libro energía y ambiente

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Qu provecho tiene el hombre de todo su trabajo con que se afana debajo del sol? Generacin va, y generacin viene; mas la tierra siempre permanece. Sale el sol, y se pone el sol, y se apresura a volver al lugar de donde se levanta. El viento tira hacia el sur, y rodea al norte; va girando de

continuo, y a sus giros vuelve el viento de nuevo. Los ros todos van al mar, y el mar no se llena; al lugar de donde los ros vinieron, all vuelven para correr de nuevo. Todas

las cosas son fatigosas ms de lo que el hombre puede expresar; nunca se sacia el ojo de ver, ni el odo de or. Qu es lo que fue? Lo mismo

que ser. Qu es lo que ha sido hecho? Lo mismo que se har; y nada hay nuevo debajo del sol.

Hay algo de que se pueda decir: He aqu esto es nuevo? Ya fue en los siglos que

nos han precedido.EclEsiasts 1: 3-10

A medida que se desarrollan y crecen las socieda-des, aumentan los requerimientos energticos y sus efectos ambientales. Esta circunstancia ha originado la necesidad de racionalizar el consumo y la bsqueda de nuevas formas de aprovechamiento de fuentes energti-cas que garanticen aplicaciones limpias, seguras y econmicas. En ambos casos se requiere tener conocimientos bsicos sobre energa, sus transformaciones y alternativas eficientes de apro-vechamiento. En todas las etapas que involucra la energa aprovechamiento y bsqueda de recur-sos energticos, generacin, transformacin, transporte y uso de energa se impacta el ambiente, para lo cual es necesario la formulacin de soluciones integradas de tipo ingenieril. Esta es la razn por la cual los ingenieros requieren conocer las diferentes fuentes energticas y los efectos am-bientales de sus aplicaciones, con el fin de plantear soluciones a los posibles problemas resultan-tes, as como la proposicin dinmica de procesos eficientes en el aprovechamiento de la energa.

Conscientes de la necesidad de utilizacin racional y eficiente de la energa, este texto presenta una primera forma de racionalidad, de posible, mediata y amplia implementacin: los diseos bio-climticos. Somos conscientes de la urgencia de tratar el tema de uso racional y uso eficiente de la energa, lo cual merece una nueva publicacin.

En consecuencia, esta obra presenta en cada captulo, generalidades, leyes y ecuaciones de clculo, las transformaciones en los balances de energa con el propsito de determinar el nivel de inciden-cia ambiental, y problemas asociados a la produccin y uso final de estas fuentes energticas. Con el fin de seleccionar las mejores alternativas, se describen las relaciones entre energa y sociedad, adems de conceptualizar y explicar el fundamento de la tecnologa, la evolucin y la situacin energtica actual. El contenido del libro es el resultado de los conocimientos, experiencias y parti-cularidades de cada autor.

ISBN: 978-958-761-596-8

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Judith Rodrguez SalcedoLuis Octavio Gonzlez SalcedoAndrs Felipe Rojas Gonzlez

Jairo Arcesio Palacios Pearanda

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Energa y Ambiente

Universidad Nacional de Colombia - Sede Palmira Facultad de Ingeniera y Administracin Grupo de Investigacin en Eficiencia Energtica y Energas Alternativas - GEAL

Judith Rodrguez Salcedo Luis Octavio Gonzlez Salcedo Andrs Felipe Rojas Gonzlez Jairo Arcesio Palacios Pearanda

Primera edicin, Palmira, 2013

ISBN: 978-958-761-596-8

Coordinacin EditorialJudith Rodrguez Salcedo

Raquel Vlez PeaIngeniera Ambiental

Ilustraciones:Sara B. Ibarra VargasDiseadora Industrial

Diagramacin:Impresora Feriva S.A.Calle 18 No. 3-33PBX: 524 [email protected], Colombia

"Prohibida la reproduccin total o parcial por cualquier medio sin la autorizacin escrita del titular de los derechos patrimoniales"

Impreso y hecho en Cali, Colombia

Energa y Ambiente / Judith Rodrguez Salcedo, Luis Octavio Gonzlez Salcedo, Andrs Felipe Rojas Gonzlez y Jairo Arcesio Palacios Pearanda - Santiago de Cali : Universidad Nacional, Sede Palmira, 2013. 380 p.: il. ; 22 cm. Incluye ndice. ISBN: 978-958-761-596-8 1. Sistemas energticos. 2. Equivalente energtico 3. Termodinmicaaplicada a los sistemas biolgicos. 4. Recursos energticos convencionales.5. Energa elctrica. 6. Energa de biomasa. 7. Fundamentos de energas alternas. 8. Construccin y ahorro energtico: Diseo bioclimtico.621.3 cd 21 ed.A1421091

CEP-Banco de la Repblica-Biblioteca Luis ngel Arango

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Qu provecho tiene el hombre de todo su trabajo con que se afana debajo del sol? Generacin va, y generacin viene; mas la tierra siempre permanece. Sale el sol, y se pone el sol, y se apresura a volver al lugar de donde se levanta. El viento tira hacia el sur, y rodea al norte; va girando de continuo, y a sus giros vuelve el viento de nuevo. Los ros todos van al mar, y el mar no se llena; al lugar de donde los ros vinieron, all vuelven para correr de nuevo. Todas las cosas son fatigosas ms de lo que el hombre puede expresar; nunca se sacia el ojo de ver, ni el odo de or. Qu es lo que fue? Lo mismo que ser. Qu es lo que ha sido hecho? Lo mismo que se har; y nada hay nuevo debajo del sol.

Hay algo de que se pueda decir: "He aqu esto es nuevo"? Ya fue en los siglos que nos han precedido.

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Sistemas Energticos

Los autores

Judith Rodrguez Salcedo, coordinadora del Grupo de Investigacin en Eficiencia Energtica y Energas Alternativas GEAL. Ingeniera Qumica de la Fundacin Uni-versitaria de Amrica. Especialista en Ecologa, Medio Ambiente y Desarrollo de la Universidad Incca de Colombia. Especialista y magster en Ingeniera Sanitaria y Ambiental de la Universidad del Valle. Profesora asociada adscrita al Departa-mento de Ingeniera de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Palmira. reas de actuacin: Termodinmica, Balances de Masa y Energa en Sistemas Producti-vos, Ingeniera, Principios y Aplicaciones del Petrleo y Gas Natural, Tecnologas de Transformacin de Biomasa, Agroindustria de los Biocombustibles, Eficiencia Energtica.

Luis Octavio Gonzlez Salcedo, Ingeniero Civil de la Universidad del Valle. MSc. Eng. de la Newport University (Newport Beach, CA, Estados Unidos). Doctor en Inge-niera de la Universidad del Valle. Profesor asociado adscrito al Departamento de Ingeniera de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Palmira. reas de actua-cin: Energas Alternativas, Construccin Rural y Diseo Bioclimtico.

Andrs Felipe Rojas Gonzlez, Ingeniero Qumico de la Universidad Nacional de Co-lombia, Sede Manizales. Magster en Ingeniera qumica y doctor en Ingeniera de la Universidad del Valle. Profesor asociado adscrito al Departamento de Ingeniera de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales. rea de actuacin: Car-boqumica y Procesos Industriales de la Ingeniera Qumica.

Jairo Arcesio Palacios Pearanda, director del Grupo de Investigacin en Conver-sin de Energa, Converga. Ingeniero Electricista de la Universidad del Valle. Espe-cialista en Uso Racional de Energa y doctor en Sistemas de Generacin Elctrica de la Universidad Politcnica de Madrid (Madrid, Espaa). Profesor titular adscrito a la Escuela de Ingeniera Elctrica y Electrnica de la Universidad del Valle. reas de actuacin: Mquinas Elctricas, Fuentes Alternas de Energa y Uso Racional de Energa.

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Contenido

Presentacin ............................................................................................................................................................................13Introduccin .............................................................................................................................................................................15Captulo 1sistEmas EnErgticos ................................................................................................................................................................17 1.1 Generalidades .....................................................................................................................................................17 1.2 Sistemas termodinmicos ..............................................................................................................................19 1.3 Formas de energa fundamentales .............................................................................................................20 1.3.1 Energa Interna (U) .............................................................................................................................20 1.3.2 Energa cintica (Ec) .........................................................................................................................21 1.3.3 Energa potencial (Ep) ......................................................................................................................21 1.3.4 Trabajo (W) ............................................................................................................................................21 1.3.5 Calor (Q) .................................................................................................................................................24 1.3.6 Capacidad calorfica (Cp) .................................................................................................................26 1.3.7 Calor especfico (Ce) ..........................................................................................................................27 1.3.8 Entalpa (H) ...........................................................................................................................................29 1.4 Transformaciones de energa aplicadas ....................................................................................................30 1.5 Termoqumica, calor de reaccin .................................................................................................................30 1.6 Metodologa para evaluar el balance de masa y energa de un sistema .......................................33 1.7 Formas de distribucin de la energa: Electricidad, fluidos de calentamiento y de enfriamiento .........................................................................................................37 1.8 Ejercicios resueltos ............................................................................................................................................40 1.9 Ejercicios propuestos .......................................................................................................................................46

