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CONCEPTOS BASICOS DE TERMODINAMICA
1. Humedad
La humedad indica la cantidad de agua presente en una muestra. Puede expresarse en base
seca o en base húmeda.
Humedad en Base Húmeda (Hbh) es la cantidad de agua por unidad de masa de muestra
humada.
Entonces,
𝑯𝒃𝒉 =
𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒂𝒈𝒖𝒂
𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒎𝒖𝒆𝒔𝒕𝒓𝒂 𝒉𝒖𝒎𝒆𝒅𝒂
Humedad en Base Seca (Hbs) es la cantidad de agua por unidad de masa de solido seco en la
muestra.
Entonces,
𝑯𝒃𝒔 =
𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒂𝒈𝒖𝒂
𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒔ó𝒍𝒊𝒅𝒐 𝒔𝒆𝒄𝒐
La relación entre Hbh y Hbs puede deducirse de la siguiente manera:
𝑯𝒃𝒉 =
𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒂𝒈𝒖𝒂
𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒂𝒈𝒖𝒂 + 𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒔𝒐𝒍𝒊𝒅𝒐 𝒔𝒆𝒄𝒐
Dividiendo el numerador y denominador por la masa de solido seco
𝑯𝒃𝒉 =
(𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒂𝒈𝒖𝒂)/(𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒔𝒐𝒍𝒊𝒅𝒐 𝒔𝒆𝒄𝒐)
𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒂𝒈𝒖𝒂/𝒎𝒂𝒔𝒂 𝒅𝒆 𝒔𝒐𝒍𝒊𝒅𝒐 𝒔𝒆𝒄𝒐 + 𝟏
𝑯𝒃𝒉 =
𝑯𝒃𝒔
𝑯𝒃𝒔 + 𝟏
Esta misma ecuación sirve para calcular Hbs cuando se conoce Hbh. De la misma forma puede
obtenerse Hbh cuando se conoce Hbs:
𝑯𝒃𝒔 =
𝑯𝒃𝒉
𝟏 − 𝑯𝒃𝒉
2. PRESION
La presión ejercida por un sistema es la fuerza normal a una unidad de área en su frontera. Las
dimensiones de la presión son (masa) (tiempo)-2(longitud)-1.
Esta dada en las siguientes unidades:
1 bar = 105Pa = 100KPa
1atm = 14.696 Lb/in2 = 1.01325 bar = 101.325 KPa
En fluidodinámica se expresa a menudo la presión en términos de altura o “carga” de fluido;
la altura de columna de fluido que puede ser soportada ejerciendo una presión P puede
escribirse como:
𝑷 = 𝑫𝒈𝒉
Siendo P la presión absoluta (Pa), D la densidad del fluido (Kg/m3), g la aceleración de la
gravedad (9.81m/seg2) y h la altura de la columna de fluido (m).
Para expresar vacío en el sistema inglés se considera a la presión atmosférica como 0 pulgadas
de mercurio y el vacío absoluto es 29.92 pulgadas de mercurio; de manera que 15 pulgadas de
mercurio es una presión mayor que 20 pulgadas de mercurio. En el SI la convención es al revés
que en el sistema inglés, la unidad utilizada es el pascal; el vacío absoluto es 0 Pa. Así, la
relación en el sistema inglés y el SI para expresar vacío es
𝑷𝒓𝒆𝒔𝒊𝒐𝒏 𝒂𝒃𝒔𝒐𝒍𝒖𝒕𝒂 (𝑷𝒂) = 𝟑. 𝟑𝟖𝟔𝟑𝟖 ∗ 𝟏𝟎𝟑 (𝟐𝟗. 𝟗𝟐 − 𝑰)
Siendo I pulgadas de mercurio.
La presión medida mediante un manómetro se denomina presión manométrica. La presión
manométrica puede convertirse en presión absoluta mediante la siguiente expresión:
𝑷𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝒂𝒃𝒔𝒐𝒍𝒖𝒕𝒂 = 𝑷𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝒎𝒂𝒏𝒐𝒎é𝒕𝒓𝒊𝒄𝒂 + 𝑷𝒓𝒆𝒔𝒊ó𝒏 𝒂𝒕𝒎𝒐𝒔𝒇é𝒓𝒊𝒄𝒂
3. ENTALPIA
La entalpia es una propiedad extensiva expresada como la suma de la energía interna y el
producto de la presión por el volumen especifico.
𝑯 = 𝑼 + 𝑷𝑽
Siendo H la entalpia (KJ/Kg), U energía interna (KJ/Kg), P la presión (KPa) y V el volumen
especifico (m3/Kg).
La entalpia es una cantidad de energía solo en algunos casos. Por ejemplo, la entalpia del aire
contenido en una habitación no es una cantidad de energía. Esto es así porque el producto de
la presión por un volumen específico no es una cantidad de energía; la única energía del aire
contenido en la habitación es su energía interna. Cuando un fluido entra o sale de un sistema
abierto el producto de presión por volumen especifico representa un flujo de energía; en este
caso si que la entalpia del fluido representa la suma de energía interna y energía debido al
flujo.
