

5. Cuando las corrientes de proceso contienen varios componentes, es necesario determinar por separado las propiedades específicas.

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Supongamos que un sistema de proceso es cerrado, es decir, no hay transferencia de masa a través de sus fronteras mientras el proceso se realiza. La energía puede transmitirse entre el sistema de este tipo y sus alrededores de dos maneras:

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La primera ley de la termodinámica para un sistema abierto en estado estacionario tiene la forma
entrada = salida
En este caso, "entrada" significa la velocidad total de transporte de energías cinética, potencial e interna por todas las corrientes de entrada al proceso, más la velocidad de transferencia de energía en la entrada en forma de calor, y "salida" es la velocidad total de transporte de energía por las corrientes de salida, más la velocidad de transferencia de energía hacia afuera en forma de trabajo.

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La energía específica del helio a 300 K y 1 ata es 3800 J/mol, y su volumen específico a las mismas temperatura y presión es 24.63 L/mol. Calculé la entalpia específica del helio a estas temperatura y presión, y la velocidad de la entalpia a estas temperatura y presión para un flujo de helio con una velocidad de flujo molar de 250 mol/h.

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La energía total de un sistema tiene tres componentes:

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Toda la que posee un sistema además de sus energías cinética y potencial; por ejemplo, la debida al movimiento de las moléculas en relación al centro de masa del sistema, al movimiento rotacional y vibracional, y a las interacciones electromagnéticas de las moléculas y al movimiento e interacciones de los constituyentes atómicos y subatómicos de estas últimas.

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La que se debe a la posición del sistema en un campo de potencia (gravitacional o electromagnético).

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Aquella debida al movimiento traslacional del sistema como un todo en relación con determinado marco de referencia o a la rotación del sistema en tormo a un eje.

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Por definición, hay masa que atraviesa las fronteras de un sistema de proceso abierto a medida que éste ocurre. Para introducir masa al sistema es necesario realizar trabajo sobre el mismo y cuando emerge masa del sistema se lleva a cabo trabajo sobre los alrededores. Ambos términos de trabajo deben incluirse en el balance de energía.

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Quinientos kg por hora de vapor impulsan una turbina. El vapor entra a dicha turbina a 44 ata y 450 ºC con una velocidad lineal de 60 m/s y sale en un punto 5 m por debajo de la entrada de ésta, a presión atmosférica y velocidad de 360 m/s. La turbina aporta trabajo de flecha a razón de 70 kW y las pérdidas de calor de la misma se estiman como 10⁴ kcal/h. Calcule en cambio de entalpia específica asociado a este proceso.

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En forma de calor o energía libre que fluye como resultado de la diferencia de temperatura entre el sistema y sus alrededores. El calor se define como positivo cuando se transfiere de los alrededores al sistema.

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Como trabajo o energía que fluye en respuesta a cualquier fuerza impulsora que no sea diferencia de temperatura, como una fuerza, un torque o voltaje.

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La energía al igual que el trabajo tiene unidades de fuerza multiplicada por la distancia: por ejemplo. Joules = N.m. También es común usar unidades de energía definidas en términos de cantidad de calor que debe transferirse a una masa específica de agua para aumentar su temperatura en un intervalo específico a presión constante de 1 atm.

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La velocidad neta del trabajo realizado por un sistema abierto sobre sus alrededores se expresa como:

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Una propiedad específica es una cantidad intensiva que se obtiene dividiendo una propiedad extensiva (o su velocidad de flujo) entre la cantidad total (o velocidad de flujo) del material del proceso.
De este modo, si el volumen de un fluido es 200 cm³ y la masa de éste es 200 g, su volumen específico es 1 cm³/g.
De manera similar, si la velocidad de flujo básico de una corriente es 100 kg/min y la del flujo volumétrico es de 150 L/min, el volumen específico de la corriente es 1.5 L/kg. Si la velocidad a la cual esta corriente transporta a la energía cinética es 300 J/min, entonces la energía cinética específica del material es 3 J/kg.
Si la temperatura y la presión de un material de proceso son tales que la energía interna específica del material es U (J/kg), entonces una masa m (kg) de este material tendrá una energía interna total
U(J)=m(kg)U(J/kg)

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La entalpía específica se define como:
H = U + P V
donde P es la presión total y U y V son la energía interna y el volumen específicos.

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Un sistema es abierto o cerrado dependiendo de que la masa cruce o no las fronteras del sistema durante el tiempo cubierto por el balance de energía. Por definición, un sistema o proceso por lotes es cerrado, y lo sistemas semicontinuos o continuos son abiertos.

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Balance integral para un sistema cerrado entre dos instantes dados.

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Balance integral para un sistema cerrado entre dos instantes dados.

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Como la energía no puede crearse ni destruirse, los términos de generación y consumo del balance general se cancela, lo cual deja:
acumulación= entrada - salida
Al derivar el balance integral de masa para un sistema cerrado se eliminan los términos de entrada y salida, ya que, por definición, la masa no atraviesa las fronteras de un sistema cerrado. Sin embargo, es posible que se transfiera energía a través de las fronteras como calor o trabajo.  La ecuación de balance de energía en este tipo de sistemas puede escribirse:

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La energía no se crea ni se destruye.

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La primera ley señala que la velocidad a la cual las corrientes de entrada llevan energía (cinética + potencial + interna) a un sistema, más la velocidad a la cual dicha energía entra a este último como calor, menos la velocidad a la cual la energía sale del sistema a través de las corrientes de salida, menos la velocidad a la cual sale a manera de trabajo, es igual a la velocidad de acumulación de energía de dicho sistema.

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Balances simultáneos de materia y energía

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Balances simultáneos de materia y energía