Manual de Prácticas de Laboratorio Reparado

 

 

2016 Manual de prácticasde deTransporte Laboratorio “Fenómenos  I” 

Dr. en C. Lázaro Canizalez Dávalos 

 

Contenido PRÁCTICA 1. CONDUCCIÓN DE CALOR

3-13

PRÁCTICA 2. DESCARGA DE TANQUE

14-28

PRÁCTICA 3. EVAPORACIÓN NATURAL

29-42

PRÁCTICA 4. EVAPORACIÓN FORZDA

43-57

 

PRÁCTICA 5. CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO DE UNA UNA B BARRA ARRA METALICA 58-65

PRÁCTICA 6. DISOLUCIÓN DE UN SÓLIDO

 

66-79

2

 

 

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS QUÍMICAS PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA

 LABORATORIO DE FENÓMENOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE PRÁCTICA No. 1: “CONDUCCIÓN DE CALOR”  CALOR” 

 INTEGRANTES DE EQUIPO:  Joselin Guadalupe Sánchez Pérez Yared Betsabe Medina Rodríguez Víctor Alfonso Tapia Canales  Fabiola Rodríguez Martínez Steven García Orozco  Juan Daniel Frías Hernández

4to semestre, Grupo B

F echa cha:

20 de abril del 2016 

Universidad Autónoma de Zacatecas, Unidad Académica de Ciencias Químicas, Programa de Ingeniería Química, Nuevo Campus UAZ Siglo XXI Edificio 6, Km. 6 s/n Carr. Zacatecas-Guadalajara, Ejido “La Escondida”, C.P. 98160, Zacatecas, Zac.

 

3

 

 

1.1 RESUMEN Para realizar nuestra práctica de laboratorio tuvimos que repetirla dos veces ya que la  primera vez no contába contábamos mos con una bomba para lograr bombear aagua gua para realizar nuestro experimento, además de que el agua no logro alcanzar la temperatura correcta para poder realizar el experimento. La segunda vez para realizar satisfactoriamente nuestro experimento, lo primero que se hizo fue conectar el intercambiador de calor de tubos concéntricos, conocer las llaves de  paso y ver cómo debía de estar cerradas las llaves para que los flujos de agua caliente y agua fría cumplieran su objetivo. Después esperamos cierto tiempo a que se calentara el agua, y comenzamos a observar el comportamiento térmico a diferentes condiciones en la operación: flujo y temperatura, en la computadora se registraban las temperaturas de cada llave de paso y observábamos el tiempo de estabilización ante los cambios en las condiciones de operación.

1.2 OBJETIVO GENERAL Estudiar el fenómeno de conducción de calor presente en múltiples procesos industriales.

1.3 OBJETIVOS ESPECIFICOS Conocer el intercambiador de calor de tubos concéntricos. Estudiar el transporte de calor en un intercambiador de calor de tubos concéntricos en flujo en contracorriente. Conocer las diferentes formas de conducción de calor. Analizar la conductividad térmica. Observar el comportamiento térmico a diferentes condiciones en la operación: flujo y temperatura. Observar el tiempo de estabilización ante los cambios en las condiciones de operación.

 

4

 

 

1.4 MARCO TEÓRICO El objetivo principal de esta práctica es observar fenómeno de conducción de calor presente en diversos procesos de transferencia de energía térmica involucrando equipos térmicos, como el intercambiador de calor, utilizado en esta práctica. El calor es una energía en tránsito ya sea que la transferencia de calor sea por contacto directo o indirecto a través de paredes. Aplicar la segunda ley de la termodinámica, ya que sabemos que el calor fluye desde un fluido con temperatura alta hacia un fluido con temperatura baja.

1.4.1 INTRODUCCIÓN CONDUCCIÓN DE CALOR La conducción de calor o transmisión de calor por conducción es un proceso de transmisión de calor basado en el contacto directo entre los cuerpos, sin intercambio de materia, por el que el calor fluye desde un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor temperatura que está en contacto con el primero. La propiedad física de los materiales que determina su capacidad para conducir el calor es la conductividad térmica. La propiedad inversa de la conductividad térmica es la resistividad la resistividad térmica, térmica, que  que es la capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor.

Figura 1. Conducción de calor.

