fenómenos de transporte


Capítulo
1



BALANCES INTEGRALES DE MASA, MOMENTUM Y CALOR.


1.1.- Introducción.

El tema de los fundamentos de transferencia de momentum calor y masa, se convirtió en 1969 en una parte de lo que fue entonces conocido como el “núcleo de la ciencia de la ingeniería” de la mayoría de su curricula. Se consideró que los requerimientos para las carreras de ingeniería eran una partesignificante de toda la curricula que debía ser dedicada a materias fundamentales. Las materias de transferencia de momentum (mecánica de fluidos), transferencia de calor y transferencia de masa, permanecen como componentes importantes de toda la currícula de la ingeniería. Es en este contexto que ahora se aborda el estudio de los fenómenos de transporte en este material.(1)

Los avances en lascapacidades de computación han sido sorprendentes desde 1969. En ese tiempo, la calculadora de bolsillo fue completamente nueva y no estaba generalmente en las manos de estudiantes de ingeniería. Posteriormente, se incluyeron técnicas de solución cada vez mas sofisticadas conforme la tecnología avanzó. Ahora, después de más de 30 años, la habilidad en computación entre los estudiantes es un hechologrado, y muchas tareas son terminadas usando software de computadora que toma en cuenta la mayoría de la complejidad matemática y una buena cantidad de principios de la física. Es importante que un estudiante conozca y maneje los principios de los fenómenos de transporte y luego sepa usar todos los softwares relacionados al tema. Es nuestra convicción que los fenómenos de transporte son partesesenciales de la educación y practica de la ingeniería.

En este material se abordan los fenómenos de transporte, como una sistematización de los principios comunes a las operaciones unitarias, en las cuales ocurre la transferencia de momentum, calor y masa. Se estudiarán la conservación de la masa, la segunda ley del movimiento de Newton y la conservación de la energía usando el enfoque integralde balance en torno a un volumen de control. Los anteriores son llamados balances macroscópicos. Al analizar un problema desde el punto de vista de un volumen de control macroscópico, el interés radica únicamente en cantidades globales de masa, momentum y energía cruzando la superficie de control y los cambios totales en estas cantidades exhibidas por el material bajo consideración. Los cambiosocurriendo dentro del volumen de control por cada elemento diferencial de fluido no pueden ser obtenidos con análisis integral.
Otra forma de analizar la situación del flujo de un fluido será dirigir la atención a elementos de fluido conforme ellos se aproximan a un tamaño diferencial. En este caso el objetivo es la estimación y descripción del comportamiento del fluido desde un punto de vistadiferencial; las expresiones resultantes de tal análisis serán ecuaciones diferenciales. La solución de estas ecuaciones diferenciales dará información del flujo de una naturaleza diferente que aquella lograda desde un examen microscópico. Tal información puede ser de menor interés para un ingeniero que necesita información global para el diseño, pero puede dar mayores conocimientos acerca delmecanismo de transferencia de masa, momentum y energía. (1, 2, 3)



1.2.- Conservación de la masa en un volumen de control

Un fluido se define como una sustancia que se deforma continuamente bajo la acción de un esfuerzo cortante. Una consecuencia importante de esta definición es que cuando un fluido está en reposo, no puede haber esfuerzos cortantes. Tanto líquidos como gases son fluidos.La mayoría del trabajo en ingeniería está relacionado con el comportamiento macroscópico de un fluido más que con el comportamiento molecular o microscópico, por eso es mejor pensar en un fluido como una distribución contínua de materia o “continuo”. El tratamiento de fluidos como continuo es válido siempre que el volumen de fluido más pequeño, de interés, contiene un número suficiente de...