INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIUDAD MADERO

Centro de investigación en petroquímica (Campus III)

Maestría en Ciencias en Ingeniería Química

Importancia del Balance de energía con o sin flujo

Asignatura:
Termodinámica

Catedrático:
Dra. Rebeca Silva Rodrigo

Alumno:
Eric Joaquin Gonzalez Pedraza
G15071669

Altamira, Tam. 19 de mayo de 2021

INDICE

Introducción ................................................................................................................................. 1
1.1 Tipos de energía..................................................................................................................... 2
1.2 Ley de conservación de la energía......................................................................................... 3
1.3 Ecuación del balance de energía............................................................................................ 4
1.4 Balance de energía en equipos de transferencia de calor ...................................................... 5
1.5 Balance de energía en procesos de mezclado ........................................................................ 6
1.6 Balance de energía en procesos donde hay aire húmedo....................................................... 7
1.7 Balance de energía en equipos de evaporación ..................................................................... 8
1.8 Balance de energía con reacciones químicas......................................................................... 9
Conclusiones.............................................................................................................................. 12
Bibliografía ................................................................................................................................ 13
Introducción

El balance de energía es una relación de la energía que entra y sale de un sistema, es decir, se
trata del estudio de los cambios energéticos de un sistema. La aplicación del balance de energía
es fundamental en procesos industriales y transformaciones físicas en diferentes áreas de la
industria, como la del petróleo, manufacturas, alimentos, entre otras. En este ensayo se definirá
el balance de energía y su importancia, así como, los principales tipos de balance de energía con
o sin flujo.

El balance de energía es el estudio del intercambio de energía que tiene un sistema con el
ambiente y de los cambios físicos y químicos que puede acarrear dicho balance, que alteran en
gran medida este intercambio. Asimismo, el balance de energía va de la mano con la Ley de
conservación de la energía y con otros aspectos que vamos a definir más adelante.

1
1.1 Tipos de energía

La energía total de un sistema es la suma de todos los tipos de energía que hay en el sistema.
Estos tipos de energía son los siguientes:

Energía cinética
Es la energía debida al movimiento respecto a un sistema de referencia. La energía cinética
puede expresarse como:

Donde:
V: Velocidad que experimenta el sistema.
m: La masa del sistema.

Energía potencial
Este tipo de energía se debe a la posición del sistema en un campo potencial de fuerzas, o a su
configuración respecto a un estado de equilibrio. La energía potencial puede expresarse como:

Donde:
m: La masa del sistema.
g: Aceleración de gravedad.
z: Diferencia de altura del sistema respecto a un marco de referencia.

2
Energía interna (u)
Es la energía producida por el movimiento de las moléculas que conforman el sistema y la
interacción entre éstas. Se manifiesta a través de la temperatura. Cabe destacar, que no es posible
expresarla mediante una relación de las variables de estado ni calcularla de forma absoluta.

1.2 Ley de conservación de la energía

Esta ley nos indica que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. Afirma que
cualquier cantidad de energía en un sistema aislado permanece invariable en el tiempo, aunque
esta energía puede transformarse a lo largo del tiempo, siendo la primera ley de la
termodinámica.

Transferencia de energía
Se trata del intercambio de energía que tiene el sistema con sus alrededores. Esta transferencia
puede realizarse de dos formas:
Calor: Energía que fluye como resultado de una variación de la temperatura entre el sistema y
sus alrededores.
Trabajo: Energía que fluye en respuesta a la aplicación de una fuerza.

Capacidad calorífica a presión constante

También conocida como calor específico, es la variación de la entalpía con la temperatura o la
cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de una sustancia en un grado. Se
expresa de la siguiente manera:

Por el contrario, si el sistema no experimenta un cambio de fase, es un valor empírico que para
pequeñas variaciones de temperatura puede considerarse constante, por lo tanto:

3
1.3 Ecuación del balance de energía

Antes de realizar la deducción de la ecuación del balance de energía, hay que recordar que su
principio fundamental es la Ley de conservación de la energía. Teniendo este principio en
cuenta, podemos decir que la velocidad con la que entra la energía al sistema, menos la velocidad
con la que sale del sistema, más la velocidad con la que el calor entra o sale del sistema, más la
velocidad con la que el trabajo entra o sale del sistema, es igual a la acumulación de energía en
dicho sistema. Esto lo podemos expresar así:

Ahora, si nos encontramos en un estado estacionario donde no hay acumulación de energía, la

ecuación sería la siguiente:

