01 Definiciones Basicas

TF3261

Universidad Simón Bolívar
Departamento de Termodinámica y Fenómenos de Transferencia
Fenómenos de Transporte III

1. CONCEPTOS Y DEFINICIONES
1.1. Introducción
1.2. Densidades y composiciones
1.3. Velocidades y flujos
1.4. Difusión y convección

Prof. Claudio Olivera Fuentes

TF3261

1.

Universidad Simón Bolívar
Departamento de Termodinámica y Fenómenos de Transferencia
Fenómenos deTransporte III

Prof. Claudio Olivera Fuentes

CONCEPTOS Y DEFINICIONES

1.1. Introducción.
Todo fluido en equilibrio cumple cuatro condiciones o criterios termodinámicos:
(i) equilibrio mecánico: velocidad y presión uniformes;
(ii) equilibrio térmico: temperatura uniforme;
(iii) equilibrio difusivo: potencial químico de cada componente uniforme;
(iv) equilibrio reactivo: energía de Gibbs nula paratoda posible reacción.
El incumplimiento de cualquiera de estas condiciones da origen a uno o más
procesos irreversibles, mediante los cuales el fluido busca llegar a un estado de
equilibrio. Estos procesos incluyen los llamados fenómenos de transporte (transferencias
o flujos de cantidad de movimiento o moméntum, de calor o energía, y de masa o
materia) y las reacciones químicas. Aunquetradicionalmente se asocia cada uno de ellos
con un tipo “afín” de desequilibrio, e.g. la transferencia de calor con el desequilibrio
térmico o gradiente de temperatura, existen muchos casos de interacción o acoplamiento
de flujos y gradientes “cruzados”; por ejemplo, la presencia de un gradiente de
temperatura puede inducir (además del flujo de calor) un flujo de masa, el llamado efecto
Soret o difusióntérmica; recíprocamente, la existencia de gradientes de potencial químico
o de composición puede ocasionar (además del flujo de masa) un flujo de calor, el
llamado efecto Dufour.1 La situación general es resumida en el principio de
equipresencia: mientras no se demuestre lo contrario, cualquier gradiente o fuerza
impulsora que puede dar origen a un tipo de transporte irreversible, es capaz tambiénde
ocasionar todos los demás tipos de flujo.
La relación de causa y efecto entre flujos y gradientes se establece a través de las
llamadas ecuaciones constitutivas, ejemplos de las cuales son la “ley” de Newton, que
vincula esfuerzos (equivalentes a flujos de moméntum, ya que [fuerza/área] tiene las
mismas dimensiones que [(masa×velocidad)/(área×tiempo)]) con gradientes de
velocidad, y la “ley” deFourier, que relaciona flujos de calor y gradientes de
temperatura. Este tipo de ecuaciones no son verdaderas leyes, por cuanto no se trata de
principios de validez universal, aplicables a todos los materiales y procesos (como lo son
las leyes de conservación de masa, moméntum y energía), sino de modelos empíricos o
cuando mucho semiteóricos para la conducta de alguna clase limitada de sustancias.Así,
la “ley” de Newton es válida sólo para los fluidos llamados (obviamente) newtonianos;
los restantes fluidos son “no newtonianos”, y para ellos se ha propuesto una gran
variedad de otras ecuaciones constitutivas: seudoplásticos, dilatantes, Bingham, etc.
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Los efectos de interacción de mayor importancia práctica involucran materiales que poseen propiedades
eléctricas o magnéticas. Porejemplo, el efecto termoeléctrico, en el cual la aplicación de un gradiente de
temperatura a un conductor bimetálico genera un flujo eléctrico (y una diferencia de potencial), es la base
de la medición de temperatura con termopares. El efecto recíproco, consistente en la creación de un flujo de
calor (y una diferencia de temperatura) por imposición de un gradiente de potencial eléctrico, se conoce
comoefecto Peltier, y es utilizado en la construcción de refrigeradores que operan con pequeños voltajes y
sin partes móviles.

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En el caso de la transferencia de masa, se denomina difusión al movimiento relativo
de los componentes de una mezcla,...