GUIOVANNY ANDRES BARRERA SANCHEZ

INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA
UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA
1
1.1
CONCEPTOS DE ENERGIA
INTRODUCCIÓN
La energía es uno de los dos únicos constituyentes del
universo. En ingeniería química, utilizamos la energía para
transformar la materia como también gracias a la materia
obtenemos energía. Es importante conocer todos los
conceptos de la misma, sus fuentes y como ésta se
desenvuelve en nuestro medio. Por esta razón este
documento nos permitirá conocer diversos conceptos
básicos de la Energía.
1.2
ENERGIA
La energía, comúnmente la definimos como:
“la capacidad que tienen las maquinas, los sistemas o el
hombre para realizar un trabajo”.
Pero la verdad los científicos no han podido definirla
fielmente, por lo tanto solo nos queda estudiar sus
propiedades.
En el sistema internacional, las unidades para la energía
son el joule (J).
1 joule  1N .m  1
kg.m2
s2
PROPIEDADES:
1. Se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al
elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo.
2. Se manifiesta también en los cambios químicos, como al
quemar un trozo de madera o en la descomposición de
agua mediante la corriente eléctrica.
En el S.l., las unidades para la energía son el joule
(1J=1kg*m2*s–2). Originalmente la caloría fue definida
como una cantidad de energía para elevar la temperatura
de un gramo de agua en un grado centígrado. Pero la
energía depende del grado de temperatura en que se halla
el agua, por lo tanto es necesario definirla en función del
joule.
1 caloría= 4,184 joule
1.2.1
FORMAS DE ENERGIA
En el análisis termodinámico, con frecuencia es útil
considerar en dos grupos las diversas formas de energía
que conforman la energía total de un
Microscópicas y microscópicas.
sistema:
Las formas de energía macroscópicas son las que un
sistema posee como un todo en relación con cierto marco
de referencia exterior, como la energía cinética y
potencial.
Las formas de energía microscópicas, se relacionan con la
estructura molecular de un sistema y el grado de su
actividad molecular, independientes de los marcos de
referencia externos. A la suma de todas las formas de
energía microscópicas se denomina energía interna de un
sistema y se denomina con una (U).
Energía cinética: La Energía cinética
1
es la energía asociada a los cuerpos
Ec

mv 2
que se encuentran en movimiento,
2
depende de la masa y de la
velocidad del cuerpo. Ej.: El viento al mover las aspas de un
molino.
La energía cinética, Ec, se mide en joules (J), la masa, m se
mide en kilogramos (kg) y la velocidad, v, en
metros/segundo (m/s).
Energía Potencial: La Energía
potencial es la energía que tiene
un cuerpo situado a una
determinada altura sobre el suelo. Ej.: El agua embalsada,
que se manifiesta al caer y mover la hélice de una turbina.
Ep  mgh
La energía potencial, Ep, se mide en joules (J), la masa, m
se mide en kilogramos (kg), la aceleración de la gravedad,
g, (m/s 2) y la altura, h, en metros (m).
Energía Interna: La energía interna se define como la suma
de todas las formas de energía microscópica de un
sistema. Se relaciona con la estructura y el grado de
actividad molecular y puede verse como la suma de las
energías cinética y potencial de las moléculas.
En general las moléculas individuales de un sistema, se
moverán por él con cierta velocidad, vibraran unas entorno
de otras y rotaran alrededor de un eje durante su
movimiento aleatorio. Asociadas con estos movimientos se
encuentran las energías cinéticas, transnacional, rotacional
y vibracional, y suma constituye la energía cinética de la
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molécula. La porción de energía interna de un sistema
asociada con la energía cinética de las moléculas se llama
energía o Calor sensible.
La luz visible es solamente una parte muy pequeña del
espectro electromagnético que cubre desde las (muy bajas
en energía) ondas de radio hasta las (muy alta energía) de
los rayos X y rayos gamma.
