Читать книгу Tecnologías limpias y medio ambiente en el sector industrial peruano - Arístides Sotomayor - Страница 14

Las ganancias en cualquier empresa pueden verse afectadas por un mal uso de la energía. En el pasado, el costo de la energía resultaba insignificante en comparación con el costo total de las operaciones de la empresa; sin embargo, en la actualidad, debido al incremento del costo del gas natural y del petróleo, se hace inevitable no considerarlo. Por lo tanto, la competitividad de una empresa se ve afectada por un uso indebido de este recurso (Felder y Rousseau, 2005).

Existen tres tipos de energía que no pueden ser transferidas: la energía cinética (E_c), la energía potencial (E_p) y la energía interna (U). La primera se refiere a la energía relativa al movimiento del sistema con respecto a un punto de referencia; la segunda, a la posición del sistema en un campo potencial; y la tercera, a toda la energía que posee el sistema y es generada por la interacción electromagnética de las moléculas de un cuerpo. En cambio, las formas de energía transferibles que fluyen entre el sistema y sus alrededores son el calor (Q) y el trabajo (W). El calor fluye de mayor a menor temperatura; se define como positivo cuando es transferido al sistema, y como negativo, en caso contrario. El trabajo es la energía que fluye en función de una fuerza, un torque o una diferencia de potencial; se considera positivo cuando es realizado por el sistema y negativo cuando se ejecuta sobre él.

Según la primera ley de la termodinámica, la energía no puede ser creada ni destruida, solo transformada; vale decir que la acumulación de energía en un sistema, tal como se muestra en la siguiente ecuación, es igual a la entrada y generación menos la salida y el consumo.

A = (E + G) – (S + C)

Donde:

A: acumulación de energía en el sistema

E: entradas de energía a través de las fronteras del sistema

G: generación de energía dentro del sistema (reacciones exotérmicas)

S: salidas de energía a través de las fronteras del sistema

C: consumo de energía dentro del sistema (reacciones endotérmicas)

Esta ecuación está expresada según la energía que contiene el sistema (cinética, potencial e interna) en el momento inicial y final del análisis; asimismo, incluye la energía que sale o entra al sistema, ya sea en forma de calor o trabajo. Por lo tanto, la energía neta transferida del sistema se obtiene de la suma de las energías en los estados inicial y final del sistema:

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica, se puede expresar de la siguiente manera:

Las propiedades del material procesado pueden ser extensivas, cuando dependen de la masa, o intensivas, cuando no dependen de ella. El número de moles, el volumen, la energía potencial, cinética e interna son ejemplos de propiedades extensivas, mientras que la temperatura y la presión son buenos ejemplos de propiedades intensivas. Las propiedades específicas son medidas intensivas obtenidas a partir de dividir una propiedad extensiva entre la masa total o flujo másico total de la materia procesada. Por ejemplo, si el volumen de un líquido es de 1 m³ y su masa es de 800 kg, el volumen específico sería 1,25 m³/kg; se procede de igual manera si se tiene un flujo másico de 300 kg/min y un flujo volumétrico de 600 m³/min, el volumen específico sería de 2 m³/kg de líquido. Para representar estas propiedades se emplean letras minúsculas, tal como se muestra a continuación:

Donde:

m: masa (kg)

U: energía interna (J)

u: energía interna específica (J/kg)

V: volumen (m³)

v: volumen específico (m³/kg)

H: entalpía (J)

h: entalpía específica (J/kg)

En los balances de energía, se produce la entalpía específica, que es una magnitud termodinámica cuya relación es la siguiente:

h = u + Pv

Donde P es la presión total del sistema en pascales (Pa). Para un sistema abierto en estado estacionario, las entradas son iguales a las salidas. En la ecuación de energía neta, asumiendo que no hay energía potencial y cinética considerable, ni trabajo efectuado, el calor transferido se reduce a los cambios de entalpía.

Para sistemas abiertos, donde la presión es constante o varía en forma despreciable, las entalpías usualmente se calculan en función de las capacidades caloríficas (a presión constante) de las sustancias.

Donde m y n representan la masa y la cantidad de moles, respectivamente; c_P y son las capacidades caloríficas en kJ/kg•K y kJ/mol•K, respectivamente, las cuales son funciones de la temperatura, usualmente representadas por ecuaciones polinómicas del tipo c_P = a + bT + cT² + dT³, c_P = a + bT + cT^–2 o formas más complejas. En el caso particular del aire húmedo, agua y sólidos húmedos, así como de temperaturas bajas (menores a 100 °C), la influencia de la temperatura es despreciable, por lo que se pueden utilizar valores constantes de la capacidad calorífica en función de la temperatura, y calcular con ellos las entalpías específicas (tomando como referencia el agua líquida a T₀ = 0 °C).

Calor húmedo (kJ/kgaire seco • °C)	cs = 1,005 + 1,88H
Entalpía del aire (kJ/kgaire seco)	hG = cs(T ” T0) + 2501H
Entalpía del agua líquida (kJ/kg)	hA = cPA (T – T0)
Entalpía del sólido húmedo (kJ/kgsólido seco)	hs = (cPs + χcPA)(T – T0)

En estas equivalencias, H representa la humedad del aire (kg_agua/kg_{aire seco}); χ, la humedad del sólido (kg_agua/kg_{sólido seco}); c_Ps y c_PA, las capacidades caloríficas del sólido seco y del agua líquida, respectivamente (esta última es igual a 4,184 kJ/kg); 1,005 y 1,88 son los valores medios de las capacidades caloríficas del aire seco y el vapor de agua, en kJ/kg, respectivamente (integración entre 0 y 100 °C); finalmente, 2501 es el calor latente de evaporación del agua a 0 °C en kJ/kg.

Para procesos con reacción química, debe considerarse, además, la energía o entalpía de reacción, debido a que las moléculas requieren o ceden energía para cambiar su composición. Dependiendo de si las reacciones son exotérmicas o endotérmicas, el sistema cede o gana calor; así, la ecuación anterior se convierte en la siguiente:

Donde Δ_rH^° representa el cambio de entalpía de una reacción, calculado como la suma de las entalpías de los productos menos la suma de las entalpías de los reactantes (usando entalpías estándar de formación y moles de cada compuesto).

Donde:

Δ_rH^° : entalpía estándar de reacción (kJ)

n : cantidad de moles de cada sustancia (mol)

Δ_fH^° : entalpía estándar de formación (kJ/mol), a 25 °C, 1 atm

Los datos de los coeficientes de las ecuaciones de capacidad calorífica, entalpías de formación y entalpías de cambio de fase (calores latentes) se pueden encontrar en diversos textos y manuales de termodinámica como Felder y Rousseau (2005), Himmelblau y Riggs (2012), Green y Perry (2006), y Haynes (2016), así como en varias fuentes de internet, en particular el Chemistry WebBook del National Institute of Standards and Technology (NIST, s. f.).