Balance de materia y energía
Institución: UCE — FIGEMPA
Periodo: Cuarto Semestre 2026-2027
Autor: Grupo 1Carrera: Ingeniería Ambiental
Docente. Ing. Ilia Alomia
Integrantes: Pacheco Samanta, Criollo Jhonny
Asignatura: Balance de masa y energía
Práctica Nº: 3
- Aplicar el principio de conservación de masa en sistemas sin reacción.
- Cuantificar entradas, salidas y acumulación en un sistema físico.
- Evaluar errores experimentales en balances de masa.
-Evaluar el principio de conservación de masa mediante la elaboración de un sistema físico (batido) sin reacción química.
-Determinar las masas de entrada y salida del sistema. -Analizar la acumulación o pérdidas de masa. -Calcular el error porcentual del balance de masa.
\[Materiales\]
- Balanza analítica
- Licuadora
- Recipientes medidores
\[Reactivos / insumos\]
- Leche (≈450 mL)
- Guineo (2 unidades)
El balance de masa se fundamenta en el principio de conservación de la materia (\(\text{Entrada} + \text{Generación} = \text{Salida} + \text{Acumulación}\)).
Sistemas sin reacción química: Al no existir generación ni consumo de sustancias (\(\text{Generación} = 0\)), el balance se simplifica a: \[\text{Entrada} = \text{Salida} + \text{Acumulación}\]
Estado estacionario: Las propiedades no varían con el tiempo, por lo que la acumulación es cero (\(\text{Acumulación} = 0\)).
Sistema sin reacción y en estado estacionario: Se cumple que todo lo que ingresa es igual a lo que sale: \[\sum \text{Entradas} = \sum \text{Salidas}\]
Se registró el peso bruto del guineo entero (209.3 g) empleando una balanza analítica/semianalítica. Posteriormente, se retiró manualmente la cáscara y se depositó sobre un plato cuya tara (2.0 g) fue previamente descontada de la masa combinada (73.9 g), obteniendo una masa neta de cáscara de 71.9 g. Por diferencia de pesada, se determinó que la masa neta de pulpa de guineo disponible para el sistema fue de 137.2 g.
Se midió un volumen exacto de 300.0 mL de leche utilizando una probeta graduada. Se determinó el peso del empaque vaciado (funda vacía = 6.6 g) y de la masa neta de leche (261.3 g). A partir de la relación masa/volumen, se calculó la densidad aparente del fluido utilizado (ρ = 261.3 g / 300.0 mL = 0.871 g/mL). Todos los datos iniciales se consolidaron en el registro de entradas.
La pulpa de guineo (137.2 g) y el volumen medido de leche (261.3 g) se cargaron completamente en el vaso de la licuadora (unidad de proceso). Se cerró herméticamente el sistema y se procedió al mezclado a velocidad media durante aproximadamente 60 a 90 segundos hasta conseguir una suspensión totalmente homogénea.
El batido resultante se descargó progresivamente en tres recipientes previamente tarados (tara por vaso = 2.4 g). Se cuantificaron los pesos brutos obteniendo 192.9 g en el Vaso 1 (190.5 g netos), 189.9 g en el Vaso 2 (187.5 g netos) y 25.7 g en el Vaso 3 (23.3 g netos). La suma total de las fracciones netas recolectadas arrojó una masa final de salida de 401.3 g.