Captulo 2 EquivalEntE EnErgtico .......................................................................................................................................................47 2.1 Generalidades .....................................................................................................................................................47 2.2 Clculos bsicos de ingeniera para expresar la composicin de mezclas y disoluciones ..............................................................................................................................50 2.3 Calor de combustin ........................................................................................................................................53 2.4 Definiciones utilizadas en las reacciones de combustin ..................................................................55 2.5 Anlisis de los productos de la combustin ............................................................................................58 2.6 Clculos bsicos en la reaccin de combustin .....................................................................................60 2.7 Ejemplos resueltos ............................................................................................................................................61 2.8 Equivalente energtico ...................................................................................................................................71 2.8.1 Sustitucin de combustibles: Caso de estudio ........................................................................72 2.8.2 Ejemplos resueltos .............................................................................................................................72 2.9 Ejercicios propuestos .......................................................................................................................................76

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Captulo 3tErmodinmica aplicada a los sistEmas biolgicos ..............................................................................................79 3.1 Generalidades .....................................................................................................................................................79 3.2 Propiedades fisicoqumicas y termodinmicas del agua ....................................................................79 3.3 Propiedades coligativas de las soluciones ...............................................................................................84 3.3.1 Descenso de la presin de vapor del solvente ........................................................................84 3.3.2 Aumento del punto de ebullicin ................................................................................................85 3.3.3 Descenso del punto de congelacin de las soluciones ........................................................87 3.3.4 smosis y presin osmtica ...........................................................................................................88 3.4 Solubilidad de gases en lquidos .................................................................................................................89 3.5 La importancia del CO2 ......................................................................................................................................................................................93 3.6 Ejercicios resueltos ............................................................................................................................................96 3.7 Ejercicios propuestos .....................................................................................................................................104

Captulo 4rEcursos EnErgticos convEncionalEs ......................................................................................................................107 4.1 El carbn .............................................................................................................................................................107 4.1.1 Composicin del carbn ................................................................................................................108 4.1.2 Clasificacin del carbn .................................................................................................................111 4.1.3 Caracterizacin del carbn ...........................................................................................................114 4.1.4 Reservas mundiales y nacionales de carbn .........................................................................120 4.1.5 Explotacin y transporte ...............................................................................................................122 4.1.6 Pretratamiento...................................................................................................................................124 4.1.7 Procesos de transformacin ........................................................................................................125 4.1.8 Generacin de energa ..................................................................................................................128 4.1.9 Carbn y ambiente ..........................................................................................................................129 4.1.10 Ejercicio resuelto ...............................................................................................................................132 4.2 El petrleo ..........................................................................................................................................................135 4.2.1 Formacin ...........................................................................................................................................136 4.2.2 Composicin ......................................................................................................................................137 4.2.3 Reservas de petrleo y de gas natural ......................................................................................137 4.2.4 Exploracin .........................................................................................................................................139 4.2.5 Perforacin ..........................................................................................................................................139 4.2.6 Produccin ..........................................................................................................................................143 4.2.7 Transporte por oleoductos ...........................................................................................................148 4.2.8 Refinacin ............................................................................................................................................148 4.2.9 Transporte de hidrocarburos refinados ....................................................................................151 4.3 Gas natural .........................................................................................................................................................155 4.3.1 Tratamiento de gas natural ...........................................................................................................157 4.3.2 Transporte de gas natural ..............................................................................................................160 4.4 Medio ambiente, petrleo y gas natural .................................................................................................163 4.4.1 Efectos ambientales de los derrames ........................................................................................162 4.4.2 Origen de las aguas aceitosas ......................................................................................................163 4.4.3 Etapas en el tratamiento de aguas residuales aceitosas ....................................................164 4.4.4 Control de derrames ........................................................................................................................167

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Captulo 5EnErga Elctrica .................................................................................................................................................................175 5.1 Generalidades ...................................................................................................................................................175 5.2 Principios de conversin de energa electromecnica ......................................................................177 5.3 Mquina elctrica ........................................................................................................................... 184 5.4 Principios generales de las mquinas elctricas ..................................................................................186 5.5 Conversin electromecnica de energa ................................................................................................189 5.6 Transformadores elctricos ..........................................................................................................................189 5.7 Generadores elctricos ..................................................................................................................................194 5.8 Motores ...............................................................................................................................................................197 5.9 Generacin hidrulica ....................................................................................................................................200 5.9.1 Centrales hidroelctricas ....................................................................................................................206 5.9.2 Impacto ambiental de la generacin hidroelctrica ................................................................213 5.10 Ejercicio resuelto ......................................................................................................................................214 5.11 Generacin termoelctrica ...................................................................................................................216 5.11.1 Mquina trmica ...............................................................................................................................216 5.11.1.1 Central termoelctrica ....................................................................................................218 5.11.1.2 Planta elctrica ..................................................................................................................222 5.11.1.3 Termoelctricas de ciclo combinado ........................................................................222 5.12 Generacin elctrica en Colombia ...........................................................................................................223 5.12.1 Distribucin de la capacidad efectivo neta en Colombia ..................................................226 5.12.2 Estructura del mercado ..................................................................................................................226

Captulo 6EnErga dE biomasa .............................................................................................................................................................227 6.1 Generalidades ...................................................................................................................................................227 6.2 Origen y caractersticas de la biomasa ....................................................................................................229 6.3 Transformaciones energticas en la biomasa .......................................................................................232 6.4 Tecnologas para el aprovechamiento energtico de la biomasa .................................................236 6.4.1 Procesos bioqumicos .....................................................................................................................237 6.4.1.1 Principios biolgicos ..........................................................................................................237 6.4.1.2 Transformaciones anaerbicas .......................................................................................240 6.4.1.3 Compostaje aerobio ..........................................................................................................244 6.4.1.4 Comparaciones de procesos biolgicos.....................................................................245 6.4.1.5 Fermentacin .......................................................................................................................246 6.4.2 Procesos termoqumicos ...............................................................................................................249 6.4.2.1 Combustin ..........................................................................................................................249 6.4.2.2 Incineracin ..........................................................................................................................250 6.4.2.3 Pirlisis ....................................................................................................................................252 6.4.2.4 Gasificacin ...........................................................................................................................254 6.4.3 Procesos fisicoqumicos .................................................................................................................256 6.5 Biocombustibles ..............................................................................................................................................260 6.5.1 Bioetanol ..............................................................................................................................................262 6.5.1.1 Materias primas para la produccin de etanol ........................................................264 6.5.1.2 Tecnologa de produccin de alcohol carburante ..................................................264 6.5.1.3 Tecnologas para la obtencin de monosacridos y disacridos fermentables .......................................................266

contEnido

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6.5.2 Biodisel y biofuel ............................................................................................................................268 6.5.2.1 Biodisel en el mundo ......................................................................................................269 6.5.2.2 Biodisel en Colombia ......................................................................................................271 6.5.2.3 Materias primas ...................................................................................................................276 6.5.2.4 Proceso productivo ............................................................................................................279 6.5.2.5 Indicadores de eficiencia msica y energtica .........................................................282 6.6 Ejercicio resuelto ..............................................................................................................................................283

Captulo 7FundamEntos dE EnErgas altErnas ............................................................................................................................289 7.1 Generalidades ...................................................................................................................................................289 7.2 Biodigestores ....................................................................................................................................................290 7.3 Energa solar ......................................................................................................................................................296 7.3.1 La conversin fotovoltaica .................................................................................................................297 7.3.2 La conversin fototrmica .................................................................................................................298 7.3.3 La climatizacin y la calefaccin de ambientes ........................................................................301 7.3.4 Sistemas de calefaccin solar ...........................................................................................................301 7.4 La energa elica ..............................................................................................................................................302 7.5 Pequeas centrales hidrulicas (PCH) ....................................................................................................305 7.6 La energa geotrmica ...................................................................................................................................306

Captulo 8construccin y ahorro EnErgtico: disEo bioclimtico .................................................................................307 8.1 Generalidades ...................................................................................................................................................307 8.2 La problemtica de la edificacin y la sostenibilidad del sector de la construccin en el contexto energtico ...............................................................................................307 8.3 La arquitectura bioclimtica ........................................................................................................................309 8.4 Definicin del ambiente cmodo y del clima local .............................................................................312 8.5 Evaluacin y diseo bioclimtico ..............................................................................................................316 8.6 La arquitectura solar, la construccin biolgica y la construccin solar biolgica ..................322 8.6.1 Captacin del sol ...................................................................................................................................324 8.6.2 Almacenamiento de calor ..................................................................................................................325 8.6.3 Distribucin de calor ............................................................................................................................325 8.6.4 Conservacin de calor .........................................................................................................................326 8.6.5 Tipologa de las edificaciones solares pasivas ............................................................................326 8.7 Propiedades energticas de los materiales ............................................................................................331 8.7.1 Clculo del aislamiento trmico ......................................................................................................333 8.8 Sombreado ........................................................................................................................................................336 8.9 Ventilacin .........................................................................................................................................................336 8.9.1 Clculo de la ventilacin .....................................................................................................................338Apndice ................................................................................................................................................................................. 341Bibliografa ............................................................................................................................................................................ 369

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Presentacin

A medida que se desarrollan y crecen las sociedades, aumentan los requerimien-tos energticos y sus efectos ambientales. Esta circunstancia ha originado la ne-cesidad de racionalizar el consumo y la bsqueda de nuevas formas de aprove-chamiento de fuentes energticas que garanticen aplicaciones limpias, seguras y econmicas. En ambos casos se requiere tener conocimientos bsicos sobre ener-ga, sus transformaciones y alternativas eficientes de aprovechamiento. En todas las etapas que involucra la energa aprovechamiento y bsqueda de recursos energticos, generacin, transformacin, transporte y uso de energa se impacta el ambiente, para lo cual es necesario la formulacin de soluciones integradas de tipo ingenieril. Esta es la razn por la cual los ingenieros requieren conocer las diferentes fuentes energticas y los efectos ambientales de sus aplicaciones, con el fin de plantear soluciones a los posibles problemas resultantes, as como la pro-posicin dinmica de procesos eficientes en el aprovechamiento de la energa.

