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Matemáticas para ingeniería

Leyes de conservación y balances

Un balance es una contabilidad: cuánto había, cuánto entró, cuánto salió y cuánto se produjo dentro. La dificultad suele estar en decidir qué cuenta cada número. Dibujaremos un tanque, calcularemos sus flujos con unidades y solo después escribiremos la ecuación. El mismo razonamiento sirve para carga eléctrica, masa y otros contenidos, con las hipótesis propias de cada modelo.

1. Primero elegimos qué cantidad contamos y dónde está la frontera

La variable Q puede representar masa, carga, energía u otra cantidad. Especificamos la región o recipiente que la contiene y la unidad. La frontera decide qué es entrada, salida o transferencia interna; cambiar el sistema observado puede cambiar esa clasificación.

Trabajaremos con recipientes o regiones fijas salvo que se indique el cambio de volumen. Una frontera que se mueve requiere medir el flujo respecto de su velocidad. No se introduce creación o pérdida de la cantidad si el modelo las excluye.

El volumen de agua y la masa de sal son dos variables distintas

Un recipiente contiene 12 L de disolución y 6 g de sal.

  1. Volumen

    V=12 L cuenta cuánto espacio ocupa el líquido.
  2. Masa

    M=6 g cuenta la sal dentro.
    Su concentración media es M/V=1/2 g/L.
  3. Cambio posible

    Pueden entrar y salir caudales iguales y mantenerse V, mientras M cambia porque las concentraciones no son iguales.

Resultado

Volumen constante no significa masa de soluto constante.

Lo comprobamos

No se resta un número de litros a uno de gramos en un balance de sal.

Una transferencia interna desaparece al ampliar la frontera

Dos depósitos: entran cinco unidades de masa por tiempo al primero, pasan tres al segundo y salen dos del segundo.

  1. Depósito uno

    Q₁′=5−3=2.
  2. Depósito dos

    Q₂′=3−2=1.
  3. Conjunto

    (Q₁+Q₂)′=2+1=3=5−2.

    El flujo tres cruza una frontera interna y se cancela al sumar ambos balances.

Resultado

El balance total no cuenta dos veces una transferencia entre partes.

Lo comprobamos

Cada flujo interno aparece con un signo menos en su origen y un signo más en su destino.

2. Cambio de contenido es entrada menos salida más producción neta

Durante un intervalo, el cambio de Q es la integral de las tasas de entrada menos las de salida más la producción interna neta. Si las tasas son suficientemente regulares, Q′=entrada−salida+producción. Q y Q′ tienen unidades distintas.

Conservar una cantidad significa que no se crea ni destruye en el modelo. El contenido de un sistema abierto puede aumentar porque recibe más de lo que entrega. Solo en un sistema cerrado y sin producción neta el balance obliga a contenido constante.

Calcular primero la tasa neta y después el cambio

Entran 7 kg/h, salen 4 kg/h y se producen internamente 2 kg/h de la cantidad contada.

  1. Tasa

    Q′=7−4+2=5 kg/h.
  2. Duración

    Durante dos horas con esas tasas constantes, el cambio es 10 kg.

  3. Inicial

    Si al empezar había 3 kg, al final hay 13 kg. Cinco era una tasa, no el contenido final.

Resultado

La condición inicial fija la acumulación anterior al intervalo.

Lo comprobamos

La producción se incluye porque este modelo la declara; para masa total sin reacción creadora se plantearía otro balance.

Una tasa variable se integra, no se multiplica siempre por su último valor

Q(0)=5 g y tasa neta r(t)=2t g/min cuando t se expresa numéricamente en minutos.

  1. Coeficiente

    Más explícitamente, r=(2 g/min²)·t.

    La tasa aumenta con el tiempo.

  2. Acumular

    Entre cero y tres minutos, ∫₀³2t dt=9 g.
  3. Resultado

    Q(3)=5+9=14 g.

    Multiplicar la tasa final 6 g/min por tres minutos habría dado 18 g de cambio, que no corresponde a una tasa creciente desde cero.

