TALLER V – BALANCE DE ENERGIAA. CONCEPTOS BASICOS DE ENERGIA 1. Definir: termodinámica, calor, trabajo, sistema, alrededores y proceso termodinámico. 2. Qué unidades se manejan para el trabajo y el calor, con su correspondiente equivalencia en el sistema internacional e inglés? 4 2 3. Calor y temperatura son dos conceptos iguales? Si su respuesta es negativa, entonces cuál su diferencia? 4. En qué consiste la ley cero de la termodinámica? 3 5. Explique las diferentes escalas de temperatura. 4 6. Explicar el efecto Joule (equivalente mecánico de calor). 2 7. Definir calor específico y caloría. 8. Qué cantidad de calor requiere una sustancia para elevar su temperatura en 10ºC, si su 500 ºK calor especifico es de 1,2 cal/gr ºC. 1 9. Un pocillo de aluminio de masa 0,15 Kg a una temperatura inicial de 18 ºC, se llena con 200 ºK 0,15 kg de café a una temperatura inicial de 75 ºC. Determinar la temperatura final del 400 ºK especifico para el aluminio de 900 J/kg ºC y conjunto al alcanzar el equilibrio térmico. (calor para el café 4186 J/Kg ºC.(Rta = 64.91 ºC). B. CONCEPTOS DE BALANCE ENERGIA, CAPACIDAD CALORIFICA. ENTALPIA. CALOR SENSIBLE Y LATENTE. 1. Enunciar la primera ley de la termodinámica. 2. 3 moles de un gas ideal se someten al proceso ilustrado a continuación. P atm V a. Determinar el tipo de proceso entre los puntos 1 a 2; 2 a 3; 3 a 4 y 4 a 1. b. Hallar el volumen del gas en los puntos 1 y 3; la presión en el punto 2. c. El trabajo en cada uno de los estados mostrados. determinar que cantidad de calor puede extraerse en el refrigerador. 7. se agrega o se saca calor del sistema? (Rta = 155 Kj) 8. Determinar el volumen final del gas. a. líquidos (soluciones acuosas. cuáles el trabajo realizado por el gas cuando: a) Se expande a una presión constante hasta el doble su volumen inicial. U y H para un calentamiento. Un estudio de viabilidad económica indica que . 10. 6. 3746 cal). orgánicos) y gases y vapores. citando por lo menos dos ejemplos de cada uno. Un tanque contiene un fluido que esta agitado con una rueda con paletas. Si se calienta de 15 ºC a 40 ºC. se realiza trabajo sobre el sistema equivalente al valor de 100 Kj. El calor transmitido del tanque es 378 Kcal. ( R = 1. Determinar el trabajo realizado por el aparato en una hora. Un mol de un gas ideal se somete a un proceso isotérmico. 4. dispone de un cilindro de 1. 5. Cuanto trabajo hace si la temperatura de 0.5 atm y su volumen de 8 lt. El contenido total de energía de un sistema cerrado aumenta 55 KJ.4 m. si la presión de trabajo es de 50 Kg/cm2.56 X 105J). su presión es de 4. Qué cantidad de calor se transfiere durante el proceso.3 atm. Una tapadora neumática de botellas efectúa 120 golpes por minuto. La transformación de desperdicios sólidos en gases puede lograrse en incineradores en forma aceptable desde el punto de vista ambiental. 11. empleando: a) Valor Cp de la tabla 3 b) La ecuación de Cp en función de T. respecto al primer valor obtenido? 13. Hay un émbolo movible en la parte superior del cilindro. a presión constante entre 0 y 300 ºC b. 14. El gas carbónico CO2 tiene a 25 ºC una capacidad calorífica Cp de 8. calcular Q. durante un proceso. 12. El émbolo tiene una masa de 800 gr un área de 5 cm2 y el libre de moverse de arriba hacia abajo manteniendo la presión del gas constante.8 cm de diámetro.2 moles de gas se eleva se 20 a 300ºC? (Rta= 465 J). 9. a volumen constante entre 273 y 573 ºK. Un gas en un recipiente esta una presión de 1. (-3579. la temperatura del proceso y trazar el gráfica de la presión en función del volumen. a presión constante de 100 Kg/cm2. El trabajo impuesto a la rueda es 1280 Kcal. Un gas ideal está encerrado en un cilindro hay un embolo móvil. Un gas a baja presión tiene una capacidad calorífica Cp= 9.00 + 1. Determinar la cantidad de calor necesario para calentar 15 moles de amoniaco de 100 ºC a 200 ºC.987 cal / gmolºC). (Rta = 366480 Kg-m). inicialmente.365 KJ). 