library(knitr)
tabla_insumos <- data.frame(
Parametro = c("Masa de leche", "Volumen de leche", "Masa de guineo (pulpa)", "Masa total de entrada"),
Valor = c("261.3 g", "300.0 mL", "137.2 g", "398.5 g")
)
kable(tabla_insumos, caption = "Tabla 1: Registro de masa y volumen de entrada al sistema", align = "lc")| Parametro | Valor |
|---|---|
| Masa de leche | 261.3 g |
| Volumen de leche | 300.0 mL |
| Masa de guineo (pulpa) | 137.2 g |
| Masa total de entrada | 398.5 g |
tabla_vasos <- data.frame(
Recipiente = c("Vaso 1", "Vaso 2", "Vaso 3", "Total Salida"),
Peso_Bruto_g = c(192.9, 189.9, 25.7, "-"),
Tara_Vaso_g = c(2.4, 2.4, 2.4, "-"),
Masa_Neta_Batido_g = c(190.5, 187.5, 23.3, 401.3)
)
kable(tabla_vasos, caption = "Tabla 2: Desglose de masa de salida por recipientes", align = "lccc")| Recipiente | Peso_Bruto_g | Tara_Vaso_g | Masa_Neta_Batido_g |
|---|---|---|---|
| Vaso 1 | 192.9 | 2.4 | 190.5 |
| Vaso 2 | 189.9 | 2.4 | 187.5 |
| Vaso 3 | 25.7 | 2.4 | 23.3 |
| Total Salida | - | - | 401.3 |
# --- 1. DEFINICIÓN DE VARIABLES DE ENTRADA ---
masa_leche <- 261.3 # g
volumen_leche <- 300.0 # mL
masa_guineo <- 137.2 # g
# --- 2. DEFINICIÓN DE VARIABLES DE SALIDA (VASOS) ---
tara_vaso <- 2.4 # g (peso de cada vaso vacio)
peso_bruto_v1 <- 192.9 # g
peso_bruto_v2 <- 189.9 # g
peso_bruto_v3 <- 25.7 # g
# Masa neta por vaso (Peso Bruto - Tara)
masa_neta_v1 <- peso_bruto_v1 - tara_vaso
masa_neta_v2 <- peso_bruto_v2 - tara_vaso
masa_neta_v3 <- peso_bruto_v3 - tara_vaso
# --- 3. CÁLCULOS DEL BALANCE DE MASA ---
# Masa Total de Entrada
masa_entrada <- masa_leche + masa_guineo
# Masa Total de Salida
masa_salida <- masa_neta_v1 + masa_neta_v2 + masa_neta_v3
# Diferencia de masa (Salida - Entrada)
diferencia_masa <- masa_salida - masa_entrada
# Error Porcentual (%)
error_porcentual <- (abs(masa_entrada - masa_salida) / masa_entrada) * 100
# --- 4. MOSTRAR RESULTADOS EN TABLA ---
resumen_calculos <- data.frame(
Concepto = c("Masa Total de Entrada",
"Masa Total de Salida",
"Diferencia (Salida - Entrada)",
"Error Porcentual"),
Valor = c(paste(round(masa_entrada, 2), "g"),
paste(round(masa_salida, 2), "g"),
paste(round(diferencia_masa, 2), "g"),
paste(round(error_porcentual, 2), "%"))
)
knitr::kable(resumen_calculos,
caption = "Tabla 3: Resumen de calculos del balance de masa",
align = "lc")| Concepto | Valor |
|---|---|
| Masa Total de Entrada | 398.5 g |
| Masa Total de Salida | 401.3 g |
| Diferencia (Salida - Entrada) | 2.8 g |
| Error Porcentual | 0.7 % |
El balance de materia efectuado sobre el proceso de mezclado arrojó una masa total de entrada m_in = 398.5 g (correspondiente a 137.2 g de pulpa de guineo y 261.3 g de leche) y una masa total de salida m_out = 401.3 g (distribuida en tres recipientes). Esto representa una diferencia absoluta de +2.8 g, traduciéndose en un porcentaje de error relativo de tan solo 0.7%, lo cual demuestra una concordancia experimental excepcionalmente alta respecto a la Ley de Conservación de la Materia. Desde la perspectiva teórica del balance en estado estacionario (Acumulación = Entrada - Salida), la masa de salida debería ser idéntica o ligeramente menor a la de entrada debido a pérdidas por adherencia en las paredes del vaso de la licuadora o evaporación de volátiles. Sin embargo, el ligero incremento observado (+2.8 g) se atribuye principalmente a factores operacionales e instrumentales: (1) fluctuaciones de calibración o deriva en el cero de la balanza digital entre las pesadas iniciales y finales; (2) variabilidad en la tara del menaje o del plato; y (3) incorporación de burbujas de aire durante el licuado intenso (aire ocluido/espuma) que puede alterar ligeramente la estabilidad de la lectura si no se estabiliza la masa en la balanza. Dado que el error se mantiene sustancialmente por debajo del umbral del 1.0%, el balance de masa se considera plenamente validado y altamente confiable para fines de ingeniería operacional.