Resultado

La integral suma el efecto de cada tasa durante su duración.

Lo comprobamos

Derivar Q(t)=5+t², con unidades coherentes, devuelve la tasa indicada.

3. Caudal por concentración da el flujo de sustancia

Un caudal q en litros por minuto transporta volumen. Multiplicarlo por concentración c en gramos por litro produce qc en gramos por minuto: ese producto puede aparecer en M′. Si hay varias corrientes, se calcula cada producto antes de sumarlos.

La concentración conjunta se pondera por caudales. Una media simple solo sería adecuada si esos caudales fueran iguales. El mismo principio dimensional se aplica a un caudal por una densidad cuando se quiere un flujo de masa total.

Seguir las unidades del producto

Una corriente de 3 L/min contiene 2 g de sal por litro.

  1. Por un minuto

    En ese minuto pasan tres litros, cada uno con dos gramos de sal.

  2. Multiplicar

    (3 L/min)(2 g/L)=6 g/min.
  3. Duración

    Durante cinco minutos constantes entran 30 g de sal. El volumen transportado es 15 L, otra cantidad distinta.

Resultado

Seis es un flujo de sal y tres un caudal de líquido.

Lo comprobamos

Los litros se cancelan en el producto, dejando masa por tiempo.

Dos corrientes desiguales no se promedian por mitad

Entran 3 L/min a 2 g/L y 1 L/min a 10 g/L.

  1. Sal

    Las entradas aportan 6 y 10 g/min: total 16 g/min.

  2. Volumen

    El caudal total es cuatro litros por minuto.

  3. Concentración combinada

    16/4=4 g/L.

    La media simple de dos y diez daría seis, incorrecta porque la corriente menos concentrada tiene tres veces más caudal.

Resultado

El promedio correcto conserva el flujo de sustancia.

Lo comprobamos

Multiplicar cuatro litros por minuto por cuatro gramos por litro recupera 16 g/min.

4. La concentración de salida necesita la hipótesis de mezcla

En un tanque perfectamente mezclado, el contenido tiene concentración uniforme M/V y la salida lleva esa misma concentración.

Su flujo de sal es q salida·M/V, con V>0.

Es una hipótesis sobre el proceso de mezcla, no una identidad válida en cualquier recipiente.

El balance usa masa por tiempo y conserva el volumen
Volumen constante: 12 LEntra: 3 L/min a 2 g/LM gramos de salc=M/12 g/LSale: 3 L/min bien mezcladosSalida de sal: M/4 g/minM′ = 6 − M/4Equilibrio: M=24 g; c=2 g/L
En un tanque de doce litros entran y salen tres litros por minuto. La entrada lleva dos gramos por litro, por lo que aporta seis gramos por minuto. La salida bien mezclada lleva M dividido entre doce gramos por litro y retira M dividido entre cuatro gramos por minuto. La masa de equilibrio es veinticuatro gramos, aunque las corrientes siguen circulando.

Si hay capas de distinta concentración, una salida puede extraer una de ellas y no la media total. El balance entrada−salida sigue siendo correcto, pero su expresión en función de M necesita otro modelo. Dibujar corrientes ayuda a distinguir la contabilidad de esa hipótesis adicional.

Escribir la ecuación del tanque después de calcular ambos flujos

Tanque de 12 L, entrada 3 L/min a 2 g/L, salida 3 L/min bien mezclada.

  1. Volumen

    Los caudales iguales dan V′=0; se conservan los 12 L.

  2. Flujos de sal

    Entran 6 g/min; salen (3 L/min)(M/12 g/L)=M/4 g/min si M se expresa en gramos.

  3. Balance

    M′=6−M/4.
    Si M=12 g, la tasa es tres gramos por minuto.

    Hace falta M(0) para elegir una trayectoria.

Resultado

La ecuación corresponde al tanque y a la mezcla declarados.

Lo comprobamos

El equilibrio M=24 g da concentración dos gramos por litro, igual a la corriente entrante.