4. a presión de una atmósfera. Finalmente la presión del gas es 2. hidrocarburos. Determinar Q.5 atm y un volumen de 4 m3.3. ∆U y ∆H para el proceso: a) a presión constante y b) a volumen constante. Suponiendo una eficiencia en el sistema del 32%. Consultar como se pueden calcular la capacidad calorífica para sólidos (regla de Koop). c) Cuál es la diferencia en % que se presenta. (Rta= 5000 Kg-m .079x10-6 t2 cal/mol ºC.50x10 3 t – 0. Dar la respuesta también en el sistema inglés. Determinar el trabajo realizado en el sistema. Sin embargo los gases de combustión calientes deben enfriarse o diluirse con aire. b) Se comprime a presión constante hasta el cuarto de su volumen inicial? (Rta= 6. W.96 cal/g mol ºC. determinar el cambio de energía interna del sistema. siendo la carrera del pistón de 0. W. En un refrigerado de 5 lt de gas se expanden hasta alcanzar el doble de su volumen. Considerando el tanque y el fluido como sistema.0798 X 105 J. si prepara la mezcla a 14 ºC y debe retirarlas del paletero a -8 ºC. Cp del liquido = 0.78 cal/gr ºC y calor latente de fusión de 117 cal/gr ºC.2% de CO2.21 Kcal/mol.5% CO. Cuál es la diferencia de entalpías del gas del fondo de la chimenea y del de la parte superior. Definir calor sensible y calor latente. 30 moles de un gas que se encuentra a 93 ºC y presión atmosférica Temperatura de condensación= 37 ºC y su λv = 4. 16. su calor especifico en la fase liquida es de 1.38 cal/mol ºC y Cp del sólido 8. b. Asuma que los moldes requieren un 7.13 cal/gr ºC y su Cp en fase sólida de 0.379 Kcal/mol. 18.3% O2 y 82% de N2. Una paleta tiene una masa de 100 gr.un sólido de desperdicios municipales puede transformarse a un gas de la siguiente composición (en base seca): 9.5 cal/mol ºC.74 cal/mol ºC. Calcular el calor requerido para evaporar 7300 gr de agua que se encuentran a 19 ºC a una presión de 760 mm Hg. si la temperatura del fondo es de 550 ºF y en la parte superior es de 200 ºF? Ignórese el vapor de agua en el gas. 19. 1. Cuántas paletas puede producir por hora. Un fabricante de paletas compra un congelador que extrae 7200000 cal/hr.8% del calor extraído y el punto de fusión es de -2 ºC. Cp del gas = 6.42 ºC y su λf= 0. 7. ΔH del hielo es 80 cal/ gr Qué tipo de calor se calculó en a y b? 17. Es necesario congelar a -80 ºC. 15. . El calor requerido para llevar 470 gramos de agua de una temperatura de 10 ºC hasta 90 ºC. Temperatura de fusión = . Determinar el calor requerido para fundir 470 gramos de hielo. Determinar: a. incluso. El estudio de la energía abarca el mecanismo motor del universo en sus innumerables aspectos. el efecto de esta transformación se aprecia en lo erosión de las rocas contra las cuales choca el agua. El concepto de energía está íntimamente ligado al de trabajo. Las aguas de una catarata tienen energía. El hombre. interviene la energía. desde el desarrollo de una nebulosa. Se actúa de ese modo para levantar un cuerpo cualquiera. Se puede. Un proyectil en movimiento tiene energía y esta puede ser de tal magnitud que al chocar contra una coraza. o al pasar por una resistencia genera calor. este se caliente y. . su presencia es detectada a cada instante. Los acontecimientos físicos. obedecen a transformaciones de orden físico y/o químico. decir que energía es la magnitud que mide la capacidad que tiene un sistema para realizar un trabajo. Un rayo de luz transporte energía y puede aumentar la energía calórica de un cuerpo elevando su temperatura. desde su fuente primaria en la naturaleza hasta su