La velocidad promedio y el grado de actividad de las
moléculas son proporcionales a la temperatura del gas. De
modo que las temperaturas más elevadas, las moléculas
poseerán energías cinéticas mayores y como consecuencia
el sistema tendrá una energía interna más alta.
La energía interna también se asocia con las fuerzas
intermoleculares de un sistema. Estas son las fuerzas que
unen a las moléculas entre sí, son más intensas en lo
sólidos y más débiles en los gases. Si se agrega suficiente
energía a las moléculas de un sólido o de un líquido,
superarán las fuerzas intermoleculares y se alejarán,
convirtiendo al sistema en un gas. Este es un proceso de
cambio de fase. Debido a esta energía agregada, un
sistema en la fase gaseosa se encuentra a un nivel de
energía más alta que el correspondiente a la fase sólida o a
la líquida. La energía interna asociada con la fase de un
sistema recibe el nombre de Energía o calor latente.
La energía interna asociada con los enlaces atómicos en
una molécula se llama energía química. Durante una
reacción química algunos enlaces químicos se destruyen
mientras otros se forman. Como resultado la energía
interna cambia.
También se debe mencionar la gran cantidad de energía
interna asociada con los enlaces dentro del núcleo del
propio átomo. Estas energías se denominan nucleares y se
libera durante las reacciones nucleares.
La radiación infrarroja (IR) no puede verse pero puede
percibirse como calor y puede detectarse con un
termómetro estas ondas tienen grandes longitudes de
ondas lo que las hacen poco energéticas. En cambio, La
radiación ultra-violeta (UV) posee longitudes de onda más
cortas por lo tanto posee más energía lo que la hace
peligrosa para los tejidos.
Energía Calórica (calor): La energía calórica es la energía
que se transmiten dos cuerpos (u objetos) en contacto,
debido a la diferencia entre sus temperaturas.
1.2.3
1.2.2
Otros formas de energías
Energía radiante: La Energía radiante es la que poseen las
ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de
radio, los rayos ultravioleta (UV), los rayos infrarrojo (IR),
etc. La característica principal de esta energía es que se
puede propagar en el vacío, sin necesidad de soporte
material alguno. Ej: La energía que proporciona el Sol y que
nos llega a la Tierra en forma de luz y calor.
En donde: E  hv  h
C

h= constante de Planck =6.62x10-27
C=velocidad de la luz
λ=longitud de onda
v= frecuencia
Fuentes de energía
Energía Solar: Es la energía que llega a la Tierra
proveniente de la estrella más cercana a nuestro planeta:
El Sol. Esta energía abarca un amplio espectro de Radiación
Electromagnética, donde la luz solar es la parte visible de
tal espectro. La energía solar es generada por la llamada
Fusión Nuclear que es la fuente de vida de todas las
estrellas del Universo.
Energía Geotérmica: Energía contenida también en el
interior de la Tierra en forma de gases. Al ser extraída se
presenta en forma de gases de alta temperatura
(fumarolas), en forma de vapor y agua hirviendo (géiser) y
en forma de agua caliente (fuentes termales).
Ejemplos: Las fuentes Termales, los Géiser.
Energía eólica: Esta energía es producida por los vientos
generados en la atmósfera terrestre. Se puede transformar
en energía eléctrica mediante el uso de turbinas eólicas
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que basan su funcionamiento en el giro de aspas movidas
por los vientos. Bajo el mismo principio se puede utilizar
como mecanismo de extracción de aguas subterráneas o
de ciertos tipos de molinos para la agricultura.
Energía Hidráulica: Energía que se obtiene de la caída del
agua desde cierta altura a un nivel inferior lo que provoca
el movimiento de ruedas hidráulicas o turbinas.
Energía Mareomotriz: Es la energía obtenida del
movimiento de las mareas y las olas del mar. El
Movimiento de mareas es generado por la interacción
gravitatoria entre la Tierra y la Luna. Tal movimiento se
utiliza para traspasar energía cinética a generadores de
electricidad. La gran dificultad para la obtención de este
tipo de energía es su alto costo y el establecimiento de un
lugar apto geográficamente para confinar grandes masas
de agua en recintos naturales. Ejemplos: Las olas. Las
mareas.