Una capa de salida puede refutar el modelo de mezcla perfecta

El mismo volumen total 12 L contiene seis litros a 0 g/L y seis a 2 g/L; la salida toma de la capa concentrada.

  1. Promedio

    La masa total es 12 g y la media M/V es 1 g/L.

  2. Salida real indicada

    La corriente sale a 2 g/L. Con 3 L/min retira 6 g/min, en vez de los tres que daría usar la media.

  3. Modelo

    Con la misma entrada de 6 g/min, la tasa inicial de masa es cero en esta situación, no tres. Para continuar se necesita modelar la evolución de las capas.

Resultado

El error estaba en asumir qué concentración sale, no en la ley de balance.

Lo comprobamos

La comparación se hace en ese instante y no inventa una evolución futura de capas sin datos.

5. Si cambia el volumen, derivar concentración exige la regla del cociente

Sin reacción, V′=q entrada−q salida y M′=q entrada·c entrada−q salida·M/V.

Al definir c=M/V, se obtiene c′=(M′V−MV′)/V²=q entrada(c entrada−c)/V.

El caudal de salida sigue influyendo en V y en el intervalo de validez.

No se usa c′=M′/V cuando V cambia.

Se conservan datos iniciales y se detiene o cambia el modelo al vaciar, desbordar o perder la hipótesis de mezcla. El cociente requiere volumen positivo, aunque una fórmula límite parezca producir un número en el instante de vaciado.

Un tanque que aumenta volumen puede aumentar masa y reducir su tasa

V(0)=10 L, M(0)=0; entran 2 L/min a 3 g/L y sale 1 L/min bien mezclado.

  1. Volumen

    V=10+t litros, con t en minutos, mientras no haya desbordamiento.

  2. Concentración

    c′=2(3−c)/(10+t), c(0)=0.
    Su solución es c=3[1−(10/(10+t))²] g/L.
  3. Masa

    M=Vc=3(10+t)−300/(10+t) gramos.
    En t=10, V=20 L, c=2,25 g/L y M=45 g.
    La ecuación original da M′=6−c.
Resultado

Concentración, masa y volumen se reconstruyen de forma compatible.

Lo comprobamos

En t=0, la tasa de masa es seis gramos por minuto, pero en t=10 es 3,75, porque ya sale sal.

Un tanque que se vacía tiene un dominio físico finito

V(0)=10 L y M(0)=20 g; entra agua pura a 1 L/min y salen 2 L/min bien mezclados.

  1. Volumen

    V=10−t y el modelo se usa para 0≤t<10 minutos.
  2. Soluciones

    M=(10−t)²/5 gramos y c=(10−t)/5 g/L satisfacen M′=−2M/V y c′=−c/V.
  3. Comprobar

    En t=5, V=5 L, M=5 g y c=1 g/L.

    Al llegar a volumen cero no se sigue usando M/V como si el tanque aún tuviera líquido.

Resultado

La fórmula matemática y su intervalo físico se informan juntos.

Lo comprobamos

El descenso de concentración procede de la entrada de agua pura; la salida influye en cuánto volumen queda.

6. Equilibrio significa tasa neta cero, aunque sigan pasando corrientes

En volumen constante V y caudales iguales q>0, M′=q(c entrada−M/V).

El equilibrio M*=V·c entrada conserva masa por igualdad de flujos, no por ausencia de ellos.

Con z=M−M*, resulta z′=−(q/V)z.

La desviación decae con tiempo característico V/q. Una producción, reacción o entrada variable cambia el balance y puede cambiar equilibrio y estabilidad. El resultado de un tanque sin reacción no se reutiliza sin revisar un tanque que sí la tiene.

La masa se acerca a su equilibrio con una escala de cuatro minutos

Tanque anterior de 12 L y q=3 L/min, c entrada=2 g/L; masa inicial 12 g.

