Como en el caso de la energía interna, la entalpía no tiene un valor absoluto; sólo podemos evaluar sus cambios.

A menudo utilizamos un conjunto de condiciones de referencia (tal vez de manera implícita) al calcular los cambios de entalpía. Por ejemplo, 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. Al calcular los cambios de entalpía, las condiciones de referencia se cancelan, como puede verse a continuación.

Entalpía (II)

Por definición, (∂H)/∂T)p es la capacidad calorífica a presión constante, y se denota con el símbolo Cp. Para casi todos los propósitos prácticos, (∂H)/∂T)T es tan pequeño a presiones moderadas que podemos ignorar el segundo término del miembro derecho de la ecuación (5.8). Así, podemos calcular los cambios en la entalpía si integramos la ecuación (5.8) como sigue:

Sin embargo, en los procesos que se realizan a presión elevada no siempre podemos ignorar el segundo término del miembro derecho de la ecuación (5.8), y en tales casos debemos evaluarlo a partir de datos experimentales. Consulte las referencias citadas al funal del capitulo si desea mayores detalles. Una propiedad de los gases ideales que debemos destacar es que sus entalpías y sus energías internas son funciones sólo de la temperatura, y no influyen en ellas los cambios en la presión ni en el volumen específico, respectivamente.

Entalpía (I)

Al aplicarse el balance de energía el elector se encontrará con una variable a la que se asigna el símbolo H y el nombre entalpía. Esta variable se define como la combinación de dos variables que aparecen con mucha frecuencia en el balance de energía:

H = U + pV    (5.7)

donde p es la presión y V es el volumen.

A fin de calcular la entalpía por unidad de masa, aprovechamos la propiedad de que la entalpía tambiés un diferencial exacto. En el caso de una sustancia pura, la entalpía de una sola fase se puede expresar exclusivamente en términos de la temperatura y la presión (una variable más conveniente que el volumen específico). Si.

Solución energía interna

Ninguna de estas preguntas puede contestarse con las opciones que se ofrecen. En cuanto a la pregunta a), la energía interna en si no puede evaluarse; sólo puede evaluarse su cambio. Respecto a b), el cambio dela energía interna específica depende de la temperatura, la fase el volumen específico, pero el cambio en la energía  interna total depende también de la masa.

Ejemplo Energía Interna

Un examen de admisión para estudios de posgrado incluyó las siguientes dos preguntas de opción múltiple;
a) La energía interna de un sólido es igual a

1. la temperatura absoluta del sólido
2. la energía cinética total de sus moléculas
3. la energía potencial total de sus moléculas
4. la suma de las energías cinética y potencial de sus moléculas

b) La energía interna de un objeto depende de:

1) la temperatura únicamente

2) la masa únicamente

3) la fase únicamente

4) la temperatura, la masa y la fase

Qué respuestas elegiría usted?

Observe que sólo es posible calcular diferencias de energía interna

O calcular la energía interna relativa a un estado de referencia, pero nunca valores absolutos de esta energía.

Energía interna (II)

Por definición, (∂U/∂T)v es la "capacidad calorífica" a volumen constante, que se denota con el símbolo Cv. Para todos los propósitos prácticos de este libro, el término (∂U/∂T)T es tan pequeño que podemos ignorar el segundo término del miembro derecho de la ecuación (5.5). En consecuencia, podemos calcular los cambios en la energía interna integrando la ecuación (5.5), comos sigue:

Energía interna (I)

La energía interna (U) es una medida macroscópica de las energías molecular, atómica y subatómica, todas las cuales obedecen reglas de conservación microscópicas definidas para los sistemas dinámicos. Dado que no existen instrumentos capaces de medir la energía interna directamente a una escala macroscópica, esta energía debe calcularse a partir de ciertas otras variables que sí pueden medirse macroscópicamente como la presión, el volumen, la temperatura y la composición.

