INSTITUTO TECNOLOGICO DE MEXICALI 

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA  

UNIDAD 1 

TEMAS:1.1 FLUIDO-FLUJO,1.2 REOLOGIA, 1.3 CONCENTRACIÓN DE MASA Y MOLAR

1.4 CALOR, 1.5 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA

PROFESOR. NORMAN RIVERA PAZOS

ALUMNOCOLOSIO CAMARENA CESAR DANIEL

  MEXICALI B.C. A VIERNES 30 DE ENERO DEL 2015

1.1 FLUIDO

Definición de fluido: Fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando es sometida a una tensión cortante, aunque esta sea muy pequeña.

Caracteristicas: Un fluido es parte de un estado de la materia la cual no

tiene un volumen definido, sino que adopta la forma del recipiente que lo contiene a diferencia de los sólidos, los cuales tienen forma y volumen definido.

Los fluidos tienen la capacidad de fluir, es decir, puede ser trasvasada de un recipiente a otro.

Otra característica entre los sólidos y los fluidos es que los primeros se resisten a cambiar de forma ante la acción de los agentes externos, en cambio los fluidos prácticamente no se resisten a dichos agentes.

Clasificación: Dentro de la clasificación de fluidos, los líquidos y gases

presentan propiedades diferentes. Ambos tipos de fluidos, tienen la propiedad de no tener forma propia y que estos fluyen al aplicarles fuerzas externas. La diferencia está en la llamada compresibilidad. Para el caso de los gases estos pueden ser comprimidos reduciendo su volumen.

. Por lo tanto: • Los gases son compresibles, • Los líquidos son prácticamente incompresibles. Nota Extra: El plasma es considerado un cuarto estado de

la materia, también últimamente se habla de un quinto estado de la materia.

FLUJO

Se define como flujo a un fluido en movimiento.

Características: Las partículas dentro de un flujo pueden seguir trayectorias

definidas denominadas “líneas de corriente”. Una línea de corriente es una línea continua trazada a través de un fluido siguiendo la dirección del vector velocidad en cada punto. Así, el vector velocidad es tangente a la línea de corriente en todos los puntos del flujo. No hay flujo a través de una línea de corriente, sino a lo largo de ella e indica la dirección que lleva el fluido en movimiento en cada punto.

Para observar el flujo de un fluido, se pueden inyectar en las mismas diferentes sustancias, como partículas brillantes, tinte o humo, y así rastrear el movimiento de las partículas. Los rastros que dejan estas sustancias se denominan “líneas de emisión”.

CLASIFICACIÓN: EL FLUJO SE PUEDE CLASIFICAR DE MUCHAS MANERAS, TALES COMO:

TURBULENTO:EJEMPLO:

En el flujo turbulento las partículas del fluido se mueven en trayectorias muy irregulares, que causan un intercambio de cantidad de movimiento de una porción del fluido, a otra. Las partículas pueden ser muy pequeñas (de unos cuantos miles de moléculas) hasta unos muy grandes (miles de pies cúbicos en un remolino grande de un rio o en una ventolera atmosférica).

LAMINAR: EJEMPLO:

las partículas del fluido se mueven a lo largo de trayectorias suaves en láminas, o capas, con una capa deslizándose suavemente sobre una capa adyacente. El flujo laminar es gobernado por la ley de viscosidad de Newton, que relaciona el esfuerzo cortante con la rapidez de deformación angular. En el flujo laminar, la acción de la viscosidad amortigua las tendencias a la turbulencia.

ESTACIONARIO: EJEMPLO:

Se da este tipo de flujo cuando las variables que lo caracterizan son constantes en el tiempo. Estas variables ya no dependerán del tiempo, como por ejemplo la velocidad la cual puede tener un determinado valor constante   en el punto (x1,y1,z1), pero pudiera cambiar su valor en otro punto (x2,y2,z2). Así se cumple que:

NO ESTACIONARIO: EJEMPLO:

Un flujo es no estacionario si las variables físicas que lo caracterizan dependen del tiempo en todos los puntos del fluido , entonces:

1.2 REOLOGÍA

es la ciencia que estudia más que nada a los fluidos no newtonianos, ya que estudia las propiedades que le caracterizan como fluido y no como un solido.Entonces el comportamiento Reologico de los fluidos no es más que dicho comportamiento según la viscosidad y densidad del mismo.

SE CLASIFICA EN:EL FLUIDO NEWTONIANO EJEMPLO:

es aquel en donde se cumple la ley de newton sobre viscosidad; añadiendo que el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la rapidez de deformación de este.

es decir cuando por ejemplo el agua al ser aplicada una fuerza pues esta se corta (como es normal). Son fluidos cuyo comportamiento es normal.

NO NEWTONIANOS Por su parte se denota a los Fluidos No

Newtonianos, aquellos que desafían y contrarían la ley de newton sobre viscosidad, tendiendo en este caso a que el esfuerzo cortante ser no directamente proporcional a la rapidez de deformación. Esta rama de fluidos no newtonianos es muy amplia y diversa.

