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Conceptos básicos sobre balances de materia y energía en química, con énfasis en la aplicación de ecuaciones de balance y el concepto de calores específicos. Se explica el proceso químico, el balance de materia, el calor específico a presión constante y a volumen constante, y cómo calcular el porcentaje de aire en exceso en la combustión. Además, se incluyen referencias a varios autores.
Tipo: Resúmenes
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El equipo donde se lleva a cabo la reacción química se llama reactor químico. Si un reactor químico se alimenta con reactivos en proporción estequiométrica, y la reacción se lleva a cabo completamente, todos los reactivos se consumen. Si uno de los reactivos se suministra en menor cantidad a la estequiométrica mientras los demás se suministran en las cantidades estequiométricas, aquel se consume primero y se conoce como reactivo limitante y los otros se conocen como reactivos en exceso: Un reactivo es limitante si está presente en menor cantidad que su proporción estequiométrica con respecto a cualquier otro reactivo. o. Si hay presentes n moles de un reactivo en exceso y su proporción estequiométrica corresponde a nd, se define la fracción en exceso como (n – nd)/nd. [Londoño 2012 ] Muchas reacciones químicas proceden lentamente. En estos casos, el reactor se diseña de manera que el reactivo límite no se consuma completamente y se diseña un proceso de separación para extraer el reactivo no consumido del producto. Se llama fracción de conversión (o conversión fraccionaria) al cociente: f = (moles consumidas) / (moles suministradas). Algunas reacciones son irreversibles, es decir, la reacción se lleva a cabo en una dirección (de reactivos a productos) y la concentración del reactivo limitante se aproxima a cero. La composición de equilibrio para estas reacciones es la que corresponde al consumo completo del reactivo limitante. Otras reacciones son reversibles, es decir, los reactivos forman productos y los productos reaccionan en sentido opuesto para volver a formar los reactivos. Se alcanza un punto en el que las velocidades de las dos reacciones son iguales. En este punto, las composiciones no cambian y la mezcla de reacción se encuentra en equilibrio químico. [Londoño 2012 ] En algunas reacciones químicas, los productos pueden reaccionar con los reactivos iniciales dando lugar a productos no deseados. Estas reacciones se llaman reacciones adyacentes y en estos casos se usan dos términos para describir el grado en el que la reacción deseada predomina sobre las reacciones adyacentes: Rendimiento y selectividad. [Londoño 2012 ]
Rendimiento : (Moles formadas de producto deseado) / (Moles que se formarían si no hubiera reacciones adyacentes y si el reactivo limitante reaccionara completamente). Selectividad: (Moles formadas de producto deseado) / (Moles formadas de producto no deseado). En el análisis de reactores químicos con separación de productos y recirculación de los reactivos no consumidos, se utilizan dos definiciones de conversión de reactivos: Conversión global = (ERP– SRP) / ERP ERP: Entrada de reactivos al proceso. SRP: Salida de reactivos del proceso. Conversión en una sola etapa = (ERR – SRR) / ERR ERR: Entrada de reactivos al reactor. SRR: Salida de reactivos del reactor. Para resolver problemas de balances de masa en procesos con reacciones químicas, se pueden usar diferentes balances: Balance para la masa total. Tiene la forma “entrada = salida”, ya que no se tienen en cuenta las reacciones químicas que suceden. Balance para cada reactivo o para cada producto. Contiene un término de producción si se trata de un producto o un término de consumo si se trata de un reaccionante. Balance para cada átomo participante en la reacción. Los balances de especies atómicas tienen la forma “entrada = salida” ya que los átomos no se crean ni se destruyen en una reacción química. [Londoño 2012 ]