Energía Nuclear: El núcleo o centro de un átomo es la
fuente de la energía nuclear. Cuando el núcleo se parte, se
libera energía nuclear en forma de energía calórica y
lumínica. También se libera energía nuclear cuando
núcleos livianos chocan a altas velocidades y se fusionan.
La energía del sol se produce a partir de una reacción de
fusión nuclear en la cual núcleos de Hidrógeno se fusionan
formando núcleos de Helio. La energía nuclear es la forma
de energía más concentrada.
1.3
EQUIVALENCIA DE LA ENERGÍA Y MATERIA
La teoría de la relatividad de Einstein demuestra como la
masa y la energía son equivalentes, así:
Donde:
E=m.C2  joule
m=masa,
C=velocidad de la luz = 300000 km/s (3x108 m/s)
En un proceso, un cambio de energía va siempre
acompañado por un cambio de masa y la constante que los
relaciona es el cuadrado de la velocidad de la luz. Si
conocemos la masa, podemos calcular la energía de una
reacción nuclear.
Ejemplo: Cuantos gramos de materia deben desintegrase
para producir 7x106 kilocalorias?
7x106 kcal *
 kg * m2 
1000cal 4.184 j
*
 2.93x1010 j  2.93x1010  2 
1kcal
1cal
 s 
 kg * m2 
E  m * C 2  2.93x1010  2 
 s 
 kg * m2 
2.93x1010  2 
 s   3.25 x107 kg  3.25 x104 g
m
 
 
2

8 m
 3x10  s  
 

1.4
FLUJO DE ENERGIA
Para un sistema cerrado, el intercambio de energía sólo
puede ocurrir por dos formas: calor y trabajo. Estas
representan la energía ganada o perdida por éste durante
un proceso térmico el sistema y sus alrededores.
1.5
TRABAJO
Trabajo mecánico: El trabajo mecánico ocurre cuando una
fuerza que actúa sobre el sistema lo mueve a través de una
distancia. Tal como en mecánica este trabajo se define por
la integral:
W = F.l
Donde F es la componente de la fuerza que actúa en la
dirección del desplazamiento dl. En la forma diferencial
esta ecuación se escribe:
dW = Fdl
Donde dW representa una cantidad diferencial de trabajo.
Trabajo PV: En termodinámica, cuando un sistema sufre
una transformación, este puede provocar cambios en su
entorno. Si tales cambios implican variación de las fuerzas
que ejerce el entorno sobre el sistema, o más
precisamente sobre la frontera entre el sistema y el
entorno, entonces ha habido producción de trabajo.
El tipo de trabajo que se
asocia a las reacciones
químicas es el trabajo de
presión-volumen. Este es el
trabajo de expansión o
compresión de los gases.
El gas está confinado en su volumen inicial por dos pesas,
cada una de las cuales tienen una masa (m). Cuando se
elimina una de las pesa, la otra pesa se eleva una distancia
(h).
La parte de “presión” en el trabajo de presión-volumen es
simplemente la presión ejercida por la pesa que queda
sobre el pistón:
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P
F
A
Pero también podemos escribir esta expresión como:
F=PxA.
Ahora solo se realiza trabajo cuando actúa una fuerza a lo
largo de una distancia. La fuerza ejercida por el gas cuando
se expande actúa sobre una distancia (h)
trabajo(W )  fuerza( F ) xdistancia(h)  PxAxh
si, V  Axh
entonces :
W  PV  J 
estado 2
W

F .ds
No se considera el calor que se almacena en un sistema.
Cuando se le agrega energía en forma de calor a un
sistema se almacena como energía cinética y potencial de
las partículas microscópicas que lo integran.
Por convención se considera que el calor hacia el sistema
es positivo y el calor emitido del sistema es negativo.