EJEMPLO: Un ejemplo común y casero de este último es la

combinación de agua con maicena, en donde deja de adquirir propiedades de líquido al serle aplicada movimientos vibratorios, ya que se puede observar como la viscosidad empieza a presenciarse en el compuesto y pues realiza deformaciones muy particulares y extrañas. También se puede añadir que este fluido puede hacerse mas fuerte o tomar aspecto casi solido con fuertes tensiones o fuerza, mientras que si no se le aplica gran fuerza pues su comportamiento es como liquido.

1.3 Concentración en masa. Expresión recomendada por la IUPAC que indica la masa de

soluto disuelta en cada unidad de volumen de solución. Tiene la ventaja de ser una concentración expresada en

unidades directamente medibles para el tipo de soluciones más frecuentes en química (las de sólidos en líquidos). La balanza expresa la medida de la masa de soluto en gramos y los recipientes de uso habitual en química indican el volumen de líquido contenido en litros o en sus submúltiplos. Su cálculo es, pues, inmediato:

En el SI su unidad es el kg/m3 pero en la práctica de laboratorio se utiliza el g/dm3 (o g/l) que nos indica los gramos de soluto disueltos en cada dm3 de solución (o en cada litro de solución).

FRACCION:

La fracción molar es una unidad química usada para expresar la concentración de soluto en solvente. Nos expresa la proporción en que se encuentran los moles de soluto con respecto a los moles totales de solución, que se calculan sumando los moles de soluto(s) y de disolvente. Para calcular la fracción molar de una mezcla homogénea, se emplea la siguiente expresión:

También puede expresarse así:

Fraccion de Masa: La fracción de masa  es la fracción de una sustancia de masa  con

respecto a la masa total de una mezcla  :

La suma de las fracciones de masa es igual a 1:

DENSIDAD DE FLUJO:

Densidad de flujo molar :  = representa área x tiempo los moles de A que cruzan la unidad de

área por unidad de tiempo, con respecto a coordenadas fijas.

Densidad de flujo másico : representa los gramos de A que cruzan la unidad de área por unidad de tiempo, con respecto a coordenadas fijas.

VELOCIDAD DEL FLUJO

= flujo másico por unidad de superficieEn base a esto se puede definir una velocidad media másica, que es perpendicular a la dirección del flujo.

Velocidad media másica con respecto a ejes fijos: es la velocidad que puede medirse con un tubo pilot

Velocidad media másica con respecto a ejes fijos: es la velocidad que puede medirse con un tubo pilot.

velocidad media molar con respecto a ejes fijos.

: velocidad local con la que los moles atraviesan una sección unitaria colocada perpendicularmente a la velocidad.Velocidad de difusión: se define para elementos binarios .

: velocidad de la especie A por difusión.

=   - 

 velocidad de difusión másica

 : velocidad de la especie A

: velocidad media mésica

Tipos de velocidades:

1.4 CALOR

DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA:

La temperatura es la medida de la energía térmica que tiene un cuerpo. Se mide con el termómetro. La energía térmica es la energía liberada en forma de calor. Luego la temperatura nos dice cuanta energía en forma de calor puede liberar un cuerpo.

La temperatura es la forma objetiva de expresar lo que se llama el estado térmico de un cuerpo, asignándole un valor, que medimos con el termómetro.

Mientras que El Calor: es la transferencia de temperatura desde un cuerpo que esta a una temperatura a otro que esta a menos temperatura. Más sencillo Transferencia de temperatura de un cuerpo caliente a otro más frío. Cuando el cuerpo más caliente le cede temperatura al más frio decimos que estamos calentando este último. El calor es una energía y por eso se transmite de un cuerpo a otro. Su energía se llama Energía Calorífica.

MECANISMOS PARA LA TRANSFERENCIA DE CALOR - Los mecanismos básicos de transferencia de calor son:

CONDUCCIÓN, CONVECCIÓN y RADIACION.

1. Conducción: Es el mecanismo de transferencia de calor debido a la interacción

entre partículas adyacentes del medio (es decir, entre el contacto de cuerpos). No se produce movimiento macroscópico de las mismas. Puede tener lugar en sólidos, líquidos y gases aunque es característica de los sólidos, puesto que en gases y líquidos siempre se producirá convección simultáneamente.

- LA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (K):

Es una medida de la capacidad del material para conducir el calor. Sus unidades en el S.I. son: W / ( m* ºC ). En general, la conductividad térmica depende de la temperatura. Para los materiales anisótropos la conductividad térmica depende de la dirección considerada. Por ejemplo, la conductividad térmica de la madera en sentido transversal a la fibra es diferente a la que se tiene en sentido paralelo a la misma.

- LA DIFUSIVIDAD TÉRMICA (A)

Estima cuán rápido se difunde el calor por un materíal y se define como: a= k / ( ro * Cp ) . Unidades: m2 / s

-- k: conductividad térmica

-- ro: densidad

-- Cp: calor específico a presión constante

2.-CONVECCION: - La convección es el modo en que se transfiere la energía entre

una superficie sólida y el fluido adyacente (líquido o gas ) . Comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento del fluido. Existe movimiento macroscópico de las partículas del fluido. Cuanto más rápido es el movimiento del fluido mayor es la transferencia de calor por convección. En ausencia de dicho movimiento la transferencia de calor entre una superficie sólida y el fluido adyacente sería por conducción pura.