Para calcular la energía interna por unidad de masa (U) a partir de las variables que pueden medirse aprovechamos una propiedad especial de la energía interna, a saber, que es un diferencial exacto (porque se trata de una propiedad punto o de estado, tema que trataremos en breve) y, en el caso de un componente puro se puede expresar en términos de sólo dos variables intensivas, de acuerdo con la regla de las fases para una sola fase:

Solución Cálculo de energía potencial

Tomaremos como plano de referencia el nivel de agua en el primer tanque. Entonces, h = 40 ft

Ejemplo Cálculo de energía potencial

Se bombea agua de un tanque a otro que está a una distancia de 300 ft, como se muestra en la figura E5.3. El nivel del agua en el segundo tanque está 40 ft por encima del nivel del agua en el primer tanque. Qué tanto aumentó la energía potencial específica del agua, en Btu/lbm?

Energía potencial

LA energía potencial (P) es la energía que un sistema posee debido a la fuerza que un campo gravitacional o electromagnético ejerce sobre él respecto a una superficie de referencia. En el caso de un campo gravitacional, la energía potencial se puede calcular como

donde h es la distancia a que se encuentra la superficie de referencia y donde el símbolo (^), na vez más, denota la energía potencial por unidad de masa. La medición de h se realiza entre la superficie de referencia y el centro de masa del sistema. Por tanto, si de alguna manera se permite que una bola suspendida dentro de un recipiente caiga desde la parte más alta del recipiente hasta el fondo, y el proceso eleva ligeramente la energía térmica del sistema, no decimos que se realizó trabajo sobre el sistema, sino más bien que la energía potencial del sistema se redujo (ligeramente).

Solución Cálculo de la energía cinética

Solución

Problema Cálculo de la energía cinética

Se bombea agua de un tanque de almacenamiento a un tubo con un diámetro interno de 3.0 cm a razón de 0.001m³/s. Vea la figura E5.2. Cuál es la energía cinética especifica del agua?

Energía cinética

La energía cinética (K) es la energía que un sistema posee en virtud de su velocidad relativa respecto al entorno que se enncuentra en reposo. La energía cinética se puede calcular a partir de la relación

El calor es positivo cuando se transfiere al sistema

El calor puede transferirse por conducción, convección o radiación. El calor, al igual que el trabajo, es una función de la trayectoria. Si queremos evaluar la transferencia de calor cuantitativamente, a menos que se dé a priori, debemos aplicar el balance de energía que analizaremos más adelante, o utilizar una fórmula empírica para estimar una transferencia de calor como (para un proceso en estado estacionario):

Q = UAΔT

donde Q es la velocidad de transferencia de calor, A es el área a través de la cual se transfiere el calor, ΔT es la diferencia de temperatura efectiva entre el sistema y su entorno y U es un coeficiente empírico determinado a partir de datos experimentales para el equipo en cuestión. En este blog usaremos el símbolo Q para denotar la cantidad total de calor transferida en un periodo de tiempo, y no la velocidad de transferencia de calor.

Calor

Al hablar de calor entramos en un área en la que el uso que solemos dar al término puede causar confusión, ya que usaremos el término calor en un sentido muy restringido cuando apliquemos las leyes que rigen los cambios de energía. El calor (Q) comúnmente se define como la parte del flujo total de energía a través de la frontera de un sistema que se debe a una diferencia de temperatura entre el sistema y su entorno. Los ingenieros dicen "calor" cuando están hablando de "flujo de calor". El calor no se almacena ni se crea.

Trabajo (III)

El trabajo realizado por un sistema o sobre él se puede clasificar en otras categorías aparte del trabajo mecánico. Por ejemplo, si se aplica un voltaje a una resistencia en un sistema  y esto produce un flujo de corriente que a su vez incrementa la energía interna del sistema, podríamos clasificar la energía transferida al sistema con el potencial de voltaje como "trabajo eléctrico". Si el sistema hace girar el eje de un motor o de un compresor, es común referirse al trabajo realizado como "trabajo de flecha". Y así sucesivamente.