Las unidades de calor son las de trabajo y energía. Pero
también puedo expresar el calor en formas:
Q
kJ
𝑞̂ = 𝑄/𝑚 kJ/kg
𝑞̇ = 𝑄/𝑡
kJ/s, potencia kW
estado1
Por convención se considera que el trabajo realizado por el
sistema es negativo y el trabajo efectuado sobre el sistema
es positivo.
1.6
CALOR
Es la energía que se intercambia entre
un sistema y sus alrededores como
resultado de una diferencia de
temperaturas. La energía, en forma de
calor, pasa desde el cuerpo más caliente
(con mayor temperatura) hasta el cuerpo mas frió (menor
temperatura).
A nivel molecular, las moléculas del cuerpo más caliente
ceden energía cinética a través de colisiones a las
moléculas de cuerpo más frió. La energía térmica se
trasfiere, es decir el calor fluye hasta que se igualan los
valores medios de las energía cinéticas moleculares de los
dos cuerpos, hasta que las temperaturas se igualan.
1.6.1
Transferencia de calor:
Proceso adiabático: Un proceso durante la cual no hay
transferencia térmica se denomina proceso adiabático.
Existen dos formas en la que un proceso puede ser
adiabático:
 El sistema está bien aislado
 El sistema como alrededores tienen la misma
temperatura y por ello no hay fuerza motriz
(diferencia de temperatura) para la transferencia
de calor.
Conducción: Es la transferencia de energía de partículas
más energéticas de una sustancia a las adyacentes menos
energéticas.
Gases y líquidos: gracias a los colisiones entre las
moléculas durante su movimiento aleatorio.
Sólidos: se debe a la combinación de vibraciones de las
moléculas de una estructura y a la energía transportada
por los electrones libres.
Ley de Fourier: Tasa de conducción de calor

QConducción  Kt * A *
T
(W)
X
En donde:
Q=flujo de calor [W]
Kt: Conductividad térmica [W/m*ºC]
A=área de flujo de calor [m2]
ΔT=diferencia de temperatura Tmayor –Tmenorl [ºC]
ΔX=Distancia recorrida flujo de calor [m]
La energía contenida en un sistema es energía interna. El
calor es simplemente una posible forma de transferir una
cantidad de energía a través de las fronteras que separan
al sistema y sus alrededores.
Las conductividades térmicas de diversos materiales en
W/(m•K):
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Material
Kt
Material
Kt
Material
Kt
Acero
47-58
Corcho
Agua
Aire
0,58
0,02
Mica
Níquel
0,35
52,3
Alcohol
Alpaca
0,16
29,1
Estaño
64,0
Fibra
de 0,03-0,07
vidrio
Glicerina
0,29
Hierro
80,2
Oro
Parafina
308,2
0,21
Ladrillo
Plata
Aluminio 209,3
0,03-0,04 Mercurio 83,7
Amianto 0,04
0,47-1,05 Plomo
Bronce
Ladrillo
refractario
116-186 Latón
406,1418,7
35,0
81-116
Vidrio
0,6-1,0
Zinc
106-140 Litio
301,2
Cobre
Madera
0,13
0,8
Tierra
húmeda
0,80
372,1385,2
Diamante 2300
Convección: es el modo de transferencia de energía entre
una superficie sólida y un líquido o gas adyacente que está
en movimiento. La convección es una combinación de la
conducción y el movimiento de los fluidos.
La convección ocurre siempre que una superficie está en
contacto con un fluido que tiene una temperatura
diferente a la de la superficie.
𝑄̇𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = ℎ ∗ 𝐴 ∗ (𝑇𝑠 − 𝑇𝑖𝑛𝑓 )
En donde:
Q=flujo de calor [W]
h: coeficiente convectivo [W/m2*ºC]
A=área de flujo de calor [m2]
Ts=temperatura superficie [ºC]
Tinf=temperatura del fluido [ºC]
1.6.2
Capacidad calorífica-calor especifico
Energía necesaria para aumentar en un grado la
temperatura de un cuerpo. Sus unidades son J*K-1 o J*ºC-1.
