Adrián del Salvador Yaque Sánchez - Preparar y acondicionar elementos y máquinas de la planta química. QUIE0108

Calcule el calor en BTU necesario para elevar la temperatura de 5 l de agua de 25 ºC a 75 ºC, siendo el calor específico del agua 1 cal · g-1 · ºK-1 y la densidad del agua 1.000 g/l.

SOLUCIÓN

Teniendo en cuenta que la densidad del agua es 1.000 g/l, 5 l de agua son M = 5 · 1.000 = 5.000 g de agua.

Por otro lado, tf = 75 ºC son 273,15 + 75 = 348,15 ºK y ti = 25 ºC son 273,15 + 25 = 298,15 ºK.

La ecuación que relaciona el calor que necesita una sustancia con el calor específico de la misma, su masa y la diferencia de temperaturas es:

Q = c · M · (t f- t i) = 1 5.000 · (348,15 – 298,15) = 250.000 cal = 250 Kcal

Mediante una simple regla de tres se puede calcular los BTU:

Si 252 cal son 1 BTU, entonces 250.000 cal serán X BTU

Por tanto X que será el calor en BTU será:

Q = 250.000 · 1 / 252 = 992 BTU

Aplicación práctica

¿Qué tipos de mecanismos de transferencia de calor se producen en un intercambiador de calor? ¿Cómo se llevan a cabo?

SOLUCIÓN

Intercambiador de calor:

1 Convección del fluido: el calor se mueve con el fluido a través de tuberías hasta el intercambiador de calor y será uniforme en todo el fluido. Se produce mediante convección forzada, ya que los fluidos son impulsados por equipos que lo mueven como pueden ser bombas.

2 Conducción de las paredes del intercambiador: la transferencia de calor se produce a través de las paredes del intercambiador desde un fluido que tiene mayor temperatura hasta el otro con menor temperatura.

3 Convección del fluido: el calor entra en contacto con el nuevo fluido que lo va a llevar a través de las tuberías y cuyo calor será uniforme en todas las partículas del fluido. Se produce mediante convección forzada.

En cualquier planta química, los procesos se llevan a cabo mediante la manipulación o manejo de fluidos a través de tuberías, bombas, etc., de ahí la importancia de estos, y su obligado estudio. La ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos es la mecánica de fluidos, independientemente de que estén en reposo (estática de fluidos) o en movimiento (dinámica de fluidos).

3.1. Introducción. Naturaleza de los fluidos. Estados de agregación de la materia

Como se sabe, la materia se presenta esencialmente bajo tres formas o estados de agregación diferentes: el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso. Los fluidos son las sustancias que están en fase líquida o en fase gaseosa.

Definición

FluidoEs toda sustancia que no sea sólida y que pueda fluir, es decir, los líquidos y los gases.

Cada uno de estos estados presenta unas condiciones o naturaleza directamente observables que les son características.

Una distinción entre los sólidos y los fluidos es la diferente respuesta frente a la acción de un esfuerzo cortante (fuerza por unidad de área), es decir, la fuerza tangencial que actúa sobre una superficie. Los sólidos inicialmente se deforman mientras persiste el esfuerzo, ya que oponen una fuerza igual y de sentido contrario a la aplicada, y tienden a recuperar su forma primitiva total o parcialmente cuando cesa el esfuerzo. Sin embargo, los fluidos se deforman o cambian de forma de manera continua, mientras persista dicho esfuerzo, ya que no presentan una fuerza que se oponga a la aplicada, lo que indica que no hay tendencia a recuperar la forma primitiva al cesar el esfuerzo aplicado.

Ejemplo

Si se coge con las dos manos una goma de borrar y se dobla, se deforma inicialmente, y si se deja de doblar vuelve a su forma inicial. Por el contrario, si se coge una bolsa llena de agua con las dos manos y se hace lo mismo, cuando se deje de doblar no vuelve a la forma original.

Respecto a los fluidos, los líquidos poseen un volumen propio que se mantiene prácticamente constante aunque adopten la forma del recipiente que los contiene, los gases en cambio, adoptan la forma del recipiente y además ocupan todo su volumen interior.

Si un líquido se almacena en un contenedor tiende a adoptar la forma de este, y cubre el fondo y las paredes laterales. En la superficie, en contacto con la atmósfera, mantiene un nivel uniforme. Cuando el contendor se inclina, el líquido tiende a derramarse.

Si se mantiene un gas a presión en un recipiente cerrado, tiende a expandirse y llenarse por completo. Si el contenedor se abriera, el gas tendería a expandirse aún más y a escapar de él.

Cuando un fluido fluye a través de un canal cerrado, como por ejemplo una tubería, pueden existir dos tipos de flujo en función de su velocidad. A velocidades bajas se produce el flujo laminar, caracterizado por fluir sin mezclado lateral, ni corrientes cruzadas perpendiculares al flujo o remolinos. Mientras que a altas velocidades se produce el flujo turbulento, es decir, se forman remolinos lo que provoca un mezclado lateral.

3.2. Propiedades de los fluidos: descripción, propiedades, clases, unidades, ecuaciones matemáticas

Para tener un adecuado conocimiento sobre fluidos es necesario aprender todo lo relativo a las propiedades de estos. Estas características se estudian a continuación.

Masa, peso específico y densidad. Viscosidad. Tensión superficial

Estas propiedades son esenciales para el estudio de los fluidos, por este motivo se detalla detenidamente cada una de ellas.

Masa, peso, densidad y peso específico

Para conocer estas propiedades, el primer paso es saber diferenciar el peso de la masa.

Definición

MasaEs la medida de la cantidad de un fluido.

PesoEs la cantidad que pesa un fluido, es decir, la fuerza con la que el fluido es atraído hacia la Tierra por la acción de la gravedad.

El peso es una fuerza y la masa es la cantidad de una sustancia. Ambos términos se relacionan por medio de la aplicación de la Ley de la Gravitación de Newton, en la que la fuerza (F) es igual a la masa (m) multiplicada por la aceleración (a), es decir:

F = m · a

Hablar del peso (P) implica que la aceleración es igual a la aceleración de la gravedad (g), y entonces la ecuación de Newton se transforma en:

P = m · g

Donde:

g = 9,81 m · s -2en el S.I. y g = 32,17 pies · s -2en el S.A.

La unidad de masa en el S.I. es el Kilogramo (Kg), y en el S.A. es la libra (lb). La unidad de peso en el S.I. es el newton (N) que equivale a un kilogramo metro por segundo al cuadrado (Kg · m · s -2), y la unidad en el S.A. es la libra fuerza (lbf) que equivale a una libra pie por segundo al cuadrado (lb · pie · s -2).

Puesto que se habla de fluidos, líquidos y gases, es conveniente relacionar la masa y el peso del fluido con su volumen. Para ello se definen las propiedades de la densidad y del peso específico.

Definición

DensidadEs la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia.

Peso específicoEs la cantidad de peso por unidad de volumen de una sustancia.