Aire en exceso: Es la cantidad en exceso del aire que entra al reactor con respecto al aire teórico. El porcentaje de aire en exceso se calcula usando la siguiente ecuación: % de aire en exceso = [(Moles de aire que entran – moles de aire teórico) /moles de aire teórico] * 100 El procedimiento para resolver balances de materia en la combustión es el mismo que el procedimiento para los sistemas reactivos, pero teniendo en cuenta estos puntos: (1) El N 2 sale del reactor tal como entra. En la salida del reactor debe considerarse el O2 que no reacciona y el combustible que no se consume. (2) El porcentaje de aire en exceso y el porcentaje de oxígeno en exceso tienen el mismo valor numérico. Si se conoce el porcentaje en exceso de O 2 , el O 2 real se calcula multiplicando el O 2 teórico por 1 más la fracción de oxígeno en exceso. (3) Si sólo sucede una reacción se pueden usar indistintamente balances para especies moleculares o para especies atómicas. Si ocurren varias reacciones químicas suelen ser más convenientes los balances para especies atómicas. [Londoño 2012 ] ENERGÍA INTERNA La energía interna de un sistema se identifica como la energía relativa al movimiento aleatorio y desordenado de las moléculas. [Cumbre Pueblos 2019 ] Esta energía en un sistema incluye energía potencial y cinética. Esto contrasta con la energía externa, que es una función de la muestra con respecto al entorno exterior. [Cumbre Pueblos 2019 ] Este tipo de energía incluye energía a escala microscópica. Es la suma de todas las energías microscópicas tales como: energía cinética de traslación, energía cinética vibracional y rotacional, energía potencial de fuerzas intermoleculares. [Cumbre Pueblos 2019 ]
En principio, es una propiedad extensiva, esto quiere decir que depende del tamaño del sistema o de la cantidad de sustancia que contiene. [Cumbre Pueblos 2019 ] Además, es propiedad del estado y su cambio no depende del camino por el cual se alcanza el estado final. [Cumbre Pueblos 2019 ] De la misma forma, tenemos que no habrá ningún cambio en la energía interna en el proceso cíclico, la energía interna del gas ideal es una función de la temperatura solamente. [Cumbre Pueblos 2019 ] Asimismo, esta depende de la cantidad de la sustancia, su temperatura, naturaleza química, presión y volumen. [Cumbre Pueblos 2019 ] Por otro lado, esta energía no incluye la energía debida al movimiento o la ubicación de un sistema en su conjunto. Es decir, excluye cualquier energía cinética o potencial que el cuerpo pueda tener debido a su movimiento o ubicación en campos externos gravitacionales, electrostáticos o electromagnéticos. [Cumbre Pueblos 2019 ] A cualquier temperatura mayor que el cero absoluto, la energía potencial microscópica y la energía cinética se convierten constantemente entre sí, pero la suma permanece constante en un sistema aislado. En la imagen clásica de la termodinámica, la energía cinética se desvanece a temperatura cero y la energía interna es puramente energía potencial. [Cumbre Pueblos 2019 ] La energía interna también se relaciona con diversas fuerzas de enlace entre las moléculas de una sustancia, entre los átomos dentro de una molécula y entre las partículas al interior de un átomo y su núcleo. Las fuerzas que unen a las moléculas entre sí son, como se esperaría, más intensas en los sólidos y más débiles en los gases. Si se agrega suficiente energía a las moléculas de un sólido o de un líquido, éstas vencen las fuerzas moleculares y se separan, de modo que la sustancia se convierte en un gas; éste es un proceso de cambio de fase. [Cumbre Pueblos 2019 ]
Calor Específico A Volumen Constante El calor específico es la propiedad que permite medir la cantidad de energía que una sustancia es capaz de almacenar. Dicho en palabras simples, es la cantidad de energía que se requiere para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia. Esta cantidad de energía cambia dependiendo de la forma como se ejecute el proceso. Así, si el proceso es a presión constante el calor específico tiene cierta medida y se le da el nombre de Calor específico a Presión constante o Cp (C sub “P”) y si el proceso se da a volumen constante el calor específico tiene otra medida y se le da el nombre de Calor específico a Volumen constante o Cv (C sub “v”). Siempre es mayor el calor específico a presión constante Cp, que el Cv, ya que a presión constante el sistema puede expandirse por lo cual también se le debe suministrar la energía que corresponde al trabajo