Si un cuerpo intercambia cierta cantidad de energía
térmica Q y se produce un incremento de temperatura ΔT,
la relación entre ambas magnitudes es: Q = Cc·ΔT donde Cc
es la capacidad calorífica del cuerpo. Aumentar o disminuir
la temperatura de un gas encerrado en un recipiente se
puede realizar a volumen o a presión constante, por lo que
en el caso de las sustancias gaseosas se habla de capacidad
calorífica a volumen constante, Ccv, y de capacidad
calorífica a presión constante, Ccp.
La capacidad calorífica de un cuerpo es proporcional a la
cantidad de masa presente: Cc= m*cp La constante cp (J*K1*kg-1 o J*ºC-1*kg-1) se denomina “capacidad calorífica
específica” o, más comúnmente, calor específico y sólo
depende del tipo de sustancia de que se trate, pero no de
su cantidad. Es la energía necesaria para elevar en un
grado la temperatura de un kilogramo de una sustancia.
Entonces, la cantidad de energía térmica transferida será
igual:
𝑄 = 𝑚 ∗ 𝑐𝑝 ∗ ∆𝑇
Igualmente se puede utilizar el concepto de capacidad
calorífica molar, que se define como la energía necesaria
para elevar en un grado la temperatura de un mol de
sustancia. Ccm [J*K-1*kg-mol-1].
Capacidad calorífica
Calor especifico (capacidad calórica
especifica)
Cc
Cp
J*K-1
J*K-1*kg-1
Convección libre: el movimiento de los fluidos es por
fuerzas naturales, simplemente por la diferencia de
densidades Por ejemplo: al calentar agua hasta ebullición.
H(aire conv libre )=5-15 W/m2*ºC
Por ejemplo: El calor especifico del agua en 4.184 J/g*ºC =
1cal/g*ºC, entonces la capacidad calorífica de 1000 g de
agua es:
Cc =m*Cp=1000 g * 4.184 J/g*ºC = 4180J/ºC
Convección forzada: cuando existe una fuerza externa que
haga que los fluidos se muevan.
H(aire conv forzada)=15-300 W/m2*ºC
H(agua conv forzada)=300-12000 W/m2*ºC
H(aceite conv forzada)=50-300 W/m2*ºC
Ejemplo: El vidrio de una ventana se encuentra a 45º C y
su área es 1.2 m2 . Si la temperatura del aire exterior es
25º C, calcular la energía que se pierde por convección
cada segundo. Considerar h = 4 W/(m2 K).
Lo que quiere decir, que la muestra absorbe 4.180 kJ por
cada grado de aumento en la temperatura.
Solución: Los datos son: Ts = 45º C = 318K, Tf = 20º C =
293K, A = 1.2 m2.
Usando la ley de enfriamiento de Newton:
Q = h A (Ts – Tf) = 4 W/(m2 K )* 1,2 m2 (318-293)K = 120 W
Ejemplo: 9.1 (Tomado de la Briceño)
El calor absorbido por una muestra de 1000 gramos de
agua al calentarse de 20ºC a 25ºC es:
^
^
q  m * Cp* T  m * Cp*(T2  T1 )
q  1000 g *4.184
1.6.3
 joule
J
*  25  20  º C  20,90kJ
g*º C
Calor sensible y calor latente
En la transferencia de energía calórica se presentan
principalmente dos situaciones, una simple elevación o
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disminución de la temperatura como también una cambio
en el estado de la materia.
Durante las transiciones de fase, de la fase sólida a la
líquida y de la fase líquida a la gaseosa, y en sentido
opuesto, ocurren grandes cambios en el valor de la
entalpía (H=U+PV), los llamados cambios de calor latente.
En el caso de una sola fase, la entalpía varía en función de
la temperatura, los llamados cambios de calor sensible.
Los cambios de entalpía para las transiciones de fase se
denominan calor de fusión (para la fusión) y calor de
vaporización
(para la evaporación). El
calor de
condensación es el negativo del calor de vaporización, y el
calor de sublimación es el cambio de entalpía de la
transición directa de sólido a vapor.