presentación para consumo inmediato. En todos los fenómenos científicos y en todo lo que ocurre. La vida del ser humano depende directamente de las transformaciones que se producen en los procesos energéticos de la respiración y del metabolismo de los alimentos. hasta los movimientos de una bacteria. parte del líquido se transforma en vapor. En un trozo de hierro calentado al rojo hay energía y. la perfora. desde sus orígenes hasta el presente. ha logrado sorprendentes progresos. consisten fundamentalmente en transformaciones de energía. o incluso para aserrar el tronco de un árbol. si se le sumerge en un líquido. Todo vegetal de consumo humano o animal contiene almacenada y en la cadena alimenticio plantas-animal-hombre. El crecimiento de las plantas. Los procesos de adecuación de alimentos. en los cuales ocurre intercambios de masa y energía. en su forma lumínica. después del impacto contra el fondo pierden velocidad y se mueven lentamente al transformarse parte de su energía.INTRODUCCION BALANCE DE ENERGIA Para un científico el concepto más importante lo constituye la energía. Si bien la energía no puede ser tocada ni vista. en ocasiones. su floración y fructificación obedecen a fenómenos en los que interviene la energía. desde el fuego hasta la fisión nuclear. Una corriente eléctrica mueve un motor y éste produce un trabajo. ocurren intercambios de energía. La definición científica de trabajo expresa bien el concepto intuitivo que todos tenemos: para ejecutar un trabajo es necesario aplicar una fuerza sobre un cuerpo y desplazarlo. empleando calor para retirar la humedad presente. Procesos de esterilización. Licores se obtienen por destilación de mostos y en la industria de bebidas fermentadas los mostos se obtienen por cocción de las materias primas farináceas. cada vez más onerosos. en donde los alimentos se hacen más digeribles o se mejora su sabor.Una de las formas más elementales de preparación de alimentos tiene lugar en los sencillos procesos de cocción. emplean otras formas de energía como los rayos ultravioleta o las microondas. día tras día encarece los costos de un proceso. para preservar lácteos y carnes. igualmente se esterilizan o se preservan. la responsable de los trabajos mecánicos. por el agotamiento de las fuentes de suministro. conservar los recursos del país. tan solo un correcto uso de la energía permite optimizar las operaciones básicas y economizar en los costos. la liofilización (evaporación por congelación y disminución rápida de la presión. ya a escala industrial. tanto para cocer como para esterilizar los alimentos. como en el enfriamiento de alimentos pasterizados. están acompañados con intercambio o consumo de otros tipos de energía. ya a nivel doméstico. en muchos casos se requiere retirarlo. bajas temperaturas se requieren para madurar cervezas y vinos e igualmente. multitud de alimentos se preservan secándolos. La industria panificadora demanda inmensas cantidades de calor. Hasta la energía nuclear se emplea hoy en la industria de alimentos. que tiene la industria de alimentos. La crisis energética. Los fenómenos caloríficos son los de mayor concurrencia en la industria de alimentos. por lo tanto. producidos o dirigidos por el hombre. En todos los hogares del mundo se acostumbra a cocer determinados alimentos: la energía en su forma de calor constituye el mecanismo de transformación más importante para los alimentos. tener un conocimiento adecuado de la energía y disponer de las bases científicas para su correcto manejo. Debe usted. todos los alimentos están íntimamente asociados a fenómenos caloríficos o energéticos. salvo los productos de origen vegetal y de consumo inmediato. En la industria láctea pasos importantes son