FISICOQUIMICA

UNASAM - FIMGMFISICOQUIMICA

17

CONTENIDO

INTRODUCCIN. 02FUNDAMENTO TERICO.. 03EXPERIMENTO.............................. 07CLCULOS Y RESULTADOS. 09CUESTINONARIO 13DISCUSIN DE RESULTADOS.. 14CONCLUSIONES.... 15BIBLIOGRAFA. 16APNDICE

INTRODUCCINEn la industria de los procesos qumicos es indispensable es uso de operaciones unitarias que permitan el aprovechamientos de los fenmenos de transferencia de calor ya sea de modo convectivo o conductivo a fin de logra satisfacer las necesidades de tipo energticos que dichos procesos demandan. Unos de estos dispositivos de mayor uso es el intercambiador de calor; como su nombre lo indican son dispositivos donde dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin mezclarse y que adems operan en condiciones estacionarias ya que los flujos msicos permanecen constantes durante largosperiodos de tiempo. La forma ms simple de un intercambiador de calor es el intercambiador de tubo doble(tambin conocido como de tubo y coraza), que se compone de dos tubos concntricos de dimetro distintos. Un fluido corre por el tubo interno mientras otro lo hace en el espacio anular entre ambos tubos. En un intercambiador de tubo son posibles dos tipos de disposicin de flujo: en el flujo paralelo los dos fluidos, el frio y el caliente, entran en el intercambiador de calor por el mismo extremo y se mueven en la misma direccin. Por otraparte, enel contraflujolos fluidosentran enel intercambiador porlos extremosopuestos y fluyen en direcciones opuestas.

FUNDAMENTO TERICO

TRANSFERENCIA DE CALOR

Latransferencia de calores el paso deenerga trmicadesde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura. Cuando un cuerpo, por ejemplo, un objeto slido o un fluido, est a unatemperaturadiferente de la de su entorno u otro cuerpo,la transferencia de energa trmica, tambin conocida como transferencia decaloro intercambio de calor, ocurre de tal manera que el cuerpo y su entorno alcancenequilibrio trmico. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo ms caliente a uno ms fro, como resultado de lasegunda ley de la termodinmica. Cuando existe una diferencia de temperatura entre dos objetos en proximidad uno del otro, la transferencia de calor no puede ser detenida; solo puede hacerse ms lenta.

MODOS DE TRANSFERENCIALos modos de transferencia son diferentes procesos de transporte de calor, usualmente se agrupan en tres tipos segn haya tambin transferencia o no transferencia de materia (o fotones)como los siguientes: Conduccin: Es la transferencia de calor que se produce a travs de un medio estacionario -que puede ser un slido- cuando existe una diferencia de temperatura. Conveccin: La conveccin es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque se produce por medio de un fluido (lquido o gas) que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas. La conveccin se produce nicamente por medio de materiales fluidos. Lo que se llama conveccin en s, es el transporte de calor por medio del movimiento del fluido, por ejemplo: al trasegar el fluido por medio de bombas o al calentar agua en una cacerola, la que est en contacto con la parte de abajo de la cacerola se mueve hacia arriba, mientras que el agua que est en la superficie, desciende, ocupando el lugar que dej la cacerola caliente.

Radiacin: se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrnicas de los tomos o molculas constitutivas. En ausencia de un medio, existe una transferencia neta de calor por radiacin entre dos superficies a diferentes temperaturas, debido a que todas las superficies con temperatura finita emiten energa en forma de ondas electromagnticas.

FLUJO EN CONTRACORRIENTEA diferencia de equicorriente, aqu los dos fluidos se mueven en sentidos opuestos, lo que permite que el sistema pueda mantener ungradientecasi constante entre ellos a lo largo de la ruta de movimiento. A medida que la ruta de flujo sea ms larga y que la velocidad del movimiento de los fluidos sea ms lenta, la tasa de transferencia ser mayor, sin embargo esto se debe a que los dos fluidos son "iguales" en algn sentido. Por ejemplo, si tenemos en cuenta la transferencia de masa de una cierta cantidad desoluto por una cantidad determinada (en volumen o masa) desolvente, la velocidad de ladisolucindebe ser la misma en las dos corrientes. En el caso detransferencia de calor, el producto delcalor especfico(el promedio en el rango de temperatura involucrado) y el flujo de masa, tambin deben ser iguales. Si los dos fluidos no son los mismos, por ejemplo si el calor est siendo transferido del agua al aire o vice-versa, entonces la conservacin de la masa o energa requiere que las corrientes vayan con concentraciones o temperaturas diferentes a las indicadas en la figura.

