Práctica Fenomenos de Transporte (1)

7/24/2019 Práctica Fenomenos de Transporte (1)

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PRÁCTICA No 4

FENOMENOS DE TRANSPORTE 1

Transferencia de Calor

Objetivo: Aplicar calor a distintos materiales para obtener el valor de k.

Problema: ¿Cómo se propaga el calor en los sólidos?

Antecedentes

El transporte de calor por conducción se lleva a cabo entre moléculas vecinasde una sustancia, debido a un gradiente de temperatura. El sentido del flujo decalor, siempre va de la región de lata temperatura a la región de bajatemperatura, se alcanza el equilibrio térmico cuando ambas regiones alcanzan

la misma temperatura (para un sistema aislado térmicamente). Este tipo de

transporte se lleva a cabo en todas las formas de la materia: sólidos, líquidosgases y plasmas.

Los cuerpos de algunas sustancias tienen la propiedad de conducir el calor, losque tienen esa propiedad se llaman conductores; los que no, aisladores. Estapropiedad es mensurable y su medida se llama, conductividad térmica.

La conductividad térmica es una propiedad que dice cuan fácil es la conduccióndel calor a través de los materiales. Es elevada en metales y en general encuerpos continuos, y es baja en materiales iónicos covalentes, siendo muy bajaen algunos materiales especiales como la fibra de vidrio por lo que se

denomina aislante térmico.

Cuando se calienta la materia varia el comportamiento de su estado molecular,incrementándose su movimiento, es decir, las moléculas salen de su estado deinercia o reposo y adquieren un movimiento cinético provocado por el aumentode temperatura.

Si a un elemento o cuerpo se le incrementa la temperatura por cualquier medio,decimos que la materia se calienta, este calor se desplaza desde la zona más

caliente hasta el punto mas alejado del foco calórico.

Ley de Fourier

Considere una barra uniforme de cierto material, con longitud l y seccióntransversal A, cuyos extremos se mantienen respectivamente a lastemperaturas T

1y T

2,T

2es mayor que T

1, (Fig.1). Se conduce calor a lo largo

de la barra desde el extremo de alta temperatura al de baja temperatura.

Suponga que no escapa el calor por los lados de la barra, y que las líneas deflujo del calor son paralelas al eje de la barra. En éste caso, la cantidad de calor

conducido a través de cualquier sección transversal de la barra es una

constante. La razón de flujo de calor a través de la barra R, es decir, lacantidad de calor que se conduce a través de la barra por unidad de tiempo es



(a) directamente proporcional al producto de la diferencia de temperaturas (T2

-

T1) y el área de la sección transversal A. (b) inversamente proporcional a la

longitud l, o sea :

donde K es la conductividad térmica del material de la barra.La conductividad térmica puede definirse como la cantidad de calor que seconduce por unidad de tiempo a través del área de la sección transversal de uncuerpo de espesor l y que tiene una diferencia de temperaturas entre suscaras. Se utiliza generalmente el sistema c.g.s. para medir K, así que R semide en calorías sobre segundo, A en centímetros cuadrados, l en centímetros

y (T2- T

1) en grados centígrados.

Fig. 1

La cantidad (T2

- T1)/ l se conoce como gradiente de temperatura, si no hay

escapes de calor por los lados, el gradiente de temperatura es constante a lolargo de la barra.

Materiales:

2 Soportes universales Anillo metálico

MantequillaMechero bunsen2 varillas de diferentes materiales de 20cm de largo2 Pinzas nuez

Nota: Los materiales pueden ser aluminio, cobre, acero, hierro, plomo, estaño,bronce, latón, plata, oro

Procedimiento:1. Sujetar las 2 varillas con las pinzas nuez, haciéndolas coincidir en un

extremo.



2. Colocar un trozo de mantequilla con una grapa a 5cm de distancia inicial, y

cada 2cm después de la primera.

3. Encender el mechero y colocarlo en el punto donde concuerdan las cuatrovarillas de los diferentes materiales; considerando un t=0.

4. Medir el tiempo que tarda en caer la mantequilla, lo observarás cuandocaiga la grapa, de cada material y registrar el tiempo para cada uno de los

trozos de mantequilla.5. Reportar la tabla del tiempo transcurrido para que se derrita la mantequilla

a una determinada distancia:

Nombre del Material 5cm 7cm 9cm 11cm 13cm 15cm 17cm

6. A partir de la ecuación, y con K de tablas de cada material, obtener R; ydespués a partir de la ecuación, obtener el valor de K experimental.

Cuestionario:

1.- ¿Cuál es el material en el que se propaga mejor el calor?2.- Explique porque ese material fue el mejo para conducir el calor.3.- ¿De que depende la transferencia de calor en cada material?4.- ¿A que se debe la diferencia de tiempos entre cada material?