Temperatura(ºC)
220
G
170
120
Calor latente
70
L
20
Calor sensible
S
-30
0
62.7
396.7
815
3076
3500
Energía(J)
El calor sensible: es el calor transferido a una cierta
cantidad de masa, con el cual se obtiene un cambio en la
temperatura (aumento de la movilidad molecular). Se
define:
𝑄𝑠 = 𝑚 ∗ 𝑐𝑝 ∗ ∆𝑇
En donde: Qs =calor transferido [Julio]
M=masa [kg]
Cp=calor especifico [J*ºC-1*kg-1]
ΔT=cambio de temperatura [ºC]
Cpaguasol=2,090/kg*ºC
Cpagualiq=4,184 kJ/kg*ºC
Cpaguavap=2,08 kJ/kg*ºC
Cpetanol=2,26 kJ/kg*ºC
Cpacido acético=2,03 kJ/kg*ºC
Cphierro=0,46 kJ/kg*ºC
El calor latente: Es el calor transferido a una cierta
cantidad de materia, con el cual se produce un cambio de
fase (afecta las fuerzas intermoleculares). Por la tanto
existe un calor latente de fusión y un calor latente de
evaporización. Se define:
𝑄𝑙 = 𝑚 ∗ 𝜆
En donde: ql =calor transferido [Julio]
M=masa [kg]
λ=calor de latente especifico [J/kg]
λ calor latente especifico fusión agua=333,9 kJ/kg
λ calor latente especifico evaporización agua=2257 kJ/kg
λ evaporización(acido acético)=395 kJ/kg
Ejemplo: Determinar la energía en forma de calor que hay
que suministrar para convertir 1kg de hielo a -20 ºC en
vapor a 100ºC.
1. Se eleva la temperatura de 1kg de agua solida de -20ºC
(253 K) a 0ºC (273 K)
Q1=1kg*2,090 kJ/kg*ºC (0ºC-(-20ºC))=41.8 kJ
2. Se funde el hielo a 0ºC
Q2=1kg*334kJ/kg=334 kJ
3. Se eleva la temperatura del agua de 0º C (273 K) a 100
ºC (373 K)
Q3=1kg*·4,180*(100ºC-0ºC)=418 kJ
4. Se evapora el agua a 100ºC
Q4=1kg*2257kJ/kg=2257 kJ
El calor total Q=Q1+Q2+Q3+Q4=3050.8 KJ.
Ejercicios:
 La densidad de una sustancia es 4g/cm3. si al
desintegrase produce1.8x1015 joule. Cuál es su
volumen?
 Calcule la cantidad de materia que debe desintegrarse
para calentar 8 m3 de agua, de 17ºC a 87ºC. (Densidad
del agua 1g/cm3).
 Cuantos litros de agua a 15ºC se pueden calentar hasta
ebullición (100ºC) con la energía producida al
desintegrarse 18 microgramos de materia?
 Calcule la cantidad de energía calórica obtenida al
desintegrarse 0.6 mg de materia. De la respuesta en
julios y kilocalorías.
 Cuantos bombillos de 100 W cada uno pueden
encenderse durante 30 días, 12 horas diarias con la
energía liberada al desintegrarse un cilindro de 0.06 cm
de diámetro y 4 mm de altura y densidad 4.5 g/cm3.
 Calcular la energía necesaria para calentar 5 toneladas
de agua de 50ºC a 83ºC.
 Calcular la energía que hay que retirar a 3,5 m 3 de agua
para enfriarla de 60ºC a 4ºC.
 Calcular la energía necesaria para llevar 1 kg de agua
líquida de 25ºC a estado vapor con una temperatura de
150ºC.
1.7
BIBLIOGRAFÍA
 Abbott, M.M., Vanness, H.C., Termodinámica, 2a.Ed,
México, McGraw-Hill, 1991.
 FELDER Richard M, Principios elementales de los
procesos químicos, Mexico, Limusa Wiley, 2004.
 PERRY, R.H,
McGraw–Hill.
Manual del Ingeniero Químico, Ed.