El pregrado y posgrado en Ingeniera Ambiental, de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Palmira, ha incluido en sus componentes acadmicos las asig-naturas Energa y Ambientes, y Energa, Ambiente y Desarrollo, respectivamente. En un esfuerzo comn, un grupo de acadmicos profundamente interesados en diferentes facetas de la energa ha reunido en una publicacin sus conocimientos adquiridos a travs del estudio infatigable y de sus muchos aos de experiencia recopilada en los resultados de proyectos de investigacin, de extensin y de los trabajos finales de graduacin en diversas escolaridades. Se ha querido, entonces, brindar a los estudiantes, siguiendo el correspondiente slabo, un texto gua como material de apoyo y complemento para el curso de Energa y Ambiente y Energa, Ambiente y Desarrollo. El alcance de este texto tambin ayuda, como material de consulta, a profesionales relacionados con el tema. En la edicin del texto he-mos hecho lo posible para que las diferentes disciplinas y conocimientos de los autores lleven un lenguaje comn, pero es indudable que el lector encontrar en algunas ocasiones saltos temticos que no sern obstculo para abordar de forma encadenada la publicacin. Teniendo en cuenta que el estudio de la energa es muy extenso, esta primera publicacin del grupo de autores presenta en detalle los temas de fundamentacin de la energa y de las formas de energa convencio-nales, destacando el impacto de estas al ambiente como aportantes mayores de

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CO2. Este componente, base para formacin de biomasa, permite presentar en detalle los procesos de transformacin de biomasa, por tratarse de tecnologas con mediano grado de madurez en conocimiento e implementacin. Las formas alternas de energa como solar y elica se estudian de forma muy general, con la idea de un texto futuro especfico.

Conscientes de la necesidad de utilizacin racional y eficiente de la energa, este texto presenta una primera forma de racionalidad, de posible, mediata y amplia implementacin: los diseos bioclimticos. Somos conscientes de la urgencia de tratar el tema de uso racional y uso eficiente de la energa, lo cual merece una nueva publicacin.

En consecuencia, esta obra presenta en cada captulo, generalidades, leyes y ecuaciones de clculo, las transformaciones en los balances de energa con el propsito de determinar el nivel de incidencia ambiental, y problemas asociados a la produccin y uso final de estas fuentes energticas. Con el fin de seleccionar las mejores alternativas, se describen las relaciones entre energa y sociedad, ade-ms de conceptualizar y explicar el fundamento de la tecnologa, la evolucin y la situacin energtica actual. El contenido del libro es el resultado de los conoci-mientos, experiencias y particularidades de cada autor.

Los autores finalmente agradecen a la universidad por el apoyo para esta publi-cacin. Tambin se agradece a los profesores evaluadores, quienes realizaron una exhaustiva revisin del futuro libro haciendo una excelente crtica constructiva a partir de sugerencias y correcciones, que sin duda le han dado una forma co-herente al documento. De igual manera se extiende un agradecimiento especial al comit editorial por su apoyo en la revisin y recopilacin minuciosa de los contenidos.

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Introduccin

A lo largo de la historia el consumo de energa ha ido en aumento progresiva-mente debido a que sta es necesaria para llevar a cabo prcticamente cualquier actividad de las que realizamos habitualmente. Desde la Revolucin Industrial la sociedad mundial ha suplido sus necesidades energticas utilizando los com-bustibles fsiles (carbn, petrleo, gas) como fuente primordial; tanto as que no podramos imaginarnos el planeta sin este tipo de combustibles. Pero su uso des-mesurado y creciente durante tanto tiempo ha provocado efectos nocivos incluso para el ser humano. Por un lado, la contaminacin del aire que respiramos, con implicaciones para la salud, y por otro lado, el cambio climtico, el cual representa el problema ambiental ms importante de la historia moderna. Este grave proble-ma que afecta todo el planeta es consecuencia del aumento de la concentracin en la atmsfera de gases de efecto invernadero, entre ellos el CO2, proveniente de la quema de combustibles fsiles, que han modificado la temperatura promedio del planeta.

Frente a semejante problema, el ser humano y la sociedad en general deben apuntar hacia un uso mucho ms racional de la energa, y para ello se debe tener conocimiento fundamental de las fuentes energticas, su disponibilidad real, su sensibilidad ante el uso indiscriminado y los esquemas metodolgicos desde la ciencia y la tcnica en el manejo y sustitucin de recursos energticos. Esta mira-da colaborar a tomar conciencia de racionalidad en el consumo diario de energa tanto a nivel individual como global.

En el enfoque que presentamos se conduce al lector a reconocer el contexto ge-neral del tema especfico y luego se describe la fundamentacin terica propia de la formacin en ingeniera en cuanto a procesos de transformacin de la energa y las tcnicas en la elaboracin de balances de masa y energa en ellos. As mismo, se presentan ejercicios resueltos y ejercicios propuestos para la aplicacin am-biental de los conceptos y leyes en el manejo de la energa.

El presente libro comprende ocho captulos que abarcan los siguientes temas: i) Sistemas energticos, donde se exponen conceptos termodinmicos bsicos; ii) Equivalente energtico, presenta la metodologa paso a paso para realizar el

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proceso de caracterizacin y sustitucin de combustibles; iii) Termodinmica apli-cada a los sistemas biolgicos, con enfoque en el ciclo del agua; iv) Recursos energ-ticos convencionales, abordando el carbn, el petrleo y el gas natural; v) Energa elctrica, algunas definiciones fundamentales; vi) Energa de biomasa, con sus res-pectivas metodologas de aprovechamiento; vii) Fundamentos de energas alter-nas, mencionando sus principales caractersticas; y viii) finalmente Construccin y ahorro energtico: diseo bioclimtico, una mirada a la arquitectura sostenible.

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Captulo 1Sistemas energticos

Judith rodrguEz salcEdo

1.1 Generalidades

La palabra energa engloba un concepto que acompaa diariamente al ser humano. Es as como el gobier-no habla sobre polticas energticas, consumimos bebidas con cafena para obtener energa, utilizamos la energa en equipos de uso final para el funcionamiento de procesos, hay energa en productos fabricados como el azcar y el alcohol, transferimos energa generalmente en forma de calor en procesos de enfria-miento, etc. Con los ejemplos anteriormente dados observamos que la definicin puede ser deducida por cada uno de nosotros en la situacin especfica; sin embargo, en el avance del conocimiento, en la ciencia de la fsica, el concepto de energa se desarrolla progresivamente as: entendemos el concepto de veloci-dad, posteriormente entendemos el concepto de aceleracin, seguidamente se utiliza este trmino para definir el concepto de fuerza y de este modo se define que trabajo es una magnitud de energa obtenida como el producto de una fuerza sobre un cuerpo para desplazarlo una distancia. Finalmente en la ciencia de la fsica se intenta definir energa como la capacidad de producir trabajo. Sin embargo, esta definicin se queda corta para involucrar las diferentes formas de energa como el calor y la energa asociada a la po-sicin y movimiento de los sistemas.

La ciencia de la energa es la termodinmica. Esta ciencia acepta cinco formas de energa asociadas a i) po-sicin del sistema; ii) movimiento del sistema; iii) movimiento molecular en el sistema; iv) flujos de energa hacia o desde los sistemas como el calor y trabajo; v) energa asociada a las reacciones qumicas; principios bsicos que aplican ampliamente en todos los campos de desempeo del ser humano. La termodinmica para ingeniera, por ejemplo, es la parte de la ciencia que se caracteriza por dedicarse al diseo y anlisis de los sistemas para la conversin de energa.

La termodinmica es llamada con frecuencia la ciencia del calor y del trabajo. El concepto de energa fue introducido en el campo de la mecnica por Galileo Galilei (1564-1642). Sin embargo, dentro del sentido

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ms general con que se emplea la energa en termodinmica los primeros intentos de cuantificarla se vie-ron entorpecidos por la falta de entendimiento sobre el hecho de que la transferencia de calor y trabajo son formas diferentes de suministrar energa. Fue necesario medir la temperatura antes que se desarrollaran las ideas sobre transferencia de calor. El primer modelo de termmetro fue ideado por Galileo en 1592. El termmetro fue perfeccionado en 1715 por Gabriel D. Fahrenheit (Howell, J. et al.) De este modo cuando la energa de un sistema cambia como resultado de una diferencia de temperatura se dice que ha habido un flujo de calor (Atkins, 1991).