*Bibliografía:

*Cometarios:

*Por los alumnos



PRÁCTICA No 5


Transferencia de Momentum

Objetivo:

1. Determinar la viscosidad dinámica de un líquido utilizando elviscosímetro de caída de bola.

2. Calcular la viscosidad cinemática de fluidos.

Problema: ¿Cuál es la viscosidad de un fluido?

Antecendes

Un Fluido es una sustancia que experimenta una deformación continua cuando

se somete a un esfuerzo cortante. Cuando la sustancia sobre la cual se aplica

dicho esfuerzo es un fluido, éste se deforma y fluye.La resistencia a la deformación ofrecida por los fluidos se llama viscosidad. La

viscosidad es el parámetro que define el comportamiento del flujo de un fluido,en especial cuando el flujo es laminar.Es frecuente el uso de dos tipos de viscosidad: absoluta o dinámica (μ) ycinemática (ν ). Estas dos viscosidades se hallan relacionadas por la expresión:

siendo ρ la densidad del fluido.

Materiales

Viscosímetro de caída de bola

o Mida el diámetro de la esfera y el diámetro del tubo.

o Determine el peso específico de la esfera y del líquido de trabajo.o Mida la temperatura del líquido.o Vierta el líquido de trabajo en el tubo.o Deje caer la bola, dentro del tubo y determine el tiempo para recorrer

una distancia Y.

Viscosidad absoluta. Viscosímetro de caída de bola

Para determinar dicha viscosidad con éste aparato, se requiere primero

conocer la velocidad observada y la velocidad corregida.El esquema de este viscosímetro se puede apreciar en la Figura 1



(1)

Donde:Vo= Velocidad observada de caída de la esfera.y = Distancia recorrida por la esfera.

t. = tiempo para recorrer y

Velocidad corregida

(2)

Donde: V = Velocidad corregida.De = Diámetro de la esferaDt = Diámetro del tubo.

Viscosidad absoluta dinámica μ

(3)

Donde: μ = Viscosidad absoluta o dinámicaDe = Diámetro de la esfera

e = Peso especifico de la esfera

l = Peso especifico del líquido de trabajo

V = Velocidad corregida.

Viscosidad cinemática ν (4)

Donde:ν = viscosidad cinemática

ρ = densidad del cuerpo

Figura 1.VISCOSIMETRO DE CAIDA DE BOLA



Procedimiento

Con las densidades del fluido y de la esfera y luego multiplicando por la

aceleración de la gravedad tenemos los pesos específicos y de la esfera ydel líquido respectivamente.

En primer lugar se determinará la longitud útil L del viscosímetro; para ello,basta con medir sobre la generatriz del tubo, con cinta o regla, al milímetro,dicha longitud. Debe indicarse claramente entre qué enrases se tomó lalongitud, para medir el tiempo en forma acorde.

El procedimiento siguiente se repetirá varias veces.1. Tomar la esfera, y realizar una serie de al menos 5 observaciones de su

diámetro, en la que se determina el diámetro medio D e de esa esfera.2. Tomar el tubo, y realizar una serie de al menos 5 observaciones de su

diámetro, en la que se determina el diámetro medio D t de ese tubo.3. Con sumo cuidado, soltar la esfera tan cerca como sea posible de la

superficie del líquido, en la forma más concéntrica posible (para evitar el

efecto pared). La esfera comenzará a caer dentro del fluido.4. Arrancar el cronómetro cuando la esfera pase por el enrase inicial

(superior), y pararlo cuando pase por el enrase final (inferior), registrando eltiempo t.

Si durante la caída de la esfera se advierte que la misma se ha alejadonotoriamente de la trayectoria vertical (por ejemplo, se ha acercado a la pareddel recipiente) la observación debe ser descartada, iniciando una nuevaprueba.Con la información obtenida se deberá llenar la siguiente tabla:

No. y (cm) t (s) Vo(m/s)

Por lo que se toma la velocidad promedio Vo

Resultados

1. Calcular, utilizando la ecuación (1), la velocidad observada Vo.2. Calcular, utilizando la ecuación (2), la velocidad corregida V.3. Calcular, utilizando la ecuación (3), la viscosidad absoluta o dinámica μ.4. Calcular, utilizando la ecuación (4), la viscosidad cinemática ν .

Determinar la Viscosidad dinámica μ y cinemática ν de dos líquidos

diferentes y compáralos.

Graficar viscosidad dinámica versus temperatura para cada líquido

ensayado.

