La masa es una medida de la cantidad de materia. Con frecuencia se confunde la masa con el peso. El peso es la acción de la fuerza de la gravedad sobre la masa de un objeto en particular. Durante la mayor parte de su historia, la raza humana estuvo restringida a la superficie del planeta tierra, que ejerce una fuerza gravitatoria relativamente constante (9,8 m/s2) sobre un objeto, de modo que los términos masa y peso se emplean por lo general de manera indistinta. Si algo tiene el doble de masa que otra cosa, también pesa dos veces más.
Cuando se enciende una vela, ésta por acción del calor generado se funde, es decir cambia de estado, pero sin lugar a dudas no se pierde ni se gana masa. La masa total de la cera y el oxígeno presentes antes de la combustión es igual a la masa total de dióxido de carbono, vapor de agua y cera no quemada, que quedan luego de la reacción.
Durante un cambio de estado o de una reacción química la masa se conserva. Esto es lo que quiere decir la Ley de Conservación de la masa, que afirma que la masa no se crea ni se destruye durante un cambio químico.
El descubrimiento de la ley de la conservación de la masa fue realizado por Antoine Lavoisier, francés (1743 - 1794), en la época en que las colonias norteamericanas participaban en la Guerra de Revolución. Luego de llevar a cabo múltiples reacciones en recipientes cerrados, para que las sustancias no pudieran entrar ni salir, Lavoiser concluyó que no ocurría cambio alguno en la masa total.
Como la masa se conserva durante las reacciones químicas, también debe conservarse la materia. La materia no se crea ni se destruye durante una reacción química, sólo se transforma. Es decir, la materia no se puede crear de la nada; no es posible crear átomos de la nada, sólo es posible hacer nuevos materiales cambiando la forma en que se combinan los átomos.
Si la masa debe conservarse durante una reacción química, también debe hacerlo durante cualquier proceso de transferencia de masa. En química, existen diferentes procesos de transferencia de masa. Debemos saber que estos procesos generalmente se clasifican en intermitentes (o por lotes), continuos y semi-intermitentes. En los procesos intermitentes la alimentación (insumos, entradas, materia prima, reactivos) se introduce al sistema al inicio del proceso y todos los productos se extraen juntos un tiempo después. En un proceso continuo las entradas y salidas fluyen continuamente durante el proceso; por ejemplo cuando se bombea una muestra de líquidos en una columna de destilación a una velocidad constante y se extraen continuamente flujos de vapor y de líquido de la parte superior e inferior de la columna. En los procesos semi-intermitentes, también conocidos como procesos semi-continuos; se mezclan varios líquidos lentamente en un tanque del que no se extrae nada.
Los procesos pueden ser operados tanto en régimen permanente (estado estacionario) como en régimen no permanente (estado transitorio). En régimen permanente quiere decir que todas las variables del proceso; tales como temperatura, presión, volumen, velocidad de flujo, etc., no cambian con el tiempo, excepto, posiblemente, por pequeñas fluctuaciones alrededor de los valores promedio constates. Se dice que la operación es transitoria o de régimen no permanente si cualquiera de las variables del proceso cambia con el tiempo. Por naturaleza los procesos intermitentes y semi-intermitentes son operaciones en régimen no permanente. Mientras que los procesos continuos pueden ser transitorios o en régimen permanente.
Para evaluar los procesos, generalmente se realiza un balance de materia. Un balance o inventario sobre una sustancia en un sistema (el sistema puede ser una sola unidad del proceso, una colección de unidades o bien un proceso completo) puede escribirse de la siguiente forma general:
Esta ecuación general de balance puede escribirse para cualquier sustancia que entre o salga de cualquier proceso; puede aplicarse a la masa total de esta sustancia o a cualquier especie atómica o molécula involucrada en el proceso.
La aplicación de esta ecuación es muy sencilla. Por ejemplo, supongamos que cada año 50 mil personas se mudan a una ciudad mientras que 75 mil emigran de ella y por otro lado, 22 mil nacen y 19 mil mueren. Se puede escribir un balance de la población en la ciudad. Se toman las personas que se mudan como la entrada, las que emigran son la salida, las que nacen son la producción y el consumo las que mueren. Así:
El descubrimiento de la ley de la conservación de la masa fue realizado por Antoine Lavoisier, francés (1743 - 1794), en la época en que las colonias norteamericanas participaban en la Guerra de Revolución. Luego de llevar a cabo múltiples reacciones en recipientes cerrados, para que las sustancias no pudieran entrar ni salir, Lavoiser concluyó que no ocurría cambio alguno en la masa total.