  1. Equilibrio

    M*=24 g y la desviación inicial es menos doce gramos.
  2. Evolución

    M(t)=24−12exp(−t/4) gramos, con t en minutos.
  3. Escala

    En cuatro minutos la distancia al equilibrio se reduce por 1/e: M(4)=24−12/e. Las corrientes de líquido siguen siendo tres litros por minuto.

Resultado

El volumen dividido por el caudal tiene unidades de tiempo.

Lo comprobamos

Sustituir M=24 en el balance da seis menos seis gramos por minuto, igual a cero.

Una reacción puede hacer distinta la concentración de equilibrio

Añadir pérdida de sal a razón γM, con γ=1/4 min⁻¹, al mismo tanque.

  1. Nuevo balance

    M′=6−M/4−M/4=6−M/2.
  2. Equilibrio

    M*=12 g y concentración un gramo por litro, menor que los dos de entrada.

  3. Comprobar flujos

    En equilibrio entran seis gramos por minuto; salen tres con el líquido y se pierden tres por reacción. La suma de salidas y pérdida compensa la entrada.

Resultado

Tasa neta cero no obliga a igualar las concentraciones si existe otra pérdida.

Lo comprobamos

La reacción está incluida explícitamente; no se la inventa para explicar una diferencia sin datos.

7. Integrar y discretizar un balance exige conservar también la validez física

Con tasa neta r, Q(t)=Q(0)+∫₀ᵗr(s)ds.

Una tasa constante da una recta mientras puedan mantenerse sus hipótesis. Un contenido negativo puede indicar que se prolongó una salida más allá de lo disponible.

En un cálculo numérico, conservar el total y conservar positividad son propiedades distintas. Se pueden transferir exactamente las mismas cantidades entre compartimentos y, sin embargo, dar un paso tan grande que uno termine con masa negativa. Ambas comprobaciones pueden ser necesarias.

Una ley de agotamiento se detiene al vaciar el depósito

Contenido inicial siete unidades; entra una por minuto y salen tres por minuto mientras haya contenido.

  1. Balance

    Q′=−2 y Q=7−2t.
  2. Vaciado

    Q=0 ocurre en t=7/2 minutos.
  3. Dominio

    Prolongar a t=5 daría menos tres, incompatible con una cantidad no negativa. La salida real tendría que cambiar o el modelo detenerse antes.

Resultado

La solución se acompaña del intervalo en que la salida supuesta es posible.

Lo comprobamos

No se corrige una trayectoria negativa poniendo cero sin declarar qué nueva regla de salida se adopta.

Un paso que conserva suma puede producir una masa imposible

Dos compartimentos cerrados: Q₁′=−kQ₁, Q₂′=kQ₁, con k=1 min⁻¹, inicio (1,0).

  1. Euler explícito

    Con paso Δt, se usa la misma transferencia Δt·kQ₁ antiguo en ambas actualizaciones, con signos opuestos.

  2. Paso grande

    Con Δt=2 min se obtiene (−1,2).

    La suma sigue siendo uno, pero la primera cantidad es negativa.

  3. Condición

    Para ese paso desde cantidades no negativas, kΔt≤1 asegura que no se retire más de Q₁. Conservación y positividad se verifican por separado.

Resultado

Un balance numérico exacto del total no certifica por sí solo todo el comportamiento físico.

Lo comprobamos

La solución continua desde esos datos sería (exp(−t),1−exp(−t)), siempre no negativa.

8. El balance espacial usa el flujo exterior y necesita una ley constitutiva

En una región fija Ω, una densidad ρ acumula Q=∫Ωρ. Con flujo vectorial J y normal exterior n, el balance es dQ/dt=−∫ frontera J·n+∫Ωs. Salida exterior positiva reduce el contenido. Con regularidad adecuada y el teorema de Gauss aparece ∂ₜρ+divJ=s.

La contabilidad no determina J. Una ley constitutiva añade, por ejemplo, J=ρv para transporte o J=−D∇ρ para difusión. Cada una necesita su propio marco físico. En una frontera móvil se modifica el flujo relativo antes de usar un balance del contenido móvil.