La entalpia se da siempre respecto a un estado de referencia al que arbitrariamente se le
asigna un valor de entalpía, normalmente cero. Por ejemplo, las tablas de vapor de agua dan
su entalpia considerando que la entalpia del líquido saturado a 0ºC es cero.
4. LEYES TERMODINAMICAS
4.1 Primer principio de la termodinámica: El primer principio de la termodinámica es una
declaración de la conservación de la energía. La ley establece que:
“la energía de un sistema aislado permanece constante”.
En otras palabras,
“la energía no puede crearse ni destruirse, solo puede cambiar de forma”
4.2 Segundo principio de la termodinámica: EL segundo principio de la termodinámica es
útil para determinar el sentido en que se transmite la energía o en el que evoluciona
una reacción. Las dos expresiones de la segunda ley se deben a Rudolf Clausius y Lord
Kelvin, respectivamente:
“No es posible un proceso cuyo único resultado sea la eliminación de calor de un sistema a
una temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por parte de otro sistema a
mayor temperatura.”
“No es posible un proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un deposito y la
producción de una cantidad equivalente de trabajo”.
La segunda ley de la termodinámica es la que ayuda a explicar por que el calor siempre fluye
de un objeto caliente a uno frio, por que se mezclaran completamente dos gases en un recinto
cerrado pero no se separaran espontáneamente, y por que es imposible construir una
maquina que continuamente reciba calor de un deposito produciendo una cantidad
equivalente de trabajo.
5. CONSERVACION DE LA MATERIA
La ley de conservación de la materia puede expresarse matemáticamente mediante la
siguiente ecuación:
𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑎𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 − 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
+ 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑔𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
− 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
= 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
Si no hay generación ni consumo de materia, la ecuación se reduce a:
𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑎𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 = 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
Mediante balances de materia pueden conocerse las composiciones de las corrientes de
materias primas, productos, subproductos y residuos.
Secuencia útil a la hora de realizar balance de materia:
a) Identificar los datos de más y composición de las corrientes que forman parte del
enunciado del problema.
b) Dibujar un diagrama de bloques del proceso, indicando debidamente las corrientes
conocidas y definiendo los limites del sistema
c) Indicar todos los datos disponibles en el diagrama de bloques.
d) Elegir una base de cálculo adecuada (una masa o un tiempo). De esta elección
dependerá la dificultad de la resolución.
e) Escribir balances de materia, en función de la base de cálculo elegida. Para poder
resolver el sistema es necesario un balance de materia independiente por cada
incógnita.
f) Resolver los balances de materia para determinar los valores de las incógnitas.
Ejemplo: Se quema carbono en un horno convirtiendo el 95% de dióxido de carbono y el resto
en monóxido de carbono. Mediante los correspondientes balances de materia calcular las
cantidades de cada gas que salen del horno.
Datos:
Carbono convertido a CO2 = 95%
Carbono convertido a CO = 5%
Solución:
1) Se toma como base de calculo 1Kg de carbono
2) Las reacciones de combustión son
C + O2 = CO2
C + ½ O2 = CO
3) Entonces, se forman 44Kg de dióxido de carbono y 28Kg de monóxido de carbono
mediante la combustión de 12Kg de carbono.
4) Así, el CO2 producido es
(44𝐾𝑔 𝐶𝑂2)(0.95𝐾𝑔 𝐶 𝑞𝑢𝑒𝑚𝑎𝑑𝑜)
= 3.48𝐾𝑔 𝐶𝑂2
12𝐾𝑔 𝐶 𝑞𝑢𝑒𝑚𝑎𝑑𝑜
5) De la misma manera, el CO producido es:
(28𝐾𝑔 𝐶𝑂2)(0.05𝐾𝑔 𝐶 𝑞𝑢𝑒𝑚𝑎𝑑𝑜)
= 0.12𝐾𝑔 𝐶𝑂2
12𝐾𝑔 𝐶 𝑞𝑢𝑒𝑚𝑎𝑑𝑜
6) Entonces el gas de salida contiene 3.48Kg de CO2 y 0.12Kg de CO por cada Kg de
carbono quemado.
6. ENERGIA
La energía es un escalar que fue sugerido por Newton como un concepto para expresar la
energía cinética y la potencial. No puede observarse directamente, pero por métodos
indirectos puede registrarse y evaluarse. La unidad comúnmente utilizada es el julio.
La Energía E, de un sistema es una propiedad asociada principalmente con su estado. Hay dos
tipos de energía, externa e interna.
6.1 Energía externa
Es la que posee un sistema en virtud de su posición o velocidad. En el procesado de alimentos
son más interesantes los cambios de energía que su valor absoluto...
El cambio de energía asociado al movimiento de un objeto desde una posición a una altura h1
hasta otra altura h2 se denomina energía potencial, siendo así
∆𝐸𝑃𝐸 = 𝑚𝑔ℎ2 − 𝑚𝑔ℎ1
Donde m es la masa (Kg), g la aceleración de la gravedad (m/s2) y h1 y h2 alturas (m).
