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BalanceSolver

Calentar aire de 25 a 400 °C con Cp variable

Por Daniel · Actualizado el 1 de noviembre de 2026

Para gases en intervalos grandes de temperatura, el Cp cambia lo suficiente como para notarse. Aquí se integra el Cp de cada componente con la ecuación de Shomate y se compara con lo que daría un Cp constante.

Enunciado

Se calientan 50 kmol/h de aire (21 % O₂ y 79 % N₂ en mol) de 25 °C a 400 °C a presión constante. ¿Cuánto calor se necesita?

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Solución paso a paso

1. Diagrama de flujo

A1A2 Ccalentador

2. Datos, unidades y notación

Notación:

  • ṅi,F = flujo molar del componente i en la corriente F (kmol/h).
  • ṅF = Σi ṅi,F (kmol/h); ṁF = Σi Mi ṅi,F (kg/h).

3. Análisis de grados de libertad

SubsistemaVariablesBalancesDatos y relacionesGL
Calentador C5320
Sistema completo55 ecuaciones0

GL = variables − balances independientes − datos y relaciones. Las variables son los flujos de cada componente en cada corriente, más grados de avance, fracciones de división, Q, W y temperaturas desconocidas. Con GL = 0 el problema está completamente especificado. Se empieza por el subsistema con GL = 0.

4. Ecuaciones planteadas

  1. Dato · A1 ṅA1 = 50 kmol/h
  2. Dato · A1 ṅO2,A1 = 0.21 ṅA1
  3. Balance · C ṅO2,A2 = ṅO2,A1
  4. Balance · C ṅN2,A2 = ṅN2,A1
  5. Energía · C Q̇C − 0 = Σsale ṅiĤi − Σentra ṅiĤibalance de energía en estado estacionario, sin cambios de energía cinética ni potencial

5. Solución paso a paso

  1. Corriente A1: 2 ecuaciones simultáneas: ecuaciones (1), (2), resueltas a la vez (Newton-Raphson, 2 iteraciones). ⇒ ṅO2,A1 = 10.5 kmol/h
    ⇒ ṅN2,A1 = 39.5 kmol/h
  2. De la ecuación (3): ṅO2,A2 = (10.5) ⇒ ṅO2,A2 = 10.5 kmol/h
  3. De la ecuación (4): ṅN2,A2 = (39.5) ⇒ ṅN2,A2 = 39.5 kmol/h
  4. De la ecuación (5) ⇒ Q̇C = 560,920 kJ/h

6. Resultados

A1 · 25 °C, gas

Componentekmol/hFracción molarkg/hFracción másica
O210.50.21335.980.2329
N239.50.791,106.60.7671
Total5011,442.51

A2 · 400 °C, gas

Componentekmol/hFracción molarkg/hFracción másica
O210.50.21335.980.2329
N239.50.791,106.60.7671
Total5011,442.51
Otras incógnitasValor
Q̇C560,920 kJ/h

7. Balance de energía

Estados de referencia: O2 (gas, 25 °C); N2 (gas, 25 °C). Ĥ en kJ/kmol.

Calentador C

CorrienteComp.T (°C)FlujoĤTrayectoria
entraA1O2 (gas)2510.500 (estado de referencia)
entraA1N2 (gas)2539.500 (estado de referencia)
saleA2O2 (gas)40010.511,617∫Cp(g) de 25 a 400 °C: 11,617
saleA2N2 (gas)40039.511,112∫Cp(g) de 25 a 400 °C: 11,112

ΔĤ = Σsale − Σentra = 560,920 − 0 = 560,920 kJ/h

Q − Ws = ΔĤ ⇒ Q = 560,920 kJ/h (se agrega calor)

Datos de Cp, calores latentes: NIST Chemistry WebBook, SRD 69 (webbook.nist.gov).

8. Verificación (entra + genera = sale)

EquipoBalanceEntraGeneraSaleError
Calentador CBalance de O210.5010.5 ✓ 4.2 × 10-9 %
Calentador CBalance de N239.5039.5 ✓ 2.5 × 10-9 %
Calentador CMasa total1,442.501,442.5 ✓ 9.5 × 10-10 %
Calentador CEnergía (Q − W − ΔH) ✓ 0 %

Tolerancia: error relativo menor a 1 × 10-4 %. Todos los balances cierran.

Claves del problema

Errores comunes

Preguntas frecuentes

¿Por qué el Cp de un gas aumenta con la temperatura?

Porque a temperaturas más altas se activan más modos de vibración de las moléculas, que almacenan energía.

¿El aire se puede tratar como un solo componente?

Sí, con un Cp promedio del aire. Aquí se usan O₂ y N₂ por separado para mostrar el método general.

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