FLUJO EN CORRIENTES PARALELASSi los flujos entran por el mismo extremo del intercambiador y circulan en el mismo sentido hacia el otro extremo, se dice que el flujo es en corrientes paralelas. Tambin aqu, en subndice a se refiere a los fluidos en la entrada y en el subndice b corresponde a la salida. En este caso, los acercamientos son: T1 = Tha Tca y T2 = Thb Tcb

El flujo de corrientes paralelas se utiliza en casos especiales, cuando es preciso limitar la temperatura mxima que debe alcanzar el fluido frio o cuando interesa que la temperatura de uno de los fluidos vare rpidamente.

BALANCE DE ENERGIAHabitualmente se define la energa como la capacidad de la materia para producir trabajo, pudiendo adoptar distintas formas, todas ellas interconvertibles directa o indirectamente unas en otras.El balance de energa al igual que el balance de materia es una derivacin matemtica de la "Ley de la conservacin de la energa" (Primera Ley de La Termodinmica), es decir "La energa no se crea ni se destruye, solo se transforma". El balance de energa es una principio fsico fundamental al igual que la conservacin de masa, que es aplicado para determinar las cantidades de energa que es intercambiada y acumulada dentro de un sistema. La velocidad a la que el calor se transmiten depende directamente de dos variables: la diferencia de temperatura entre los cuerpos calientes y fros y superficie disponible para el intercambio de calor.Tambin influyen otros factores como la geometra y propiedades fsicas del sistema y, si existe un fluido, las condiciones de flujo.Los fluidos en bioprocesado necesitan calentarse o enfriarse. Ejemplos tpicos de ellos son la eliminacin de calor durante las operaciones de fermentacin utilizacin utilizando agua de refrigeracin y el calentamiento del medio original a la temperatura de esterilizacin mediante vapor.

EXPERIMENTO

a. MATERIALES Y REACTIVOSMATERIALES: Un matraz de destilacin de 500 ml Un refrigerante Un soporte universal con pinzas Un aro y rejilla Un mechero Dos enlermeyers de 250 ml Una probeta de 150 ml Un termmetro Un cronometro o reloj con segunderoREACTIVOS:agua potable

b. PROCEDIMIENTO

1. Instalamos el equipo de destilacin como observamos en la figura.2. Llenar 400 ml de agua potable al matraz. Luego empalmamos el matraz al condensador refrigerante y el colector.3. Hacer circular el agua de refrigeracin a travs del refrigerante, en sentido contrario al que fluir el vapor (contra corriente).4. Medimos la velocidad de flujo de masa del agua de refrigeracin en kg/h para ello, e la salida del agua medir un determinado volumen de agua en una probeta o vaso, en un tiempo controlado.5. Medimos la temperatura del agua de refrigeracin a la salida del refrigerante.6. Encender el mechero, empezar la destilacin y medimos las temperaturas del condensado y del agua de refrigeracin.7. Tomar el tiempo que trascurre desde que cae la primera gota de condensado hasta obtener 100 ml de, de condensado. Apagar el mechero.8. Luego hicimos circular el agua de refrigeracin a travs del refrigerante en el mismo sentido que fluir el vapor (corrientes paralelas). Luego proceder como en los pasos 6 y 7.9. A los 200 ml restantes de agua potable, agregarle 0.5 gramos de sulfato de cobre disolverlo y proceder a la destilacin. Repitiendo los pasos 3 al 8, hasta obtener 50 ml de destilado o condensado.

CLCULOS Y RESULTADOS1. Para la experiencia determinar:a) El calor ganado por el fluido frio.La mayor parte de los aparatos de transicin de calor operan en condiciones de estado estacionario y para este tipo de experiencia consideramos este tipo de operacin, por lo tanto, el tratamiento cuantitativo de los problemas de transmisin de calor se basaran solo en los balances de energa. As tenemos:El calor perdido por el fluido caliente es ganado por el fluido frio, de forma que:qc= -qhDnde:qc = calor ganado por el fluido frio.qh = calor perdido por el fluido caliente.Luego:qh = mh x Siendo:mh = velocidad de condensacin del vapor Kg/h. = calor latente de vaporizacin del vapor.Considerando que el calor que pierde el fluido caliente no solo se debe al cambio de fase, entonces tomamos en cuenta tambin el cambio de temperatura:Por lo tanto:qh = mh ( + Cph (Thb Tha))Donde:

Mh = masa del condensado.Cph = calor especifico del condensado.