Si se considera un sistema cerrado donde no hay intercambio de masa con los alrededores, se
puede expresar la ecuación de la siguiente manera:

Y en estado estacionario de la siguiente manera:

4
En términos generales, la energía potencial y la energía cinética cambian poco en sistemas
termodinámicos, respecto a la variación de la energía interna. Tomando esto como referencia,
se expresa la ecuación del balance de energía de la siguiente manera:

Ahora, si tenemos un sistema cerrado sin reacciones químicas y que no presente cambios de
temperatura, de fase, o de presión, tenemos:

1.4 Balance de energía en equipos de transferencia de calor

Los equipos de transferencia de calor son muy utilizados en la ingeniería química. Por lo
general, estos equipos utilizan corrientes de fluido, una caliente y una fría para propiciar el
intercambio térmico. La ecuación de balance de energía para intercambiadores de calor puede
reducirse a esta expresión:

Donde:
Q: Es el calor que se intercambia y es la sumatoria del calor sensible y el calor latente.
ΔH: Es el cambio de entalpía del sistema

Para sistemas sin cambio de estado, donde solamente hay calentamiento o enfriamiento, la
ecuación queda reducida a:

5
Donde:
m: Masa del sistema.
Cp: Capacidad calorífica a presión constante.
ΔT: Variación de la temperatura.

1.5 Balance de energía en procesos de mezclado

Cuando se trabaja con un mezclador, las corrientes pueden tener temperaturas diferentes, por lo
tanto, la temperatura de la corriente de salida será diferente a la temperatura de las corrientes de
entrada. Aplicando un balance de energía a un sistema de este tipo en donde no hay intercambio
de calor ni de trabajo con el ambiente, no hay acumulación de energía y despreciamos las
pérdidas por fricción, tenemos:

Asumiendo energía potencial y cinética muy pequeñas respecto a la energía interna y utilizando
la entalpía, tenemos:

Donde la entalpía queda expresada de la siguiente manera:

6
El calor estándar de disolución, es el cambio de entalpía de un sistema en condiciones estándar
(25 0C y 1 atm), cuando 1 gmol de soluto se disuelve en n moles de solvente. Estos valores se
encuentran tabulados en los libros de Principios de Ingeniería Química, sin embargo, para
valores de temperatura variables se pueden calcular mediante la ecuación:

Donde:
x1: Fracción del disolvente a T y P
x2: Fracción del soluto a T y P
H1: Entalpía del disolvente a T y P
H2: Entalpía del soluto a T y P
ΔHs: Entalpía de disolución por mol de soluto

Mientras que las capacidades caloríficas de disoluciones a presión constante, pueden

encontrarse en gráficas y tabulaciones de los libros de ingeniería química. Seguidamente,
veremos un ejercicio de balance de energía en procesos de mezclado.

1.6 Balance de energía en procesos donde hay aire húmedo

Cuando se tiene aire húmedo se toma como temperatura de referencia 0 Celsius y el cálculo
consta de tres componentes: El calentamiento del aire seco, el calentamiento del vapor de agua
y la vaporización de agua. Esto se puede expresar de la siguiente manera:

Si resumimos la entalpía por unidad de masa del aire húmedo, tenemos:

7
Considerando lo siguiente:

• “Y” es la humedad absoluta del aire húmedo, esta puede ser calculada con ayuda de un
diagrama de humedad y se representa como Y=mV / mAS.
• La capacidad calorífica del aire seco (CPAS) se puede considerar igual a 0.24 Kcal / (Kg
0C) o 0.24 BTU / (lb 0F). Mientras que la capacidad calorífica del vapor de agua (CPV)
es 0.46 Kcal / (Kg 0C) o 0.46 BTU / (lb 0F).
• ΔT= t, si la temperatura es medida en grados Celsius. Por el contrario, si es medida en
grados Fahrenheit será (t-32).

El calor de vaporización del agua a la temperatura de referencia se puede encontrar en las tablas
termodinámicas del agua.

1.7 Balance de energía en equipos de evaporación

Cuando se trabaja con evaporadores, tendremos una alimentación (1), una disolución
concentrada (2), el vapor de la disolución que se evapora (3), el vapor de calefacción (4) y el
vapor condensado (5). Tomando esto como referencia, podemos realizar un balance de materia
quedando lo siguiente:

BMdisolución: L1 = G3 + L2

BMsólidos: L1x1 = L2x2

BMagua: G3 = L1 – L1(x1/x2)

8
BMvaporcalentamiento: G4 = L5

Realizando el balance de energía, tenemos lo siguiente:

L1H1 + G4H4 = G3H3 + L5H5 + L2H2

Cabe destacar, que H1 y H2 dependen de las características de las disoluciones. En las
disoluciones en donde se produce mucho calor hay que adicionar el calor sensible y el calor
latente, es por ello, que para este tipo de disoluciones se recomienda trabajar con diagramas de
entalpía-concentración.