 

5

 

 

La transmisión de calor por conducción, entre dos cuerpos o entre diferentes partes de un cuerpo, es el intercambio de  de  energía interna, interna,   que es una combinación de la la energía  energía cinética y energía potencial de sus partículas microscópicas:  microscópicas: moléculas,  moléculas, átomos  átomos y electrones. La  electrones. La conductividad térmica de la materia depende de su estructura microscópica: en un fluido un  fluido se debe principalmente a colisiones a colisiones aleatorias de las moléculas; en un sólido depende del intercambio de electrones libres (principalmente en metales) en  metales)   o de los  los modos de vibración de sus partículas microscópicas (dominante en los materiales no metálicos).

Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola dirección, el calor transmitido es proporcional al área perpendicular al flujo de calor, a la conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente proporcional al espesor:

Donde: Es el calor transmitido por unidad de tiempo. (o ) Es la conductividad térmica. es el área de la superficie de contacto. Es la diferencia de temperatura entre el foco caliente y el frío. Es el espesor del material.

TRANSFERENCIA DE 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. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la  pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agu aguaa de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

 

6

 

 

EL CALOR   Puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y por radiación. La conducción es la transferencia de calor a través de un objeto sólido: es lo que hace que el asa de un atizador se caliente aunque sólo la punta esté en el fuego. La convección transfiere calor por el intercambio de moléculas frías y calientes: es la causa de que el agua de una tetera se caliente uniformemente aunque sólo su parte inferior esté en contacto con la llama. La radiación es la transferencia de calor por radiación electromagnética (generalmente infrarroja): es el principal mecanismo por el que un fuego calienta la habitación.

TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR   TUBOS CONCÉNTRICOS O DOBLE TUBO A continuación se indican el funcionamiento de un intercambiador de calor de tubos concéntricos o doble tubo.

Figura 2. Tubos concéntricos Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo son los más sencillos que existen. Están constituidos por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos.

 

7

 

 

Hay dos posibles configuraciones en cuanto a la dirección de los fluidos: a contracorriente y en paralelo. A contracorriente los dos fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos; en cambio en paralelo entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. A continuación se pueden ver dos imágenes con las dos posibles configuraciones de los fluidos dentro de los tubos.

Figura 3.Configuraciones de los fluidos dentro de los tubos Los intercambiadores de calor de tubos concéntricos o doble tubo pueden ser lisos o aleteados. Se utilizan tubos aleteados cuando el coeficiente de transferencia de calor de uno de los fluidos es mucho menor que el otro. Como resultado el área exterior se amplia, siendo ésta más grande que el área interior.

 

8

 

 

El tubo con aletas transversales representado a continuación, se utiliza cuando la dirección del fluido es perpendicular al tubo. En cambio, cuando la dirección del flujo de los fluidos es paralela al eje de los tubos, el tubo es con aletas longitudinales:

Figura 4. Tubo con aleta trasversal y tubo con aleta longitudinales.

1.4.2 MATERIALES Y REACTIVOS  Material Intercambiador

Reactivos de

calor

de

tubos Agua

concéntricos Equipo para el estudio de intercambiador de calor controlado por ordenador

Tabla 1. Materiales y reactivos. 

1.4.3 DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. Conectar el equipo para el estudio de intercambiador de calor controlado por ordenador. 2. Abrir y cerrar las llaves de paso necesarias para la conducción de nuestro fluido en el intercambiador de calor de tubos concéntricos. 3. Calentar el agua a una temperatura arriba de los 40°C. 4. Encender la bomba de agua para bombear agua fría al equipo, y observar lo que pasa. 5. Comenzar a registrar las temperaturas obtenidas en el ordenador a cada tiempo de cambio. 6. Imprimir pantalla para mostrar los resultados del comportamiento térmico durante el tiempo de estabilización (2 impresiones de pantalla son suficientes, t = 0 y t = estabilizado).  

9

 

 

1.4.4 ESQUEMA DE TRABAJO

1. Conectar el equipo para el estudio de intercambiador de calor controlado por ordenador

☺

3. Calentar el agua a una temperatura temperatur a arriba de los 40°C. Encender la bomba de agua para bombear agua fría al equipo, y observar lo que pasa.

2. Abrir y cerrar las llaves de paso necesarias para la conducción de nuestro fluido en el intercambiador de calor de tubos concéntricos.