la pasterización lograda con el calor. El calor interviene en la industria de enlatados. La energía eléctrica es. lo que causa la sublimación del agua). pues permiten las transformaciones de orden químico. y para concluir procesos bioquímicos. en fin. Interminable sería la lista de procesos en los cuales interviene la energía en cualquiera de sus formas. en su mayor parte. inicialmente la mecánica. para el movimiento y trabajo de los más variados y diversos equipos de la industria. Los procesos no solamente demandan calor. igualmente permite competir con los países industrializados. mejorar la calidad humana sin detrimento . hacer accequibles a la población muchos alimentos de los que hoy o se dispone. en fin. Inmensos gastos se evitan transportando productos concentrados obtenidos en evaporadores o cristalizadores. contribuyó con sus observaciones. El desarrollo de una ley limitante nació en 1824. La comprobación de que la energía cinética puede transformarse en calor abrió el camino para nueva ideas acerca de tan importante tema.del medio ambiente. es decir cinética y potencial. cuando dos cuerpos se ponen en contacto. una sustancia de elevada temperatura tienen mucho calórico. contribuyó en 1843. o cual lejos puede un proceso llegar a ser completo . determinará las relaciones más importantes de las propiedades termodinámicas de la materia. atribuyendo en los cuerpos la existencia de una sustancia llamada “Calórico”. Al mezclar dos sustancias a temperaturas diferentes. A medida que se progresaba en los procesos de la transformación de la energía. Hasta principios del siglo XIX solo se entendía por energía la energía mecánica. en el presente capítulo. en una fábrica de cañones. transformar totalmente cierta cantidad de calor en trabajo”. De acuerdo a tal teoría. usted conocerá básicamente los aspectos de la energía que conciernen a los balances energéticos y de masa. efectuará balances térmicos y adquirirá las bases para desarrollarlos a nivel de las principales operaciones unitarias que tienen cabida en la Industria de Alimentos y Procesos Quìmicos. Kelvin expresó lo que conoce como segundo principio o segunda Ley de la Termodinámica. con sus trabajo. Estudios muy profundos se han efectuado sobre la energía. Los científicos de ese entonces explicaban el fenómeno. Joule. sin permanentes alteraciones en el sistema o en el ambiente. demostraron que la relación entre la cantidad de calor producida en un proceso y la cantidad de trabajo realizado era constante. Sus experimentos con sistemas aislados. La teoría del “calórico” fue desplazada por aquella otra. válida hoy en día. la mezcla llega a una temperatura de equilibrio situada entre las dos temperaturas iniciales. Benjamín Thompson conde de Rumford. a plantear esta nueva teoría. natural de Baviera. a establecer la ley de conservación de la energía tal como la conocemos. se encontraban limitaciones en lo referente a la dirección en que un proceso tiene lugar. Joule. . tendría poco calórico. Otro de los enunciados del segundo principio se debe a Clausius:” El calor de los cuerpos que están a mayor temperatura pasa espontáneamente a aquellos cuya temperatura es menor”. con los trabajos teóricos de Sadi Carnot relacionados con la conversión de calor en trabajo en una máquina térmica y con los desarrollados por Lord Kelvin en sus experiencias sobre calor y trabajo. el más rico en calórico transfiere una parte de sus reservas al otro. mientras otro cuerpo cuya temperatura fuese baja. Alemania. que considera el calor como una forma de energía. Hermann Von Helmholtz y James P. que fue desarrollada años después por los trabajos de Julius Von Meyer. “No es posible. Según el razonamiento de aquellos científicos. La