Por el contrario, si se trabaja con disoluciones con calor de disolución bajo, las entalpías se
calculan a partir de las capacidades caloríficas. Si se trabaja con vapor de agua, los valores de
entalpía se obtienen de las tablas termodinámicas. Por último, si tenemos cualquier otro líquido,
la entalpía se obtiene a partir de las capacidades caloríficas y los calores latentes.

Seguidamente, veremos un ejercicio de balance de energía en equipos de evaporación.

1.8 Balance de energía con reacciones químicas

En este último caso, tomaremos en cuenta donde hay reacciones químicas. Estas reacciones, por
lo general, presentan grandes cambios de entalpía. Si el cambio de entalpía es positivo, hay que
suministrar calor al sistema para evitar que la temperatura y la velocidad de reacción
disminuyan. Por otro lado, si el cambio de entalpía es negativo, el sistema suministrará calor al
ambiente. Este calor absorbido o desprendido por la reacción química de un sistema lleva por
nombre calor de reacción.

Calor de reacción
También conocido como entalpía de reacción (ΔHR), es la diferencia de entalpías entre
productos y reactivos para una reacción en donde los reactivos son alimentados en cantidades
estequiométricas a temperatura y presión constante y donde los productos salen del sistema a
las mismas condiciones de temperatura y presión con las que entran los reactivos.

9
Para el calor de reacción, generalmente, se toma como referencia 1 atm y 25 grados Celsius. Si
el calor de reacción es negativo, se trata de una reacción exotérmica y para el caso contrario, la
reacción es endotérmica. Una característica interesante de la entalpía de reacción es que a
presiones bajas o moderadas es independiente de la presión. Además, hay que destacar que si el
volumen del sistema es constante el calor de reacción es igual a la variación de la energía interna

Calor de formación
En las reacciones de formación de un compuesto se presenta el calor estándar de formación
(ΔH0F). A partir de este calor de formación y tomando en cuenta la Ley de Hess, podemos
plantear el calor estándar de reacción como:

El calor estándar de combustión ΔH0C representa el calor de una reacción con el oxígeno para
crear productos específicos. Como referencia se toma 1 atm y 25 grados Celsius. Esta reacción
involucra las sustancias combustibles y los productos de combustión y puede expresarse de la
siguiente manera:

Reacciones adiabáticas
Estas reacciones ocurren en reactores que se encuentren aislados del entorno, minimizando o
dejando casi nulas las pérdidas de calor a los alrededores. De modo que si la reacción es
exotérmica, aumentará la temperatura y si es endotérmica, disminuirá. Para este tipo de
situación, es importante conocer la temperatura final de la reacción (en el caso de una
combustión, su temperatura de llama).

10
Bajo estas condiciones, tenemos que ΔHR = 0

La entalpía estándar de reacción quedaría de la siguiente forma:

Por lo general, los reactivos no están a temperatura estándar, en ese caso, la ecuación queda de
la siguiente manera:

11
Conclusiones

La importancia de un balance de energía es enorme para un ingeniero químico, ya que permite

conocer los requerimientos energéticos de un sistema, de manera que podamos aprovechar los
alrededores del sistema para obtener beneficios (trabajo) a partir de la energía que entra o sale
de éste.

El balance de energía presenta varias aplicaciones importantes, entre las cuales podemos
destacar las siguientes: Lograr una producción efectiva del calor, Recuperar y utilizar
efectivamente el calor, Determinar el consumo de combustibles, Calcular la cantidad de energía
necesaria para un sistema.

12
Bibliografía

 Jose Angel Manrique Valades, Termodinamica, AlfaOmega, 2001.

 Ingeniería Química Review, www.ingenieriaquimicareviews.com/2020/08/balance-de-

energia-ingenieria-qumica, Agosto, 2020.

 Raymond Chang, Química, Séptima edición, Ed. McGraw-Hill, Páginas 209-210, 216-
222.

 John R. Howell, Richard O. Buckius, Ed. McGrawHill, Principios de termodinámica

para ingenieros, Páginas: 190-206.

13