Esta diversificacin de las ciencias para llegar a sentar los principios y leyes que gobiernan la ley de con-servacin de energa y la cuantificacin de sus diversas manifestaciones y transformaciones requiere la definicin de un espacio llamado sistema termodinmico, que puede ser un recipiente de reaccin, una mquina, una celda elctrica, etc. donde tenemos un inters especial, como estudiaremos ms adelante dentro de este captulo.

Para el estudio de los sistemas energticos en el presente captulo ampliaremos los conceptos de sistema termodinmico, formas y transformaciones de la energa, principios de termoqumica, balances de materia y energa y la metodologa para resolucin de ejercicios relacionados.

Antes de abordar los clculos de la energa es conveniente recordar las unidades relacionadas con ella. Las dimensiones bsicas que interesan en este libro son: masa m, longitud L, tiempo t, temperatura termodi-nmica T, presin P, volumen V, cantidad de sustancia N, y la constante universal de los gases R. La Tabla A 1.1 del Apndice presenta los factores de conversin para las dimensiones antes mencionadas. Hay algu-nas unidades que son necesarias para la fuerza, la energa y la potencia.

La Fuerza tiene las dimensiones de . Las unidades que se utilizan comnmente para la fuerza son

el newton (N) y la dina. El sistema ingls utiliza la libra-fuerza (lbf) o poundal como unidades de fuerza.

El Peso es la fuerza que la atraccin gravitacional ejerce sobre un objeto. As, el peso de una persona en la Tierra es diferente de su peso en Jpiter, pero su masa es la misma en cualquier planeta. El peso W y la masa m estn relacionados por:

1.1

Donde g es la aceleracin de la gravedad en la Tierra a nivel del mar: 9,8 m/s2

La Energa tiene dimensiones de fuerza por longitud, o lo que equivale a . Son mltiples las

unidades de energa: kWh (kilo-watts-hora), Btu (unidad trmica britnica), J (joule), kcal (kilo-caloras), EFOB (barril de combustleo equivalente, es decir, la energa que se obtiene al quemar un barril normal de 42 galones de combustleo).

19

La Potencia tiene dimensiones de energa/tiempo, o , que representa energa por unidad de tiempo.

1.2 Sistemas termodinmicos

La termodinmica se define como la ciencia que involucra el estudio de las transformaciones de la energa y permite analizar racionalmente todos los procesos que incluyen transformaciones qumicas. En qumica se dan reacciones que se utilizan para suministrar calor y trabajo, reacciones cuya energa liberada puede desaprovecharse pero que originan productos que se necesitan y reacciones que constituyen los procesos de la vida.

La termodinmica aplicada a los sistemas reactivos establece una herramienta de fundamentacin para aquellas reacciones posibles o imposibles, aparentemente, pues esta ciencia, al igual que la qumica, est fundamentada en los principios inviolables de conservacin. Si bien la qumica, como ciencia bsica, per-mite el conocimiento de los procesos posibles (reacciones y sus efectos) y determina las transformaciones de masa en los sistemas, se inclina en revisiones extensas sobre el principio de conservacin de la masa en dichos sistemas. En el caso de la Termodinmica no slo se incluye el sistema sino tambin el efecto de sus transformaciones internas (sean sistemas que reaccionan o no) en sus alrededores bajo el principio de la conservacin de la energa.

Todo proceso de transformacin de materia lleva implcito un efecto energtico ya sea de demanda o de liberacin de energa. El estudio de este efecto es tema de la Termodinmica y Termoqumica.

El sistema es la parte del universo en la cual tenemos un inters especial y puede ser un recipiente de reac-cin, una celda elctrica, un equipo de transferencia de energa como los ilustrados en la Figura 1.3, etc. En torno al sistema estn sus alrededores, en los que se realizan las observaciones. Ambas partes pueden estar en contacto. Cuando hay transferencia de materia entre el sistema y sus alrededores, se denomina sistema abierto; en caso donde no hay transferencia de masa se trata de un sistema cerrado o sistema de masa constante. Un sistema aislado es un sistema cerrado sin contacto mecnico ni trmico con sus alrede-dores. El sistema y sus alrededores tomados en conjunto se denominan Universo (Atkins, 1991). Todos los sistemas estn separados de los alrededores por la frontera, la cual se define como la lnea imaginaria o real que efecta la separacin y permite definir si al interior o al exterior del sistema fluyen masa y energa. Si la frontera permite o no el intercambio de calor con los alrededores y/o otros sistemas, los sistemas pueden considerarse como Adiabticos o Diatrmicos, respectivamente. Un sistema diatrmico tiene una frontera con buena capacidad para transmitir calor, mientras que los sistemas adiabticos no permiten el ingreso o egreso de calor hacia o desde los sistemas.

Las ecuaciones termodinmicas aplicables a sistemas cerrados o abiertos, adiabticos o diatrmicos, de frontera mvil o fija, son diferentes; por tanto, es importante identificar el tipo de sistema antes de empezar

sistEmas EnErgticos Judith Rodrguez Salcedo

20

ENERGA Y AMBIENTE

el anlisis y desarrollar las ecuaciones de clculo de energa. El estado de un sistema puede reconocerse por ciertas propiedades macroscpicas observables como la temperatura (T), la presin (P), la densidad ( ), entre otras. En un estado todas las propiedades de un sistema tienen valores fijos.

1.3 Formas de energa fundamentales

La termodinmica se inici como la ciencia del calor; sin embargo, el rea de estudio de la Termodinmica aplica a la definicin Termo: Energa; Dinmica: Cambio o Transformaciones. A continuacin se definen las for-mas de energa fundamentales que maneja la termodinmica, en su concepto, leyes y ecuaciones de clculo. Se toma una clasificacin generalizada como: i) Formas estticas de energa, que involucra la Energa interna; ii) Formas de Energa que no pueden almacenarse en un sistema consideradas como formas de energa di-nmicas y se reconocen cuando cruzan la frontera del sistema y representan la energa ganada o perdida por ste durante un proceso, e involucra el calor y el trabajo; iii) Formas de energa macroscpicas o de energa total de un sistema relativas a su posicin. Entre ellas estn la energa potencial y la energa cintica.

1.3.1 Energa interna (U)

Es una forma de energa que se relaciona con la estructura molecular del sistema y el grado de actividad molecular. Es dada por la sumatoria de energas microscpicas de las partculas del sistema. Se asocia con la energa cintica de las molculas (energa sensible), con las fusiones intermoleculares de un sistema, con la fase de un sistema (energa latente), con los enlaces atmicos en una molcula (energa qumica o de enlace), con los enlaces dentro del ncleo del tomo (energa nuclear). Las formas de Energa anteriores constituyen la Energa Total de un sistema y pueden contenerse o almacenarse; de esa forma es posible que se vean como formas estticas de Energa (Atkins, 1991).

Energa Interna es representada por las letras U para referirse a la Energa Interna Total, y por para re-ferirse a la Energa Interna Especifica (U/ masa del sistema). Es una propiedad del sistema que depende de la temperatura. El valor de la energa interna siempre refiere a un valor tomado como referencia a una temperatura definida. Como es el cambio de la Energa Interna el que resulta importante, la eleccin de la referencia puede ser arbitraria.

1.2

1.3

1.4

Donde Cv = capacidad calorfica del sistema a volumen constante.

21

La energa interna se expresa como una funcin del volumen y no de la presin, por lo cual esta forma de energa se usa en los anlisis de sistemas de volumen constante.

1.3.2 Energa cintica (Ec)

Es la energa que un sistema posee como resultado de su movimiento con relacin al observador o al mar-co de referencia definido para el sistema. Cuando todas las partes de un sistema se mueven con la misma velocidad la energa cintica se expresa como:

1.5

Donde Ec = energa cintica, m = masa del sistema, V = velocidad del sistema.

1.3.3 Energa potencial (Ep)

Es la energa que un sistema posee como resultado de su elevacin en un campo gravitacional y se expresa como:

1.6

Donde Ep = energa potencial, m = masa del sistema, g = aceleracin gravitacional, z = elevacin del centro de gravedad de un sistema en relacin con un cierto plano de referencia.

1.3.4 Trabajo (W)

El trabajo es la transferencia de energa asociada con una fuerza que acta a lo largo de una distancia. Para cuantificar la cantidad de trabajo realizado se usa la definicin base dada por la fsica de Fuerza x Distan-cia y sobre ella se modificarn las expresiones para las diferentes formas de trabajo. Para la evaluacin del trabajo se emplean diversas ecuaciones, dependiendo de la forma de expresin de la fuerza aplicada al sistema y su relacin o dependencia con la distancia que recorre durante la aplicacin de la fuerza. Cuando se realiza un trabajo sobre un sistema aislado, su capacidad para efectuar trabajo se incrementa y as la energa del sistema aumenta. Cuando el sistema efecta un trabajo se reduce la energa del sistema, ya que entonces disminuye su capacidad para hacerlo. Los signos del trabajo pueden ser () o (+), si el sistema est recibiendo o entregando trabajo, respectivamente. En la Tabla 1.1 se presentan diferentes ecuaciones para calcular diversas formas de trabajo.