Como la masa se conserva durante las reacciones químicas, también debe conservarse la materia. La materia no se crea ni se destruye durante una reacción química, sólo se transforma. Es decir, la materia no se puede crear de la nada; no es posible crear átomos de la nada, sólo es posible hacer nuevos materiales cambiando la forma en que se combinan los átomos.
Los procesos pueden ser operados tanto en régimen permanente (estado estacionario) como en régimen no permanente (estado transitorio). En régimen permanente quiere decir que todas las variables del proceso; tales como temperatura, presión, volumen, velocidad de flujo, etc., no cambian con el tiempo, excepto, posiblemente, por pequeñas fluctuaciones alrededor de los valores promedio constates. Se dice que la operación es transitoria o de régimen no permanente si cualquiera de las variables del proceso cambia con el tiempo. Por naturaleza los procesos intermitentes y semi-intermitentes son operaciones en régimen no permanente. Mientras que los procesos continuos pueden ser transitorios o en régimen permanente.
Para evaluar los procesos, generalmente se realiza un balance de materia. Un balance o inventario sobre una sustancia en un sistema (el sistema puede ser una sola unidad del proceso, una colección de unidades o bien un proceso completo) puede escribirse de la siguiente forma general:
Entrada + Producción - Salida - Consumo = Acumulación
Esta ecuación general de balance puede escribirse para cualquier sustancia que entre o salga de cualquier proceso; puede aplicarse a la masa total de esta sustancia o a cualquier especie atómica o molécula involucrada en el proceso.
La aplicación de esta ecuación es muy sencilla. Por ejemplo, supongamos que cada año 50 mil personas se mudan a una ciudad mientras que 75 mil emigran de ella y por otro lado, 22 mil nacen y 19 mil mueren. Se puede escribir un balance de la población en la ciudad. Se toman las personas que se mudan como la entrada, las que emigran son la salida, las que nacen son la producción y el consumo las que mueren. Así:
50 mil + 22 mil -75 mil - 19 mil = Acumulación
Acumulación = -22 mil personas al año
(la población disminuye en 22 mil personas por año)
Ahora, cuando tenemos procesos continuos en régimen permanente el término Acumulación se hace cero, A = 0. Es así, necesariamente, ya que de lo contrario no estaríamos en régimen permanente. En este caso la ecuación de balance queda simplificada a:
Entrada + Producción = Salida + Consumo
Esta ecuación puede simplificarse aún más si el proceso no involucra reacciones químicas. En este caso tanto la Producción como el Consumo se hacen igual a cero, dado que sólo puede haber producción y consumo de sustancias o materiales si se efectúan reacciones químicas. Podemos escribir la ecuación de balance como:
Entrada = Salida
Veamos un ejemplo: En un proceso de destilación continua se tienen 1000 Kg/h de una mezcla de tolueno (T) y benceno (B) al 50% en masa. En el tope del destilador salen 450 Kg/h de benceno y una cantidad desconocida de tolueno (Q1) en Kg/h. Por el fondo del destilador salen 475 Kg/h de tolueno y una cantidad desconocida de benceno (Q2) en Kg/h. Se pide hallar Q1 y Q2.
Como el procesos se efectúa en régimen permanente, no se produce material alguno en el sistema, la Acumulación = 0
Además no ocurren reacciones químicas, Producción = 0 y Consumo = 0
Entrada = Salida
Balance en Benceno (B):
500 Kg B/h = 450 Kg B/h + Q2
Q2 = 50 Kg B/h
Balance en Tolueno (T):
500 Kg T/h = Q1 + 475 Kg T/h
Q1 = 25 Kg T/h
Como vez es muy sencillo aplicar los balances de masa, sólo tiene que entenderse el proceso para plantear adecuadamente las ecuaciones. Dependiendo del tipo de proceso pueden existir una o varias entradas y salidas.
Generalmente podemos aplicar algunas reglas en el balance de masa en procesos no reactivos:
1. El número máximo de ecuaciones independiente que pueden establecerse, escribiendo los balances para un sistema no reactivo, es igual al número de especies químicas en los flujos de entrada y de salida.
2. Se deben escribir primero los balances que involucren el menor número de incógnitas.
3. Se deben resolver los sistemas de ecuaciones utilizando las herramientas de calculo aritmético pertinentes.
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