realizado en la expansión. Desde un punto de vista físico, el calor específico a volumen constante Cv se puede considerar como la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia cuando el volumen se mantiene constante. La energía requerida para hacer lo mismo cuando se mantiene constante la presión es el calor específico a presión constante Cp. Cv=(∂u/∂T)v Esta ecuación implica, en pocas palabras, que el calor específico a volumen constante es el cambio en la energía interna respecto al tiempo. La v que se halla como subíndice al lado derecho del paréntesis significa que la ecuación es válida si el proceso es a volumen constante. Si vemos la ecuación diferencial en la forma: CvdT=du, V → constante
Observamos que justamente la energía que se adiciona al sistema y que aumenta la temperatura es justamente el cambio en la energía interna del sistema; y no es posible que sea otra, ya que al ser constante el volumen no puede haber trabajo que suponga una adición de energía que le corresponda. Calor Específico A Presión Constante El calor específico a presión constante Cp es siempre mayor que Cv porque a presión constante se permite que el sistema se expanda y la energía para este trabajo de expansión también debe ser suministrada al sistema. [Mercado 2017 ] Si se dispone de la misma cantidad de varias sustancias y se desea elevar la temperatura de ellas en la misma cantidad, se encuentra que la cantidad de energía requerida por cada sustancia es diferente. Este hecho se debe a la capacidad calorífica de cada sustancia, la cual es una propiedad que indica la mayor o menor dificultad que tiene la sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. [Mercado 2017 ] La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía transferida al cuerpo o sistema y el cambio de temperatura que experimenta. Una expresión para la capacidad calorífica a presión constante, CP, se obtiene al considerar un proceso de expansión o compresión a presión constante: CP = (∂H/∂T) P. Si ΔH representa el cambio de entalpía específica cuando hay un cambio ΔT de temperatura a presión constante, la capacidad calorífica a presión constante es el valor límite de la relación ΔH/ΔT cuando ΔT tienda a cero. Entonces: CP = dH/dT, ecuación que al integrarla queda así: ΔH = ∫CP*dT, siendo los límites de esta integral las temperaturas inicial y final. [Mercado 2017 ] La capacidad calorífica en los gases puede representarse por relaciones de estas formas:
Donde CPT1 y CPT2 son las capacidades caloríficas a T 1 y T 2 respectivamente. Cv es una medida de la variación de energía interna de una sustancia con la temperatura, y Cp es una medida de la variación de entalpía de una sustancia con la temperatura. [Cengel, Boles 2014 ] Tanto la energía interna como la entalpía de una sustancia se pueden modificar mediante la transferencia de energía en cualquier forma, con el calor como una de las posibles formas de ellas. Por lo tanto, el término energía específica es quizá más apropiado que el de calor específico, lo cual significa que la energía se transfiere (y almacena) en forma de calor. [Cengel, Boles 2014 ] Una unidad común para los calores específicos es kJ/kg · °C o kJ/kg ·K. Observe que ambas unidades son idénticas dado que ΔT(°C) = ΔT(K), y cambio de 1 °C en la temperatura es equivalente a un cambio de 1 K. A veces los calores específicos se dan en base molar; en este caso se denotan mediante C̅v y C̅p y tienen la unidad kJ/kmol · °C o kJ/kmol · K. [Cengel, Boles 2014 ]
Cengel Yunus, A., Boles Michael A. (2014). Termodinámica, Octava edición. EHU- Universidad del País Vasco, España. España. Cumbre Pueblos (2019). ENERGÍA INTERNA» Qué es, Características, Fórmula. Fecha de consulta: 04 - 08 - 2020, recuperado de: https://cumbrepuebloscop20.org/energias/interna/ Gómez Quintero, C. S. (201 4 ). Apuntes de Procesos Químicos para Ingeniería de Sistemas. Universidad de los Andes, Venezuela. Venezuela. Londoño García, R. (2012). Balances de masa y energía. Universidad Tecnológica de Pereira. Pereira, Colombia. Mercado Navarro, F. A. (20 17 ). Calores específicos – Termodinámica. The Finit Element. Fecha de consulta: 04 - 08 - 2020 , recuperado de https://www.thefinitelement.com/calores-especificos