22

ENERGA Y AMBIENTE

Tabla 1.1 Ecuaciones para calcular distintas formas de trabajo.

Tipo de trabajo VariablesUnidades

(W en J okJ)

Trabajo mecnicoF fuerza(dX) cambio distancia

NM

Trabajo de expansinP presindV es el cambio de volumen

Pam3

Cambio de rea de la superficie

es la tensin superficialdA es el cambio de rea

Nm-1

m2

Trabajo de resorte

K es la constante del resorte(f/x=K)(dx) es el cambio de longitud del resorte

Nm-1

m

Trabajo elctrico= C dv

V1

V2

C es la carga elctrica (coulombio)(dv) es la diferencia de potencial (voltios)

CV

Trabajo de ejeT momento de torsinn revoluciones por minuto

N.mRpm

Importante tomar en cuenta que la ecuacin de definicin para inferir a las distintas formas de la ecuacin planteadas en la Tabla 1.1 parte de la premisa que el trabajo es una funcin de trayectoria. Las funciones

de trayectoria tienen diferencial inexacta representada por el smbolo . Como su nombre lo indica, para

integrar w se involucra la W = 1W2n

i segn la trayectoria desde el estado 1 al estado 2.

W = F dx 1.7

1.8

Donde: F = fuerza, x = distancia.

23

La energa que cruza los lmites de un sistema en forma de trabajo puede ser: i) W trabajo total en kJ; ii)

w=W/m, trabajo por unidad de masa en kJ/kg; iii) Potencia que indica el trabajo realizado por unidad de

tiempo WWt

= en kJ/s o kW.

Las unidades normalmente usadas para trabajo y potencia se describen en la Tabla 1.1.El trabajo como funcin de las propiedades termodinmicas P, V, T, es hallado para la expansin o com-presin en un cilindro de rea constante as:

1.9

Donde P = presin del sistema, V = volumen en estado inicial V1 y en estado final V2; la solucin de la integral depende de la relacin entre la Presin y el Volumen en el cambio de estado, y por tanto sta da la trayectoria del trabajo realizado por el o sobre el sistema.

Las diferentes formas de expresar trabajo suelen agruparse normalmente en: i) formas mecnicas de tra-bajo, que incluye el trabajo de frontera mvil (Wb), Ecuacin 1.9, y ii) Formas no mecnicas de trabajo, que incluye el trabajo elctrico y magntico.

Trabajo de eje

La transmisin de energa mediante un eje rotatorio es una prctica muy comn en ingeniera. El trabajo de eje es proporcional al momento de torsin aplicado y al nmero de revoluciones del eje (Figura 1.1.).


Figura 1.1 Componentes de un sistema en trabajo de eje.Fuente: Autor

1.10

1.11

1.12

1.13

24

ENERGA Y AMBIENTE

Trabajo elctrico

Para mover una carga elctrica a travs de la frontera de un sistema en presencia de un potencial elctrico se requiere trabajo. Cuando C coulombs de carga elctrica se mueven a travs de una diferencia de poten-cial V el trabajo elctrico es:

1.14

La cantidad de electricidad que tiene un cuerpo se denomina carga elctrica, expresada en coulombs. Un coulombs es la cantidad de electricidad negativa que tendra 6,24 x 1018 electrones e igual en nmero de protones pero coulomb de electricidad positiva.

La unidad de Voltio se usa para medir la diferencia de potencial.

La potencia elctrica We en watts se halla en funcin del nmero de cargas elctricas que fluyen por unidad de tiempo.

1.15

1.16Tanto V como I varan con el tiempo; por tanto, el trabajo elctrico realizado en un intervalo de tiempo (t) es:

1.17

1.3.5 Calor (Q)

Se define como la forma de energa de frontera que se transfiere entre dos sistemas cuando existe una dife-rencia de temperatura entre ellos o entre el sistema y sus alrededores. Se producir un intercambio de energa entre ellos hasta que se encuentren en equilibrio trmico. Cuando la energa de un sistema cambia como resul-tado de una diferencia de temperatura, se dice que ha habido un flujo de calor. Para un sistema que entrega calor al medio externo, si se observan los cambios de temperatura de los alrededores, se puede detectar, verificar y medir una transferencia de calor. Cuando se transfiere energa hacia o desde un sistema en forma de calor, existe un cambio de estado, representado por la modificacin de la temperatura. Para una transferencia infini-tesimal de calor, el cambio de temperatura es proporcional a la cantidad de calor suministrado, de modo que:

1.18

Donde T es la temperatura y q es el calor especfico (Q/m).

25

La magnitud del coeficiente depende del tamao, composicin y estado del sistema.

El calor puede hallarse como calor total Q, o calor transmitido por cantidad de masa q = (Q/m), y rapidez con que se transmite el calor entre sistemas es y equivale a Q/dt.

Al igual que el trabajo, matemticamente el calor es una funcin de la trayectoria, por lo cual se reconoce como una diferencial inexacta Q. As que al integrar 1Q2

1.19

La cantidad de calor transmitida cuando el sistema pasa del estado 1 al 2 depende de la trayectoria que siga el sistema durante el cambio de estado.

Al considerar las ecuaciones para determinar cuantitativamente los flujos de energa como calor, es ne-cesario tener en cuenta las Ecuaciones 1.51 y 1.52. Es conveniente aplicar el balance de energa en estas ecuaciones para despejar la q, a menos que se cuente con el valor de Q como un dato. De tal forma que el calor Q se define comnmente como la parte del flujo total de energa que pasa por el lmite del sistema y que est provocado por una diferencia de temperatura entre el sistema y los alrededores.

Algunas ecuaciones que se utilizan con familiaridad para cuantificar calor son:

1. Tomando como referencia la Ecuacin 1.51 o ecuacin de primera ley para un sistema cerrado, se puede determinar el flujo de calor, haciendo la siguiente suposicin: i) El cambio de estado en el sistema fue a velocidad (V) constante; ii) no hay cambios apreciables en la velocidad ni en la altura del sistema, de forma que:

1.20

2. Tomando como referencia la Ecuacin 1.52 o ecuacin de primera ley para un sistema estacionario (sin acumulacin de masa) y haciendo las mismas suposiciones que en el caso anterior.

1.21

Histricamente al valor hallado como funcin de Cp o Cv y T se le ha llamado calor sensible, y correspon-da a las observaciones representadas por la Ecuacin 1.18. De esta ecuacin se dedujo que:

1.22


26

ENERGA Y AMBIENTE

Donde dq llamado rata de calor (BTU/lb, kJ/kg, kcal/kg), C = capacidad calorfica especfica (BTU/lb F, kJ/kg C, kcal/kg C), dT = es el cambio de temperatura.

El coeficiente C se llam capacidad calorfica, la cual representa la capacidad que tiene la unidad de masa de un sistema para entregar o recibir calor y modificar su temperatura en un grado. La capacidad calorfica molar es Cm = C x Mm. Donde Mm es el peso molecular promedio del sistema, las unidades para Cm sern BTU/lbmol F, kJ/kgmol C, kcal/kgmol C.

Las Ecuaciones 1.20 y 1.21 aplican solamente para determinar calor por cambios de temperatura en una misma fase de las sustancias (slo lquido, o slo slido o slo vapor). En los clculos de calor cuando hay cambios de fase se debe adicionar el calor necesario para el cambio de fase.

1.3.6 Capacidad calorfica (Cp)

Si se conoce la capacidad calorfica se puede medir la energa suministrada al sistema como calor, cuando se controla el aumento de temperatura producido por la transferencia. Por este motivo la capacidad calorfica de los alrededores a un sistema (como el bao de agua o aire que rodea) es informacin esencial en termo-dinmica, ya que el calor absorbido o proporcionado por el sistema se puede controlar tomando nota de los cambios de temperatura que tienen lugar en sus alrededores, para luego correlacionarlos con el enunciado de flujos de calor.

1.23

Conocido el calor que llega o sale y despejando C de la Ecuacin 1.22 en consideraciones generales po-dran analizarse los sistemas as: i) Cuando C es grande, una determinada cantidad de calor conlleva slo una pequea elevacin de la temperatura (el sistema tiene una gran capacidad para recibir calor). ii) Cuan-do C es pequea, la misma cantidad de calor resulta en un gran aumento de la temperatura. El agua tiene una capacidad calorfica grande: se necesita mucha energa para calentarla (es decir, para elevar su tempe-ratura); los sistemas de calefaccin central aprovechan esta propiedad, ya que se puede transportar mucha energa mediante un flujo lento de agua caliente. De manera similar, las lagunas se congelan lentamente, debido en gran parte a que ha de retirarse mucha energa para bajar la temperatura del agua y debido tambin a que la congelacin libera una gran cantidad de energa. Sin embargo, C no es constante. En la mayora de clculos de ingeniera la capacidad calorfica depende de la temperatura. Tanto capacidad ca-lorfica a volumen constante o capacidad calorfica isocrica, como capacidad calorfica a presin constante o capacidad calorfica isobrica, son diferentes y dependientes de la temperatura.

27

De tal forma que para calcular el calor como:

1.24

1.25

En la solucin de las integrales de las ecuaciones 1.24 y 1.25, implica conocer la relacin entre la capacidad calorfica y la temperatura.