\[Pre-lab\]
¿Qué es un balance de masa?
Es el cálculo contable basado en la Ley de Conservación de la Materia de Lavoisier (‘la materia no se crea ni se destruye, solo se transforma’). Establece que en cualquier sistema físico o químico, la masa total que ingresa debe ser igual a la masa total que sale más la masa que se acumula o consume dentro de las fronteras del sistema (Entrada - Salida + Generación - Consumo = Acumulación).
¿Qué significa estado estacionario?
Un sistema opera en estado estacionario (o régimen permanente) cuando ninguna de sus propiedades fundamentales (como la masa, la temperatura, la presión o la concentración) varía con respecto al tiempo en ningún punto dentro del sistema. En este estado, el término de acumulación es igual a cero (Entradas = Salidas).
\[Post-lab\]
Compare la masa de entrada y salida:
La masa total de entrada al proceso fue de 398.5 g, mientras que la masa total de salida recuperada en los vasos fue de 401.3 g. Existe una discrepancia menor de 2.8 g entre ambas corrientes.
¿Hubo pérdidas o acumulación?
Identifique fuentes de error (evaporación, pérdidas en equipo, errores de medición): En términos teóricos, en un sistema abierto con agitación mecánica suelen presentarse pérdidas físicas por adherencia de mezcla viscosa en la licuadora y menormente por evaporación. No obstante, el registro experimental mostró un excedente aparente de +2.8 g en la salida. Las fuentes principales de error son: a) Errores de medición instrumental (precisión/sensibilidad de la balanza y redondeo de decimales en pesadas intermedias); b) Incerteza en la tara uniforme de los recipientes (usar una tara estándar de 2.4 g para todos los vasos); c) Inclusión de espuma/aire durante el batido; y d) Restos de humedad previa en el vaso de fraccionamiento.
¿Cómo mejoraría el experimento?
- Tarar individualmente cada vaso y recipiente con precisión decimal antes del llenado.
- Calibrar la balanza analítica antes de registrar las masas iniciales y finales en una misma sesión continua.
- Recuperar cuantitativamente los residuos retenidos en la licuadora mediante rascado estándar con espátula de goma flexible para cuantificar las mermas reales.
- Dejar reposar el batido para desgasificar las burbujas de aire ocluidas antes del pesaje final.
Pérdidas visibles y retención: Se observó una película delgada de espuma y residuo denso colgado en la pared interna y la base de las cuchillas de la licuadora, representando una pérdida física por transferencia que no fue transferida a los vasos.
Evaluación de la precisión de instrumentos: La densidad de la leche calculada experimentalmente (0.871 g/mL) presenta un valor inferior a la densidad media teórica de la leche entera (~1.03 g/mL), lo cual sugiere una desviación en la medición del volumen en la probeta o en la tara del empaque.
Mejoras en la transferencia de material: Se recomienda emplear un embudo de trasvase y espátula miserable de silicona para minimizar la masa retenida durante el vertido desde el vaso de la licuadora hacia los recipientes finales.
• Felder, R. M., & Rousseau, R. W. (2004). Principios elementales de los procesos químicos (3.ª ed.). Editorial Limusa Wiley.
• Himmelblau, D. M., & Riggs, J. B. (2012). Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering (8th ed.). Prentice Hall.
• Geankoplis, C. J. (2006). Procesos de transporte y principios de procesos de separación (4.ª ed.). Grupo Editorial Patria.