Preguntas:1. Definir viscosidad dinámica

2. Definir viscosidad cinemática3. ¿Cuales son las unidades de la viscosidad tanto en el SI como en el Sistema

Tradicional de Estados Unidos?4. Describir la diferencia entre un fluido newtoniano y otro no newtoniano5. Describir tres métodos de medición de la viscosidad

*Bibliografía:

*Cometarios:*Aporte de los alumnos



PRÁCTICA No 6


Transferencia de Masa

Objetivo1. Calcular la constante de difusividad por medio de un experimento para

utilizar las ecuaciones de la Ley de Fick;

Problema: Demostrar la difusividad de una tinta vegetal en agua

Antecedentes

Los fenómenos de transporte tienen lugar en aquellos procesos, conocidoscomo procesos de transferencia, en los que se establece el movimiento de una

propiedad (masa, momentum o energía) en una o varias direcciones bajo la

acción de una fuerza impulsora. Al movimiento de una propiedad se le llamaflujo.

Los procesos de transferencia de masa son más importantes ya que la mayoríade los procesos químicos requieren de purificación inicial de las materiasprimas o de la separación final de productos y subproductos. Para esto, engeneral, se utilizan las operaciones de transferencia de masa.

La ley de Fick es una ley cuantitativa en forma de ecuación diferencial quedescribe diversos casos de difusión de materia o energía en un medio en elque inicialmente no existe equilibrio químico o térmico. Recibe su nombre de

Adolf Fick, que las derivó en 1855.

En situaciones en las que existen gradientes de concentración de unasustancia, o de temperatura, se produce un flujo de partículas o de calor quetiende a homogeneizar la disolución y uniformizar la concentración o latemperatura. El flujo homogeneizador es una consecuencia estadística delmovimiento azaroso de las partículas que da lugar al segundo principio de latermodinámica, conocido también como movimiento térmico casual de laspartículas. Así los procesos físicos de difusión pueden ser vistos como

procesos físicos o termodinámicos irreversibles.

La Ley de Difusión de Fick toma en cuenta ciertos parámetros para determinarel nivel de difusión de una especie dada:

Magnitud de gradiente. Un mayor gradiente acelera la difusión.

Superficie de difusión.

Difusividad másica entre A y B. Definida para una especie Adifundiéndose en especie B.

La rapidez de difusión por unidad de área de sección transversal en una

dirección determinada es proporcional al cambio de la concentración del solutoen esa dirección

La ecuación para esta ley es

http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_diferencial

http://es.wikipedia.org/wiki/Difusi%C3%B3n_(f%C3%ADsica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Adolf_Fick

http://es.wikipedia.org/wiki/1855

http://es.wikipedia.org/wiki/Gradiente

http://es.wikipedia.org/wiki/Segunda_ley_de_la_termodin%C3%A1mica


http://es.wikipedia.org/wiki/Reversibilidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Reversibilidad




http://es.wikipedia.org/wiki/Gradiente

http://es.wikipedia.org/wiki/1855

http://es.wikipedia.org/wiki/Adolf_Fick

http://es.wikipedia.org/wiki/Difusi%C3%B3n_(f%C3%ADsica)

http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_diferencial



m

t DA

C

x

dondem

t es la masa del soluto que difunde a lo largo de esa dirección por

unidad de tiempo, A es el área de la sección transversal, C es la concentracióndel soluto (que se supone constante sobre cualquier sección transversal del

tubo), D es el coeficiente de difusión, yC

x se llama gradiente de

concentración.

Material

Probeta 50 mlVaso de precipitado de 50 mlVaso precipitado de 100 ml

GoteroEspátulaTinta vegetalPlancha de calentamiento

Procedimiento

1. Hacer una mezcla de tinta vegetal con 10 ó 20 ml de agua, poner en laprobeta 50 ml de agua y dejar caer una gota de tinta al mismo tiempoque se deje caer la tinta medir el tiempo hasta que se llegué al fondo dela probeta. Tomar la medida de la expansión de la tinta.

2. Calentar 40 ó 50 ml de agua hasta llegar a 65°C y repetir elprocedimiento de la gota de la tinta para así tomar en cuenta cómoafecta la temperatura del agua con respecto al tiempo.

Resultados

1. Calcular el coeficiente de difusividad de la tinta en agua.2. Calcular el coeficiente de difusividad a diferentes temperaturas3. Discutir sus resultados

Preguntas:

1. Definir difusión2. Definir la primera ley de Fick3. Definir la segunda ley de Fick4. ¿Cuales son las unidades del coeficiente de difusión?

5. Describir la diferencia entre la primera ley y segunda ley de Fick6. Describir al menos dos aplicaciones de las leyes de Fick

*Bibliografía:

*Cometarios:

*Aporte por parte de los alumnos

Práctica Fenomenos de Transporte (1)

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