La capacidad calorfica a volumen y presin constante son propiedades termodinmicas1 de una sustancia que depende de la temperatura de la sustancia o sistema. Se han desarrollado ecuaciones empricas que muestran la dependencia as:

1.26

1.27

1.28

Donde las constantes a, b, c son propias para cada sustancia y sus valores se miden para un sistema de unidades especificado. Para el caso de la Ecuacin 1.26 la temperatura puede expresarse en grados Celsius, Fahrenheit, Rankine o Kelvin, para las Ecuaciones 1.27 y 1.28 o una ecuacin que contenga a T como divisor es necesario utilizar grados Kelvin o Rankine en la ecuacin, para evitar la divisin por cero. Las ecuaciones de Capacidad calorfica Cp para diversas sustancias se pueden consultar en la Tabla A 1.2 (ecuaciones de capacidad calorfica) del Apndice .

1.3.7 Calor especfico (Ce)

La capacidad calorfica de una sustancia referida a otra capacidad calorfica tomada como referencia, mu-chas veces resulta til para asignar unidades. A este cociente se le llama por costumbre calor especfico.

1.29


1 La capacidad calorfica est definida en funcin de propiedades segn las siguientes relaciones Cv[ u / T]V y CP[ H / T]P. Donde a, b y c son constantes para cada sustancia.

28

ENERGA Y AMBIENTE

Donde ce = calor especfico, = capacidad calorfica de la sustancia y = capacidad calorfica de re-ferencia. Esta suele ser la del agua a 15 C en donde tienen un valor de 1,0 cal/g C o 1,0 kcal/kg C. El calor especfico de gases requiere del aire en condiciones normales.

Finalmente, para clculos de calor es necesario recordar el trmino que histricamente se ha denotado como calor latente y el cual revela la cantidad de calor requerida en las transiciones. La Figura 1.2 repre-senta los cambios de entalpa que ocurren en las transiciones de fase de la fase slida a la liquida y de la fase lquida a la gaseosa, y en sentido opuesto. Durante estas transiciones ocurren grandes cambios en el valor de la entalpa de las sustancias que es necesario calcular con precisin (los llamados cambios de calor latente). En el caso de una sola fase, la entalpa vara en funcin de la temperatura como se ilustra en la Figura 1.2. Los cambios de entalpa que tienen lugar en una sola fase se conocen como cambios de calor sensible.

Los cambios de entalpa para las transiciones de fase se denominan calor de fusin para el paso de slido a lquido y calor de vaporizacin (para la evaporacin). Se acostumbra usar la palabra calor debido a conno-taciones muy antiguas, porque los cambios de entalpa se deben calcular a partir de datos experimentales que a menudo requieren experimentos que implican transferencia de calor. Los trminos correctos son entalpa de fusin y entalpa de vaporizacin, pero no son de uso comn. El calor de condensacin es el ne-gativo del calor de vaporizacin, y el calor de sublimacin es el cambio de entalpa de la transicin directa de slido a vapor. En la Tabla A 1.3 del Apndice se enumeran valores de y para los cambios de fase respectivos.

Figura 1.2 Esquema de cambios de entalpa de una sustancia pura en funcin de la temperatura, incluyendo cambios de fase.Fuente: Autor

Temperatura

Enta

lpa

(

H)

Tfusin Tvaporizacin

Transicin de faseCalor latente

Calor sensible

Entalpa de fusin

Entalpa de vaporizacin

29

1.3.8 Entalpa (H)

Este trmino no aplica para una definicin de una forma fundamental de Energa, ms bien corresponde a un concepto que se utiliza para los procesos continuos donde hay flujo de materia, e involucra la suma de dos formas fundamentales de energa.

1.30

Donde: H = entalpa del sistema, U = energa interna del sistema, PV = trabajo de flujo o energa de flujo del sistema, es decir es trabajo realizado por el sistema o por el entorno para sacar o introducir una unidad de masa hacia el entorno o hacia el sistema, respectivamente.

La entalpa H (entalpa total) o especfica (h= H/m) representa la energa de un fluido en movimiento, por ello esta es la variable termodinmica de utilizacin para los sistemas abiertos. La entalpa puede expresarse en funcin de la temperatura y la presin de manera que:

1.31

Por definicin (H / T)P es la capacidad calorfica a presin constante y el trmino (H / p)T es muy pequeo a presiones bajas, as que el cambio de entalpa puede calcularse como:

1.32

Para un determinado cambio de estado la diferencia entre H y U radica en la cantidad de trabajo ne-cesario para cambiar el volumen del sistema y/o para hacer posible la circulacin de los fluidos a travs de los equipos (Fuerzas interlaminares, fuerza contra las paredes).

Los valores de U y de H para compuestos puros se leen en las tablas termodinmicas de vapor de agua del Apndice (Tabla A 1.3). Esta Tabla fue preparada por Joseph H. Keenan, Frederick G. Keyes, Philip G. Hill y Joan G. Moore, donde se tom como estado de referencia P = 0,6113 kPa, T = 0,01 C, estado lquido saturado para el agua. En dicha Tabla se encuentran los valores para volumen, energa interna y entalpa especficas.

Las capacidades calorficas isocricas e isobricas tambin difieren debido al trabajo involucrado en cambiar el volumen del sistema as: para una transferencia dada de calor se efecta trabajo en el caso de Cp, se deduce que la elevacin de temperatura ser menor y, por tanto, que Cp es mayor que Cv. La diferencia es mayor para gases que para lquidos o slidos, debido que estos ltimos cambian muy poco de volumen con el calentamiento (efectan poco trabajo). Para un gas ideal, la diferencia entre ambas


30

ENERGA Y AMBIENTE

capacidades calorficas, est dada por Cp Cv.= R. Se calcula sabiendo que la diferencia entre la ental-pa y la energa interna depende slo de la temperatura. Como PV = nRT, entonces:

1.33

Cuando la temperatura aumenta en dT, los correspondientes cambios de entalpa y de energa interna estn relacionados por:

1.34

1.4 Transformaciones de energa aplicadas

Comnmente utilizamos un grupo de nombres dados a la energa de acuerdo con la fuente, as por ejem-plo: Energa elica, Energa solar, pero que en realidad corresponden a transformaciones sucesivas de Ener-ga fundamentales con un propsito definido.

En la llamada Energa Elica, se tiene como objetivo definido el uso de energa de una masa de aire (ener-ga cintica) para generar trabajo (trabajo de eje) que puede aprovecharse directamente, como el caso de bombeo de agua, o para generar electricidad mediante un generador elctrico.

En el caso de Energa Solar, se utiliza el sol como fuente de energa para calentar agua, en los colectores solares, aumentando su energa interna, modificando su energa potencial y cintica y realizando un tra-bajo de flujo en el sistema; o generar electricidad en un panel fotovoltaico para la obtencin de trabajo elctrico. En el Captulo 7 ampliaremos estas aplicaciones de la energa.

1.5 Termoqumica, calor de reaccin

Toda reaccin qumica conlleva consumos o generacin de energa neta, dada por la diferencia entre la energa consumida o generada para la formacin de compuestos (productos) y la energa generada o con-sumida por el rompimiento de enlaces de los reactivos. La sumatoria de todas las energas involucradas en la formacin de todos los productos de la reaccin da como resultado una energa neta llamada comn-mente calor de reaccin (Qrxn).

La razn para aceptar el nombre calor de reaccin a la energa neta obtenida o requerida en una reaccin qumica est dada por las siguientes consideraciones en el balance energtico dado por la Ecuacin 1.53 para un sistema abierto (expuesta en la Seccin 1.6):

31

1. Un reactor se considera, generalmente, como un sistema en estado estacionario, o sea que Eacumulacin = 0.

2. En el reactor no hay trabajo por expansin o giro de eje o sea que W = 0, ni se da otra forma de trabajo (W).

3. Los cambios de velocidad y altura entre los reactivos que ingresan al reactor y los productos que salen del reactor son mnimos, o sea que E cintica = E potencial = 0

.Por tanto la Ecuacin 1.53 se reduce a:

1.35

Los trminos he , hi , para reacciones qumicas se denotan como entalpa de formacin estndar (Hf) que corresponde a la entalpa necesaria para la formacin de una mol de un compuesto a partir de sus elementos constitutivos en su estado estndar. El calor de formacin estndar para cada elemento se asume como cero.

Clculo de calor normal de reaccin, a partir de calores de formacin

El calor normal de reaccin que acompaa a cualquier cambio qumico puede calcularse si se conocen los calores de formacin de todos los compuestos comprendidos en la reaccin. Si se toma como estado de referencia de la entalpa para un compuesto a 25 C y 1 atm de presin, el de sus elementos componentes por separado, a 25 C y 1 atm de presin en sus estados normales de agregacin, entonces la entalpa re-lativa del compuesto es igual a su calor de formacin, estos valores pueden obtenerse de la Tabla A 1.4 del Apndice.

El estado estndar corresponde a T = 25 C y P = 1atm. Mientras no se aclaren otros datos de Presin y Temperatura se asumir que para determinar Hrxn tanto reactivos como productos entran y salen en el estado estndar. La ecuacin general para hallar el calor neto obtenido en una reaccin exotrmica o el requerido para que se d una reaccin endotrmica es:

1.36

Donde Hrxn es el smbolo que se usa para el calor de reaccin en el estado estndar.