El cambio en la energía de un sistema provocado por un cambio en su velocidad desde v1
hasta v2 se denomina energía cinética:
1
∆𝐸𝐾𝐸 = 𝑚(𝑣22 − 𝑣12 )
2
6.2 Energía interna (U)
De un sistema es la debida a su estructura atómica o molecular. La energía interna puede ser
de origen nuclear, química, molecular o térmica. El cambio en la energía interna de un sistema
se denota como ∆U. Entonces, el cambio en el contenido energético de un sistema es:
∆𝐸 = ∆𝑈 + ∆𝐸𝐾𝐸 + ∆𝐸𝑃𝐸
En el procesado de alimentos, a menudo el interés se centra en la energía que entra o sale del
sistema. Por ejemplo, en el bombeo de fluidos un fluido puede cruzar la frontera del sistema
que estamos considerando; o si se esta calentando un alimento liquido en un recipiente el
calor atraviesa la frontera del sistema constituido por las paredes del recipiente. La energía
que atraviesa las fronteras del sistema se denomina energía en transito; todas las formas de
energía en transito son transformadas en calor o trabajo. Hay que hacer notar que el calor o el
trabajo no son propiedades del sistema a que el calor o el trabajo involucrados en un cambio
dependen del camino seguido entre el estado inicial y el final.
6.3 Calor (Q)
Es la energía intercambiada debida a la diferencia de temperatura entre el sistema y los
alrededores. Por convenio, el calor es positivo cuando entra al sistema, y negativo cuando se
transfiere desde el sistema hacia el exterior.
Donde:




Q es el calor aportado al sistema.
m es la masa del sistema.
c es el calor específico del sistema.
ΔT es el incremento de temperatura que experimenta el sistema.
7. CONSERVACION DE LA ENERGIA
La primera ley de la termodinámica (“la energía de un sistema aislado permanece constante”)
es útil para realizar balances de energía. El método es similar al del balance de materia. Así,
suponiendo que no hay generación de energía en el sistema
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑎𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 − 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
= 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 𝑑𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
De acuerdo con la primera ley, el cambio e energía en un sistema cerrado es igual al calor
añadido a el menos el trabajo realizado por el. En base al convenio de signos considera puede
escribirse:
∆𝐸 = 𝑄 − 𝑊
Como la energía de un sistema consta de tres términos: Interna (U), Cinética (EKE) y Potencial
(EPE), entonces:
∆𝑈 + ∆𝐸𝐾𝐸 + ∆𝐸𝑃𝐸 = 𝑄 − 𝑊
En el proceso de alimentos, los procesos a presión contantes son muy habituales; el cambio de
entalpia, se denomina simplemente cantidad de calor.
En un proceso de calentamiento discontinuo, el cambio de entalpia, ∆H, en un sistema puede
medirse mediante la variación de la cantidad de calor Q; siempre que el proceso se produzca a
presión constante.
Ejemplo:
Se utiliza un deposito tubular de agua para escaldar judías de lima con un flujo másico de
860Kg/h. el consumo de energía para el proceso de escaldado es de 1.19GJ/h y las perdidas
debidas al deficiente aislamiento se estiman en 0.24GJ/h. si el consumo total de energía en el
proceso es de 2.71GJ/h.
a) Calcular la energía necesaria para recalentar el agua.
b) Determinar el porcentaje que supone la energía asociada con cada corriente.
Datos:
Caudal másico de producto: 860Kg/h
Energía requerida teóricamente: 1.19GJ/h
Pérdidas de energía debidas al deficiente aislamiento: 0.24GJ/h
Consumo total de energía en el escaldador: 2.71GJ/h.
Solución
1) Se toma como base 1 hora
2) El balance de energía puede plantearse así:
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎 𝑎𝑙 𝑒𝑠𝑐𝑎𝑙𝑑𝑎𝑑𝑜𝑟
= 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑑𝑡𝑜
+ 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
+ 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎
3) Sustituyendo por sus valores en el balance
2.71 = 1.19 + 0.24 + 𝐸𝑤
Se obtiene
𝐸𝑤 = 1.28𝐺𝐽/ℎ
De manera que son necesarios 2.71 – 1.28 = 1.43GJ/h para recalentar el agua y mantenerla en
condiciones para el proceso de escaldado.
4) Puede calcularse los porcentajes que suponen los valores anteriores respecto del
consumo de energía del proceso
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑝𝑑𝑡𝑜 =
1.19
∗ 100 = 43.91%
2.71
𝑃𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑎𝑙 𝑎𝑖𝑠𝑙𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =
𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑎𝑙𝑒 𝑐𝑜𝑛 𝑒𝑙 𝑎𝑔𝑢𝑎 =
(0.24)(100)
= 8.86%
2.71
(1.28)(100)
= 47.23%
2.71
5) Se observa que la eficacia térmica del escaldador es del orden del 44%.