En un intervalo, las dos fronteras tienen normales opuestas

Región [a, b] unidimensional, sin producción. J(a)=1 g/min y J(b)=4 g/min, positivos hacia la derecha.

  1. Izquierda

    La normal exterior apunta a la izquierda, así el flujo exterior allí es −J(a)=−1: es una entrada.

  2. Derecha

    La normal exterior apunta a la derecha, así el flujo exterior es +J(b)=4.

  3. Balance

    Q′=−[J(b)−J(a)]=−3 g/min.

    La salida neta es tres, no cinco.

Resultado

El signo procede de la orientación de la frontera.

Lo comprobamos

Si ambos flujos fueran iguales, la cantidad total podría mantenerse aunque hubiera circulación.

La ley difusiva fija el sentido de transporte

En una dimensión, D=2 m²/min y gradiente de densidad ρₓ=3 g/m².

  1. Flujo

    J=−Dρₓ=−6 g/min: apunta hacia densidad menor, a la izquierda con ese gradiente positivo.

  2. Local

    Con D constante, ∂ₜρ+∂ₓ(−Dρₓ)=s se reorganiza como ρₜ=Dρₓₓ+s.
  3. Alcance

    El balance aporta la contabilidad y la ley de Fick aporta la relación entre flujo y gradiente. Sin esa segunda hipótesis no se habría deducido la ecuación de difusión.

Resultado

Las unidades y el signo se conservan al pasar del flujo a la ecuación local.

Lo comprobamos

Para D variable, la expresión es ∂ₓ(Dρₓ), no siempre Dρₓₓ.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un tanque de volumen fijo

Tanque de 10 L con M gramos de sal. Entran 2 L/min a 3 g/L y salen 2 L/min bien mezclados. Formula M′.

  1. Cantidad

    M representa gramos de sal dentro de un tanque de 10 L; el tiempo se mide en minutos.

  2. Volumen

    Entran y salen 2 L/min, así el volumen permanece diez litros bajo las hipótesis del enunciado.

  3. Entrada de sal

    (2 L/min)(3 g/L)=6 g/min.
  4. Salida de sal

    La mezcla uniforme tiene concentración M/10 g/L.

    La salida transporta (2 L/min)(M/10 g/L)=M/5 g/min.
  5. Balance

    M′=6−M/5, con unidades de gramos por minuto y sin producción interna declarada.

  6. Control

    En equilibrio M=30 g y M/10=3 g/L, igual a la entrada.

    Para resolver una trayectoria concreta se necesitaría además M(0).

Resultado

M′=6−M/5.

Lo comprobamos

El equilibrio M=30 g corresponde a concentración 3 g/L, igual a la entrada.

EJEMPLO RESUELTO 2

Carga neta de una batería

Una batería recibe 4 C/s y entrega 1 C/s, sin otras pérdidas. Parte con 10 C. Halla carga a los 5 s.

  1. Cantidad

    Q es carga eléctrica en culombios; inicialmente hay 10 C.

  2. Tasas

    Entran 4 C/s y salen 1 C/s, sin otras pérdidas.

  3. Neto

    Q′=4−1=3 C/s.
  4. Acumular

    En cinco segundos, el cambio es 3·5=15 C.
  5. Resultado

    Q(5)=10+15=25 C.
  6. Control

    La expresión Q(t)=10+3t, con unidades coherentes, tiene derivada tres y recupera la carga inicial diez en t=0.

Resultado

Q(5)=25 C.

Lo comprobamos

Se acumulan 15 C netos durante cinco segundos.

Los símbolos que hemos usado

Cantidad extensiva
Magnitud que se suma al unir partes, como masa o carga.
Q(t), M(t), V(t)
Cantidad acumulada, masa o volumen en el instante t, según el problema.
Flujo
Cantidad que cruza la frontera por unidad de tiempo.
Fuente / sumidero
Producción / consumo dentro del sistema.
c=M/V
Concentración media de masa cuando V>0.
Equilibrio
Estado en que la acumulación neta es cero bajo las condiciones del modelo.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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