Debemos tener presente que el calor de reaccin es en realidad un cambio de entalpa y no necesaria-mente equivale a una transferencia de calor.

As, el calor normal de reaccin, o variacin de la entalpa, es igual a la suma algebraica de los calores nor-males de formacin de los reactivos. As,


32

ENERGA Y AMBIENTE

Ejemplo 1. Calclese el calor normal de reaccin Hrxn siguiente:

HCl(g) + NH3(g) = NH4Cl(s)

Los calores normales de formacin tomados de la Tabla A 1.4 del Apndice son:

Compuesto HCl (g) NH3 (g) NH4Cl (s)

92,311 46,191 315,4

Sustituyendo estos valores en la Ecuacin (1.36) se obtiene:

Ejemplo 2. Calclese el calor normal de reaccin, Hrxn de la siguiente reaccin:

De la Tabla A 1.4 del Apndice, los valores de calor de formacin para cada compuesto son:

Compuesto CaC2(s) H2O(l) Ca(OH)2(s) C2H2(g)

62,7 285,840 986,56 226,75

Se han establecido ciertas convenciones relacionadas con el clculo de los cambios de entalpa que acom-paan a las reacciones qumicas:

1. Los reactivos aparecen en el miembro izquierdo de la ecuacin qumica y los productos aparecen a la derecha.

2. Es necesario especificar las condiciones de fase, temperatura y presin a menos que las ltimas dos (2) sean las condiciones estndar, como se da por hecho en la ecuacin anterior, en la que slo se indica la fase. Esto es importante sobre todo en el caso de compuestos como el agua que puede existir en ms de una fase en condiciones comunes. Si la reaccin ocurre en condiciones distintas de las estndar, podra-mos escribir:

33

3. Si no se especifican las cantidades de los materiales que reaccionan, se supone que se trata de las canti-dades estequiometrias indicadas por la ecuacin qumica.

4. La Ley de Hess conocida como Ley de Suma Constante de Calor, establece que el calor neto entregado o requerido en un proceso qumico es el mismo si la reaccin tiene lugar en una o varias etapas. La varia-cin total de la entalpa de reaccin del sistema depende de la Temperatura, la Presin y estado de com-binacin al principio y al final de la reaccin; y es independiente del nmero de reacciones intermedias que haya comprendido (Hougen et al., 1994).

Mediante la Ley de Hess se puede determinar calor de reaccin usando los datos de otras reacciones. La Tabla A 1.4 del Apndice, enlista los valores de entalpa de formacin estndar para varios compuestos, y que se utiliza con regularidad en la solucin de ejercicios de termoqumica.

1.6 Metodologa para evaluar el balance de masa y energa de un sistema

Los modelos Matemticos, utilizados para derivar ecuaciones matemticas con el fin de definir el compor-tamiento termodinmico, termoqumico y termofsico, permiten describir una estrategia ordenada para resolucin de problemas; aunque no todos los problemas son iguales ni se resuelven exactamente de la misma manera, es necesario tener una idea clara de cmo abordarlos. La siguiente estrategia seguida paso a paso, proporciona una base para resolver problemas:

1) Entender el problema: Significa destacar el enunciado para formar una imagen clara de lo que el proble-ma implica y pide. Esto a su vez permite crear el modelo conceptual necesario.

2) Definir el problema: En todo problema se deben resolver tres (3) leyes fundamentales: Conservacin de la masa, Conservacin de la Energa y Conservacin del momento2. Para ello en los problemas es posible modelar el dispositivo, la situacin o proceso en trminos de un sistema termodinmico que puede ser cerrado o abierto.

3) Dibujar un diagrama representativo de los procesos: Los diagramas de procesos son componentes en la solucin de problemas, pues son modelos conceptuales del comportamiento del fluido a la entrada, dentro, fuera de un sistema y define el comportamiento en trminos de propiedades del fluido. Para la elaboracin de diagramas se aconseja una metodologa de cajas negras o de flujo de bloques, flechas de entrada, flechas de salida, que indican las masas, energa, momento que entran y salen de un siste-ma. Cada flecha debe acompaarse de un nombre que la identifique, de la informacin (composicin, masa, temperatura, presin, etc.) que permitan establecer las ecuaciones de balance de masa, energa y


2 Momento lineal tambin llamado cantidad de movimiento o mpetu. Equivale al producto de la masa por la velocidad y es una magnitud vectorial representada por .

34

ENERGA Y AMBIENTE

momento. As mismo un diagrama con toda la informacin puede ser cualitativo, cuantitativo en todas las propiedades expresadas en el enunciado del problema o con aquellas que han sido consultadas con base en los datos del enunciado.

4) Construir un modelo matemtico del problema: Con base en la informacin mostrada en los diagramas se aplican las ecuaciones bsicas de masa, energa y momento que definen el proceso. Una ecuacin expresa la representacin matemtica de una ley. En la formulacin de ecuaciones juegan papel impor-tante las variables y el sistema tiene una solucin particular cuando el nmero de ecuaciones planteadas es igual al nmero de variables a evaluar. En el caso de no ser iguales esos nmeros se requiere de la experiencia y conocimiento de la persona que est solucionando el problema para hacer suposiciones y simplificaciones.

5) Hacer suposiciones: Dar valores o predefinir variables con base en la experiencia o simplificar las ecuacio-nes generales para hacerlas ms aplicables a un problema en particular, desdeando los trminos que tengan un efecto despreciable. Por ejemplo, si la velocidad es muy baja, la energa cintica de una masa de fluido puede considerarse insignificante.

6) Resolver el modelo matemtico simplificado: Esto es usar las ecuaciones simplificadas en forma reordena-da para determinar las cantidades desconocidas dentro del problema.

7) Comprobar las ecuaciones de balance de masa: El principio de conservacin de la masa a aplicar debe referirse al cumplimiento de la siguiente ecuacin:

1.37

Los trminos de generacin y consumo se refieren a transformaciones de masa por reacciones qumicas, es decir la formacin de productos mediante el reordenamiento de enlaces de los reactivos. La acumulacin puede ser positiva o negativa. La ecuacin antes expuesta se refiere a un intervalo de cualquier magnitud (ao, da, hora) o a un diferencial de tiempo.

En el caso de un sistema cerrado (sin reaccin qumica) no hay flujo a travs de la frontera (o lmites del sistema) y la masa dentro del sistema se conserva por definicin.

Para un sistema abierto hay un flujo a travs de la frontera y la masa puede entrar y salir de modo que si se aplica la conservacin, la ley de la conservacin de la masa, puede suceder que el flujo de masa que entra en un sistema abierto iguale con exactitud el flujo de masa que sale, y no hay cambio en el flujo de masa con el tiempo, entonces se habla de flujo estable o estacionario, o puede suceder que los flujos de masa de ingreso o egreso del sistema no sean numricamente iguales, pero para efectos de clculos se toman

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flujos uniformes con el tiempo, se habla entonces de procesos uniformes y para estos ltimos es necesario definir la base del tiempo para los cambios de masa en los procesos.

Algunas ecuaciones comunes, tiles para la transformacin de variables en trminos de masa, para luego realizar las sumatorias de la ecuacin general de conservacin de masa son:

1.38

1.39

1.40

1.41

1.42

1.43

Para procesos en flujo estacionario, estable, sin reaccin qumica:

1.44

Donde m = masa, = flujo msico, = densidad, V = volumen total, = velocidad de la masa que fluye, = volumen especfico, C = caudal, n = nmero de moles en reaccin qumica, M = peso molecular de un

compuesto, (m1)S = masa inicial dentro de un sistema, (m2)S = masa final en sistema.

8) Comprobar las ecuaciones de balance de energa: La ecuacin general de conservacin de energa es:

1.45

En esta ecuacin participan las diferentes formas de energa que especifica la termodinmica. La ecuacin matemtica es:

1.46


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ENERGA Y AMBIENTE

Hay consideraciones a tener en cuenta para el uso de la ecuacin general de balance de energa.

1. La acumulacin de energa dentro del sistema corresponde a las diferencias entre los estados inicial y final de energa interna, cintica y potencial.

1.47

1.48

1.49

1.50

Donde m = masa del sistema, g = aceleracin de la gravedad, Z = altura del sistema con respecto al obser-vador, = velocidad del sistema, gc = factor de correccin.

La magnitud tanto de la velocidad como de la altura, y por tanto, la magnitud de la energa, depende de la posicin del observador. As que para estas dos (2) formas de energa es esencial definir de manera clara la posicin de un observador para establecer el valor de cada una de estas energas en un punto dado y el cambio de las mismas desde un punto a otro.

2. La transferencia de energa hacia dentro o fuera del sistema solo se debe a la transferencia neta de calor y trabajo. Calor (Q, q): Hace referencia a la energa que cruza las fronteras de un sistema debido a la di-ferencia de temperaturas entre el sistema y los alrededores. Trabajo: (W, w): cualquiera de las formas de energa mecnica de la Tabla 1.1 que puede cruzar las fronteras de un sistema en forma organizada. Se toma como supuestos para el anlisis que: i) la entrada de calor al sistema y la salida de trabajo del sis-tema se toman como positiva y ii) la salida de calor al sistema y entrada de trabajo del sistema se toman como negativa.