ley de conservación de la energía. . la segunda ley fue postulada antes que la primera. La numeración no corresponde al orden cronológico de su desarrollo.En virtud de ese principio. lo contrario es decir que cuerpos cuyas temperaturas iniciales sean las mismas evolucionen hasta adquirir temperaturas diferentes. inicialmente a temperaturas diferentes son puestos en contacto tienden a alcanzar la misma temperatura. La mayoría de las leyes en las ciencias. se nombran acorde al científico que las ha formulado. pero en la termodinámica. nunca ocurre espontáneamente. cuando dos cuerpos. ellas simplemente se numeran en razón de la gran cantidad de científicos que han contribuido a su formulación. se conoce como la primera ley de la termodinámica y su aplicación conlleva cálculos de energía. relacionados con toda clase de procesos. 6 KJ/mol.95 Kcal 7. Calcule el valor de ∆Hº para la reacción : N2(g) + 1/2 O2(g) siguientes ecuaciones: 2 NH3(g) + 3 N2O(g) → 4 N2(g) + 3 H2O(l) ∆H = -1010 kJ 4 NH3(g) + 3 O2(g) → 2 N2(g) + 6 H2O(l) ∆H = -1531 kJ R = 81. dadas las 8.151 KJ) 5. (Rta= 61.103. Calcula el calor de combustión de 1 kg de butano con los siguientes datos: Hºf C4H10(g) = .554) SO3 + H2O → H2SO4(l) (R= -30. Calcular el calor de reacción al estado de referencia estándar para las reacciones que siguen: C(s) + O2 → CO2 (g) H2(g) + O2 → H2O(l) NH3(g) + O2 → NO(g) + H2O(g) (R = -139.983) 2.C.124.5 kJ → N2O(g).05 Kcal H2(g) + 1/2 O2(g) → H2O(g) ∆Hf = -57. Hºf CO2(g) = -393. 6.831) Na + H2O → NaOH(s) + H2(g) (R = -340.12604. Hºf H2O(l) = .13. Un investigador cree que ha desarrollado un nuevo catalizador con el cual la reacción en fase gaseosa CO2 + 4H2 → 2 H2O + CH4 Se verifica con un rendimiento de 100%.49556.80 Kcal R = -20. Dato: Hºf Ag2O(s) = .748 KJ) .2KJ) 3. Calcule el ∆Hf º del CH4(g) de acuerdo a la siguiente reacción: C(s) + 2 H2(g) → CH4(g) ∆Hf º = X sabiendo que: CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) ∆Hº = -191. (Rta= -27.13. Dada la reacción: 2Ag2O(s) → 4Ag(s) + O2(g) Calcula el calor desprendido o absorbido cuando se descomponen 45 g de óxido de plata a 25 ºC.285.8.285. Hºf CO2(g) = -393.30.7 Kcal C(s) + O2(g) → CO2(g) ∆Hf = -97.46´2 KJ (Rta= 40.945 KJ) 4.7.∆Hreact ∆Hºr= calor reacción estandar ∆Hprod = ∫ nCp dT ∆Hreact = ∫ nCp dT . Hºf H2O(l) = . TERMOQUIMICA: CALORES DE REACCION 1. Calcula el calor de combustión de 250 g de propano teniendo en cuenta los siguientes datos: Hºf C3H8(g) = .8 KJ/mol (Rta= .641 Kcal) ∆Hr a T = ∆Hºr + ∆Hprod . Determinar el calor que debe suministrarse o eliminarse si los materiales entran y salen a 500°C. Dato: Hºf NH3(g) = .8 KJ/mol (Rta= . Dada la reacción: ½ N2(g) + 3/2 H2(g) → NH3(g) Calcula el calor desprendido o absorbido cuando se forman 15 g de amoniaco a 25 ºC. . 84 kJ de calor y produce CO2(g) y H2O(g).A. Dada la ecuación termoquímica: CaC2(s) + 2 H2O(g) ∆Hº =-127.00 g de C6H6(l) en O2(g) libera 41.98 atm.2 kJ ∆Hf º H2O(g) = -241.277 dm3 1.082 atm・dm3・K-1・mol-1 (P. Escriba la ecuación termoquímica y determine el calor para la reacción de un mol de C6H6(l).7 kJ →C2H2(g) + Ca(OH)2(s) . En la fermentación alcohólica de la glucosa se obtiene etanol y dioxido de carbono. La combustión de 1. 10.8.Cuantos decímetros cúbicos de dióxido de carbono.7 kJ/mol Ca(OH)2(s) = -986. La ecuación química correspondiente es: C6H12O6 (s) → 2 CO2 (g) + 2 CH3-CH2OH (l) a) Calcule la ΔHo de esta reacción. medidos a 25 oC y 0. Set.8 kJ/mol C2H2(g) = 226.U. R = -3268 kJ 1. 09) Rta. se podrían obtener en la fermentación de 1 kg de glucosa? Datos: Entalpias estándar de combustión: C6H12O6 (s) = -2 813 kJ/mol. CH3-CH2OH (l) = -1 371 kJ/mol R = 0.: a) ΔH = -716 kJ/mol b) V = 0.2 kJ/mol Calcule el ∆Hfº del CaC2(s) R = -148. b) .