Solución Cálculo del trabajo mecánico de un gas sobre un pistón

Como se explicará con mayor detalle en la sección 5.5, el pistón no debe tener fricción y el proceso debe ser ideal para que los siguientes calculos sean válidos. El sistema es el gas. El trabajo mecánico realizado por el sistema sobre el pistón es:

Problema Cálculo del trabajo mecánico de un gas sobre un pistón

Suponga que un gas ideal a 300 K y 200 kPa está confinado en un cilindro mediante un pistón sin fricción, y que el gas empuja lentamente el pistón de modo que el volumen del gas se expande desde 0.1 hasta 0.2 m³. Examine la figura E5.1a, Calcule el trabajo realizado por el gas sobre el pistón (la única parte de la frontera que se mueve) se se siguen  dos caminos distintos para ir del estado inicial al estado final:

Trabajo (II)

Cabe señalar que si no se especifica el proceso (o trayectoria) por el cual se realiza el trabajo, desde el estado inicial hasta el estado final del sistema, no podemos calcular el valor del trabajo efectuado integrando la ecuación (5.1). Dicho de otro modo, el trabajo realizado entre los estados inicial y final puede tener cualquier valor, dependiendo del camino seguido. Se dice, por tanto, que el camino es una función de trayectoria, y que el valor de W depende del estado final, la trayectoria y el estado final del sistema, como se ilustra en el siguiente ejemplo.

Trabajo (I)

El trabajo (W) es un término que usamos ampliamente en la vida cotidiana (como en "me voy al trabajo"), pero que tiene un significado especializado en relación con los balances de energía. EL trabajo es una forma de energía que representa una transferencia entre el sistema y el entorno. No es posible almacenar trabajo. El trabajo es positivo si se hace sobre el sistema. Para que una furza mecánica realice un trabajo, la frontera del sistema debe moverse.

donde F es una fuerza externa en la dirección s que actúa sobre el sistema (o una fuerza del sistema que actúa sobre el entorno). La cantidad de trabajo mecánico realizada sobre un sistema o por él puede ser difícil de calcular porque a) es posible que no sea fácil definir el desplazamiento y b) la integración de F.ds según la ecuación (5.1) no necesariamente da como resultado la realización de una cantidad igual de trabajo por el sistema o sobre el sistema. En este texto, el símbolo W se referirá al trabajo total realizado durante un periodo de tiempo, no a la tasa de trabajo.

Seis tipos de energía

Los dos primeros tipos de energía que analizaremos se refieren a la transferencia de energia entre un sistema y su entorno sin que haya una transferencia de masa.

Balance de Energia: Estado

El conjunto dado de propiedades de los materiales en un momento dado. El estado de un sistema no depende de la forma o la configuración del sistema sino sólo de sus propiedades intensivas como la temperatura, la presión y la composición.

Ahora que hemos repasado los conceptos de sistema, propiedad y estado, podemos hablar de los diferentes tipos de energía de los que nos ocuparemos en este capítulo. Como ya sabe el lector, la energía existe en muchas formas distintas. Cuáles formas son importantes? Aquí vamos a considerar seis cantidades: trabajo, calor, energía cinética, energía potencial, energía interna y entalpía. Es probable que el lector ya conozca muchos de estos términos. Por desgracia, algunos de los términos que describiremos a continuación se usan con cierta informalidad en nuestras conversaciones y escritos ordinarios, por lo que tienen connotaciones distintas de las que presentaremos aquí. El lector quizá crea que comprende los términos por conocerlos desde hace tanto tiempo; asegúrese de que en verdad los entienda. Para que el aprendizaje sea efectivo, es preciso sentirse cómodo con ellos.