TIPOSCONVECCIÓN FORZADA CONVECCIÓN NATURAL

El fluido es forzado a fluir sobre la superficie mediante medios artificiales ( ventiladores, bombas, etc ).

el movimiento del fluido es debido a causas naturales. Las fuerzas de empuje son inducidas por la diferencia de densidad debida a la variación de temperatura en ese fluido.

- Los procesos de transferencia de calor que comprenden cambio de fase de un fluido también se consideran convección por el movimiento inducido de dicho fluido durante el proceso. Por ejemplo la ascensión de las burbujas de vapor durante la ebullición o el descenso de las gotas de líquido durante la condensación.

MODELO:

- La convección se modela matemáticamente mediante la Ley de enfriamiento de Newton cuya expresión es: Q-punto = As*h* ( Ts - Tf ) ó

q-punto = h * ( Ts - Tf ) Donde: -- As: área de la superficie de transferencia -- h: coeficiente de película o coeficiente de transferencia de calor por

convección -- Ts: temperatura de la superficie de transferencia -- Tf: temperatura del fluido

3. RADIACIÓN:

- La radiación es la energía emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas ( o fotones ) , como resultado de los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. En lo que respecta a la transferencia de calor es de interés la radiación térmica o forma de radiación emitida por los cuerpos debido a su temperatura. La radiación térmica suele corresponder a la banda de frecuencias del infrarrojo.

- Todos los cuerpos a una temperatura por encima del 0 absoluto emiten radiación térmica.

La radiación es un fenómeno volumétrico y todos los sólidos, líquidos y gases emiten, absorben o reflejan radiación en diversos grados. Sin embargo la radiación térmica suele considerarse como un fenómemo superficial para los sólidos que son opacos a la radiación térmica, como los metales, la madera y las rocas, ya que la radiación emitida por las regiones interiores de un material de este tipo nunca pueden llegar a la superficie y la radiación incidente sobres esos cuerpos suele absorberse en unas cuantas micras hacia dentro en dichos sólidos.

A diferencia de la conducción y la convección la radiación no necesita un medio de transmisión y puede ocurrir en el vacío. La transferencia de calor por radiación es la más rápida, a la velocidad de la luz. No sufre atenuación en el vacío.

1.5 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA

Masa: El mecanismo de transferencia de masa depende de la dinámica del sistema, ya sea por medio del movimiento molecular fortuito en los fluidos en reposo o puede transferirse de una superficie a un fluido en movimiento, ayudado por las características dinámicas del flujo.

Momentum (cantidad de movimiento): es una magnitud física fundamental de tipo vectorial que describe el movimiento de un cuerpo en cualquier teoría mecánica.

La cantidad de movimiento de un objeto es, Cantidad de movimiento = Masa·Velocidad o p=m·v Ejemplos de objetos con una cantidad de movimiento grande sería un portaaviones (masa muy grande) y una bala (velocidad muy grande).

Caracteristicas: También se le llama momento lineal, o simplemente, momento Da una medida de la dificultad de llevar un objeto que se mueve

hasta el reposo Por ejemplo, un camión tiene mayor cantidad de movimiento que un

coche moviéndose a igual velocidad Hace falta una fuerza mayor para detenerlo en un tiempo

determinado que para detener el coche en el mismo tiempo.

Calor: En física, proceso por el que se intercambia energía en forma

de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

BIBLIOGRAFÍA

http://fcm.ens.uabc.mx/~fisica/FISICA_II/APUNTES/FLUJOS.htm Libro: Mecánica de Fluidos - Octava Edición (Tercera en español) – editorial:

McGraw Hill – pág.(84-89) http://erivera-2001.com/files/Introduccion.pdf http://marytmecanicafluidos.blogspot.mx/2009/03/comportamiento-reologico-de-

los-fluidos.html http://www.areaciencias.com/TUTORIALES/EL%20calor%20Y%20LA

%20TEMPERATURA.htm https://docs.google.com/document/d/1sIaBE27SDhR_JIPFcvQgvE_q2-gHZSK5-

dmD2n8KfBE/edit?pli=1 http://es.wikipedia.org/wiki/Cantidad_de_movimiento https://books.google.com.ec/books?

id=B5Ksb5i1nl4C&printsec=frontcover&dq=inauthor:%22Patricia+Gabriela+Ullauri%22&hl=es&sa=X&ei=rxHLVPiAIOiMsQTi04CoDg&ved=0CB0Q6AEwAA#v=onepage&q&f=false

http://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf-calor.shtml http://www.nebrija.es/~cmalagon/Fisica_Aplicada/transparencias/01-

Mecanica/06-Cantidad_de_movimiento.pdf http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/lb/

ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/castroe10/02a.html