3. Los trminos generacin y consumo de energa dentro del sistema normalmente, en cursos bsicos, se omiten de la ecuacin de Conservacin de Energa por que involucra energa transferida por campos magnticos, desaceleracin de neutrones o desintegracin radiactiva.

4. Para un sistema cerrado, donde no hay flujos de masa desde o hacia el sistema, la primera ley de la ter-modinmica o ley de la conservacin de la energa se expresa:

1.51

37

5. Para un sistema abierto, donde s hay flujos de masa hacia o desde el sistema, la primera ley de la ter-modinmica para un sistema abierto o volumen de control sin acumulacin (estado estacionario) se generaliza as:

1.52

6. Para un sistema abierto, donde s hay flujos de masa hacia o desde el sistema, la primera ley de la ter-modinmica para un sistema abierto o volumen de control con acumulacin (estado no estacionario) se generaliza as:

1.53

1.7 Formas de distribucin de la energa: Electricidad, fluidos de calentamiento y de enfriamiento

En las Ecuaciones 1.51 y 1.53 de la primera Ley de la Termodinmica para un sistema cerrado y para un sistema abierto, respectivamente, las variables Calor (Q) y Trabajo (W) son las nicas energas que fluyen desde o hacia los sistemas. Sin embargo, a partir de la anterior afirmacin, cabe la pregunta De qu ma-nera puede llevarse o distribuirse esa energa que fluye hasta el equipo de uso final?

Para distribuir energa en forma de trabajo (W) existen diferentes formas como lo muestra la Tabla 1.1, una de ellas es el trabajo elctrico o energa elctrica. Esta forma de trabajo se caracteriza por que es limpia, en general confiable, y de uso convencional desde las actividades industriales hasta las actividades diarias.

Para distribuir la forma de energa calor (Q) se requiere de fluidos de calentamiento y enfriamiento a lo largo de los procesos. Otra manera de manifestacin de calor resulta por la quema de combustibles justo en el lugar donde se requiere; no obstante, es ms barato, conveniente y seguro generar fluidos calientes en un lugar cntrico, y luego distribuir ese fluido caliente a todas las unidades del proceso que necesiten energa trmica. El vapor de agua es el fluido caliente preferido en las grandes instalaciones de procesa-


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ENERGA Y AMBIENTE

miento. Las temperaturas comunes de vapor abarcan desde 120 a 260 C. El agua caliente es muy til (y muy econmica) como fuente de calor en el intervalo de 30 a 90 C.

El enfriamiento en procesos se da, por ejemplo, para cristalizar un producto de una mezcla lquida o enfriar un reactor exotrmico para evitar su sobrecalentamiento. El aire y el agua se utilizan con frecuencia como fluidos fros para propsitos de enfriamiento, es usual que el aire se mueva mediante ventiladores a travs de superficies calientes. El agua fra de ros, lagos cercanos u ocanos puede servir como disipador trmico. A menudo, las grandes plantas de fabricacin generan su propia agua refrigerante en torres de enfriamien-to. El agua de enfriamiento es til para enfriar corrientes de 25 C a30 C. Para enfriar corrientes de proceso a temperaturas por debajo de la ambiental se necesitan refrigerantes. Los fluidos refrigerantes dependen de algunos factores como la temperatura de operacin, la toxicidad y la inflamabilidad. El Diclorodifluoro-metano (CCl2F2) es un fluido refrigerante muy utilizado que est siendo desplazado por la evidencia de que los hidrocarburos clorados contribuyen al agotamiento del ozono. Estos fluidos estn siendo sustituidos por hidrocarburos fluorados, por ejemplo el Tetrafluoroetano (C2H2F4)R:134A. Otro refrigerante, llamado refrigerante limpio, es el amoniaco que se emplea en gran medida para la conservacin de alimentos ya que tiene excelentes propiedades termodinmicas y es relativamente benigno para el ambiente; sin em-bargo por aspectos de toxicidad, ste se puede usar solo donde hay poca presencia de personas.

Los costos de electricidad, fluidos de calentamiento y fluidos de enfriamiento, se basan en el costo del combustible utilizado para generarlos, as como en los costos de distribucin.

Equipos de transferencia de energa

A medida que se cambian los diagramas de flujo de bloque o cajas negras a los diagrama de flujo de pro-cesos es necesario incluir el estudio del equipo que requiere energa. Adems de los mezcladores, diviso-res, reactores y separadores, ahora es preciso considerar las unidades de proceso necesarias para cambiar la presin o la temperatura, a fin de aplicar o extraer trabajo, y proporcionar o eliminar calor. A todas estas unidades se les conoce como equipo de transferencia de energa. En la Figura 1.3 se muestran los iconos del equipo que se utilizan en los diagramas de flujo.

Equipos para transferencia de trabajo y cambios de presin

Las bombas aumentan la presin de los lquidos, por lo regular con poco a ningn cambio en la temperatu-ra. Las bombas son hasta cierto punto baratas y su operacin no es costosa. La entrada de trabajo necesaria para accionar una bomba normalmente es abastecida por medio de motores elctricos, aunque las bom-bas ms grandes deben ser accionadas por turbinas de vapor o de gas.

Los compresores aumentan la presin de los gases, la temperatura de un gas aumenta con el incremento de su presin; por lo tanto, los compresores grandes estn equipados con enfriadores entre etapas. Su adquisicin, mantenimiento y operacin son relativamente baratos, requieren una entrada de trabajo que

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Figura 1.3 Iconos representativos para los equipos de transferencia de energa que se utilizan en los diagramas de flujo de proceso.Fuente: Autor

por lo general abastece motores elctricos, turbinas de vapor o turbinas de gas. Se utilizan sopladores o ventiladores en lugar de compresores cuando solo se requiere un pequeo aumento de presin.

Las turbinas disminuyen la presin de los fluidos y producen movimiento rotatorio o alternante. Cuando un fluido pasa por una turbina ejerce trabajo sobre los alabes que estn unidos al eje, el cual rota y la turbina produce trabajo. Si se acopla a un generador, se produce electricidad. Por otro lado, las turbinas se pueden acoplar directamente a bombas o compresores para accionarlas.

Las vlvulas de expansin son dispositivos de restriccin de flujo que ocasionan un descenso significativo en la presin de los fluidos, pero no se obtiene trabajo del sistema. Estas son mucho ms baratas que las turbinas. No siempre vale la pena comprar e instalar una turbina solo para recuperar una pequea cantidad de energa por reduccin de presin.

Equipos para transferencia de calor y cambios de temperatura

Hay dos mtodos por medio de los cuales se puede transferir calor desde una fuente de calor a un material de proceso, o desde un material de proceso hacia un disipador de calor: el directo y el indirecto.

En la inyeccin directa, los materiales calientes (o fros) se mezclan directamente con el material del pro-ceso, a fin de aumentar (o disminuir) rpidamente la temperatura del proceso. La inyeccin directa es fa-vorable porque el cambio de temperatura se presenta con rapidez. No obstante, existe una desventaja: el material de calentamiento (o enfriamiento) se mezcla con el material del proceso. Solo se pueden utilizar materiales compatibles con la corriente del proceso. En un modo de inyeccin directa, tambin es posible utilizar slidos calientes (o fros). Un ejemplo prctico de enfriamiento por contacto directo se da cuando se colocan cubos de hielo en una bebida para enfriarla con rapidez.

El modo indirecto de transferir calor es donde un fluido caliente, como vapor de agua, se pone en contacto indirecto con un fluido de proceso que se va a calentar, hacindolos pasar por un intercambiador de calor.

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ENERGA Y AMBIENTE

La principal ventaja es que las corrientes de proceso no se mezclan. La desventaja es que la velocidad de transferencia de calor no es tan rpida como en la inyeccin directa. Los intercambiadores de calor de coraza y tubos son los ms usados en la industria. Aquellos consisten en un haz de tubos colocado dentro de una gran coraza cilndrica, donde un fluido es bombeado a travs de los tubos y el otro es bombeado a travs de la coraza. Los tubos proporcionan el rea superficial necesaria para el contacto trmico. Otras clases de intercambiadores de calor son los de doble tubo que consisten en un tubo dentro de otro tubo, los cuales se utilizan para bajas velocidades de flujo y grandes cambios de temperatura.; intercambiadores de calor tipo placa, tiles cuando se tienen slidos en suspensin; intercambiadores de calor de superfi-cies rugosas que tienen un elemento rotatorio con cuchillas raspadoras, las cuales resultan especialmente tiles para fluidos altamente viscosos. En los intercambiadores de calor enfriados con aire, los ventiladores soplan aire a travs de un haz de tubos aleteados; las aletas aumentan en gran medida el rea superficial disponible para la transferencia de calor.

Los hornos son equipos de transferencia de calor que constan de dos secciones: la cmara de combustin, donde el combustible (slidos o fluidos) y el aire se combinan en una reaccin de combustin donde la energa qumica almacenada en el combustible se convierte en energa trmica, y el cuerpo del horno donde los gases calientes de la combustin calientan el material del proceso. Los materiales del proceso pueden alcanzar temperaturas tan altas como 900 C o aun mayores. En los hornos de fuego directo, las l

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