Balance de Energia: Propiedad Intensiva

Una propiedad (variable, parámetro) itensiva es aquella cuyo valor no es aditivo y no varía con la cantidad de material que contenga el subsistema. Por ejemplo, la temperatura, la presión, la densidad (masa por volumen), etc., no varían en las partes del sistema si éste se divide a la mitad o si las mitades se vuelven a unir.

Dos propiedades son independientes una de la otra si existe por lo menos una variable de estado del sistema en la que una propiedad varie y la otra mantenga fija. El número de propiedades intensivas independientes necesario y suficiente para fijar el estado del sistema se puede determinar a partir de la regla de las fases.

Balance de Energia: Propiedad Extenisiva

Una propiedad (variable, parámetro) extensiva es aquella cuyo valor es la suma de los valores para cada uno de los subsistemas que constituyen el sistema completo. Por ejemplo, un sistema gaseoso se puede dividir en dos subsistemas cuyos volúmenes o masas no son el mismo que el del sistema original; por consguiente, el volumen y la masa son propiedades extensivas.

Balance de Energia: Propiedad

Una caraceterística de un material que se puede medir, como presión, volumen o temperatura, o que se puede calcular, si no se mide directamente, como ciertos tipos de energía. Las propiedades de un sistema dependen de su condición en un momento dado y no de lo que haya sucedido al sistema en el pasado.

Balance de Energia: Sistema

Cualquier masa de material o segmento de equipo especificados arbitrariamente y en el cual deseamos concentrar nuestra atención. Un sistema se define circundándolo con una frontera. La frontera del sistema no tiene que coincidir con las paredes de un recipiente. Un sistema encerrado por una frontera a través de la cual no hay transferencia de masa se denomina sistema cerrado o sistema sin flujo, en contraposición a un sistema abierto o sistema con flujo, en el que se permite el intercambio de masa. Toda masa o exquipo externos al sistema definido se designan como entorno. Siempre debemos trazar fronteras similares al resolver los problemas, pues este paso fija claramente el sistema y su entorno.

Balance de Energía en la producción de estireno en Estados Unidos

Balance de Energía Conceptos principales

Si queremos utilizar el balance de energía debemos expresarlo en forma de ecuación. Cada término del balance de energía se debe representar con símbolos matemáticos para poder simplificar debidamente la ecuación y luego analizar los cálculos necesarios. En este blog usaremos principalmente el joule (J) y la unidad térmica británica (Btu), pero en ocasiones citaremos otras unidades. Algunas fuentes de datos menos recientes emplean la caloría termoquímica (equivalente a 4.184J). En la información sobre nutrición que se proporciona sobre los alimentos la "caloría" es en realidad una kilocaloría; esto es, si se informa que una hamburguesa contiene  "500 calorías", en realidad contiene 500kcal.

La precisión es indispensable al analizar los términos de un balance de energía, por lo que antes que nada repasaremos ciertos términos que ya se explicaron en capítulos anteriores pero que aparecerán una y otra vez en este capítulo; resumimos estos términos a continuación, con una breve explicación en virtud de su importancia.

Balance de Energía temas por tratar

En esta sección analizaremos todos los términos que usaremos en el balance de energía, después de lo cual procederemos a formular el balance de energía para sistemas tanto cerrados como abiertos.

Balances de Energía Objetivos

• DEfinir y explicar los siguientes términos: energía, sistema, sistema cerrado, sistema sin flujo, sistema abierto, sistema con flujo, entorno, propiedad extensiva, propiedad intensiva, estado, calor, trabajo, energía cinética, energía potencial, energía interna, entalpía, estado inicial, estado final, función punto (de estado), variable de estado, proceso cíclico y función de ruta.
• Seleccionar un sistema apropiado para resolver un problema, sea cerrado o abierto, en estado estacionario o no estacionario, y establecer la frontera del sistema
• Distinguir entre energía potencial, cinética e interna
• Convertir energía de un conjunto de unidades a otro
• Expresar el balance de energía con palabras y escribirlo con símbolos matemáticos para sistemas cerrados y abiertos.