Datos:Tha = 88 C = -540 Kcal/KgThb = 32 CVcondensado = 100mLCph = 1cal/g CTiempo de condensado = 15min.12s.

qc = -qh = mh ( + Cph (Thb - Tha)qc = 59600 cal.

Por lo tanto, el calor ganado por el fluido frio fue de 59600 cal.

b) El calor perdido por el fluido caliente.Considerando nuestro sistema como su estado estacionario en sus condiciones de operacin, tenemos:qc = -qhPor lo tanto:qh = -59600 cal.Por lo tanto, el calor perdido por el fluido caliente fue de 59600 cal.c) La velocidad de condensacin del vapor.

d) La masa del agua de refrigeracin empleada por volumen de condensado obtenido.- Se obtuvo 100ml de condensado.- El caudal de agua de refrigeracin (mc) fue de 257,14 Kg/h- El tiempo transcurrido para obtener los 100ml de condensado fue de 15min.12s.

Por lo tanto, la masa de agua de refrigeracin empleada se calcula como:

Magua = (mc) (tiempo transcurrido)Magua = (257,14 Kg/h) (0,253)Magua = 65.142 Kg.

Finalmente, la masa de agua de refrigeracin empleada fue prcticamente 65.142Kg.2. Qu conclusiones puede sacar de los resultados obtenidos con respecto a los calores ganados y perdidos por los fluidos?es razonable la temperatura asumida del vapor a la entrada del condensador? Fundamente sus respuestas.

Los calores ganados van a ser iguales a los calores perdidos por los fluidos considerando que nuestro sistema opera en condiciones de estado estacionario, por ende evaluamos la transmisin de calor en funcin de los balances de energa.La temperatura del vapor a la entrada del condensador a 100 C no es razonable y se ha podido demostrar con el Termmetro. Sabemos que la temperatura de ebullicin del agua vara segn las condiciones ambientales del laboratorio y la altitud, y va a haber un calor latente de cambio de fase que no va alterar la temperatura del sistema; de aqu se desprende que la temperatura del condensador se va a mantener constante.

3. Determine la eficiencia del condensador (refrigerante) en los dos casos. Es decir en contra corriente y en corrientes paralelas.

Podemos afirmar que el sistema de contracorriente tiene mayor eficiencia porque se obtiene mayor producto en una menor cantidad de tiempo con respecto al sistema de paralelos.

CUESTIONARIO1. Qu factores pueden aumentar o disminuir la eficiencia del condensador empleado en la experiencia?Los principales factores de la eficiencia son:-La direccin del flujo del agua refrigerante-La velocidad de flujo de la masa de agua refrigerante.-La temperatura de ingreso al sistema del agua refrigerante.-El grado de pureza del agua, ya que si se encuentra disolviendo a un soluto podra tomar ms tiempo llegar a su temperatura de ebullicin.

DISCUSIN DE RESULTADOS

Al instala el equipo de destilacin, se tuvo en cuenta que la entrada del agua estuviera en la parte inferior del condensador, y la salida en la parte superior, con el fin de que el destilado se enfriase ms rpido, porque de no ser as, si es agua est en contracorriente con el destilado este se enfra ms rpido porque as absorbe mucho ms calor.

CONCLUSIONES

La transferencia de calor entre los fluidos a contracorriente es menor que la que se da entre os fluidos que van en paralelo. Esto explica porque la condensacin se da ms rpidamente en el primer sistema y el vapor tiene una mayor cantidad de superficie a temperatura baja que justamente facilita esto.

A travs del experimento podemos verificar que para obtener volmenes pequeos de fluidos condensados se requiere de un gran gasto de energa que se ve reflejada a travs de la transmisin de calor entre los fluidos y aun sin considerar el gasto de energa que provoca el calentamiento de agua.

BIBLIOGRAFA

Pons Muzzo, Gastn, Fisicoqumica, 5ta Edicin, Universidad Nacional Mayor de San Marcos, LimaPer 1981

http://es.wikipedia.org/wiki/Gaseshttp://www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/4acetona.pdf

Manual de laboratorio de fsico qumica (UNASAM)

APENDICE

Pgina 17