☺

Comenzar a registrar las temperaturas temperatur as obtenidas en el ordenador a cada tiempo de cambio. Imprimir pantalla para mostrar los resultados del comportamient comportamiento o térmico durante el tiempo de estabilización

10

 

 

 

1.5 REGISTRO Y RESULTADOS 1.5.1 1.5. 1 Calcular C alcular el balance balance de de calor calor pa parr a el el lad lado o cali calie ente y par para a el el lad lado o fri fr i o de del intercambiador de calor. Caliente Tc1  49.81C  322.96 K Tc 2  39.78C  312.93 K 6 3 m  0.23l / min  3.83 x10 m / s

 

   Cp  1.83x101  4.72 x10 1T  1.34 x10 3 T 2  1.31x10 6 T 3  

Qc  m



T2

T1

CpdT  3.83x10

Qc  3.83 x10

6

m3  s

m3

6

 s



312.93 K 

322.96 K 

1.83x10

1

 4.72 x10 1T  1.34 x10 3T 2  1.31x10 6 T 3 dT  

 752.39   2.88 x10 

3

Frío

T f 1  27.91C  301.06 K 6

T f  2  40.16C  313.31K

 

3

m  0.06l / min  1x10 m / s Cp  1.83x101  4.72 x101T  1.34 x103 T 2  1.31x10 6 T 3   Q f    m



T2

T1

Q f    1x10

CpdT 1x10 6

m3  s

6

m3  s



313.31K 

301.06 K 

1.83x10

1

 4.72 x101T  1.34 x10 3T 2  1.31x10 6 T 3 dT  

 916.50   9.165 x10 

4

 

1.5.2  Determinar la cantidad de calor recuperada. Q  Q f  Qc  9.165 x10 3

4

 (2. 2.88 x10

3

)

 

Q  3.7965x10

11

 

 

 

1.5.3  I mpri mi r pa pantalla ntalla par para a most mostrr ar los re r esultad sultados os de del compo comporr ta tam mi ento té tér mi co durante dur ante el tie ti empo de estab stabii liliza zaci ción ón (2 ( 2 im i mpr pre esi sione oness de pa pantalla ntalla son sufi suf i ci cie ente ntes, s, t = 0 y t = estabilizado).

Figura 5. Impresión de pantalla t=0 

Figura 6. Impresión de pantalla t=estabilizado

12

 

 

 

1.6 CONCLUSIONES  Gracias a lo realizado en el laboratorio se pudo comprobar de manera experimental la existencia de la trasferencia de calor, esto se pudo observar de manera más clara en las temperaturas de salida las cuales son aproximadamente las mismas difiriendo solo por un grado de diferencia, lo cual nos da un claro ejemplo del equilibrio térmico y la transferencia de calor.

1.7 REFERENCIAS Libros:

G. V. Reklaitis, Introducction to Material and Energy Balance. V í a i nte nter ne net: t:

Conducción (19 de mayo 2016) http://www.fundabiomed.fcs.uc.edu.ve/cap31.pdf http://www.elementos.buap.mx/num25/pdf/51.pdf

1.8 APÉNDICE

Figura 7. Etiqueta de seguridad del agua.

13

 

 

 

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS QUÍMICAS PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA

 LABORATORIO DE FENÓMENOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE PRÁCTICA No. 2:

“DESCARGA DE TANQUE”  TANQUE”   INTEGRANTES DE EQUIPO:  Joselin Guadalupe Sánchez Pérez Yared Betsabe Medina Rodríguez Víctor Alfonso Tapia Canales  Fabiola Rodríguez Martínez Steven Garcia Orozco  Juan Daniel Frías Hernández

4to semestre, Grupo B

F echa cha:

23 de mayo del 2016   Universidad Autónoma de Zacatecas, Unidad Académica de Ciencias Químicas, Programa de Ingeniería Química, Nuevo Campus UAZ Siglo XXI Edificio 6, Km. 6 s/n Carr. Zacatecas-Guadalajara, Ejido “La Escondida”, C.P. 98160, Zacatecas, Zac.  

14

 

 

 

2.1 RESUMEN Para realizar la práctica de una forma satisfactoria fue necesario llenar el recipiente hasta una altura de 20cm sabiendo que la salida del fluido debe de estar tapada, después de esto se ocupo medir el volumen y el tiempo en cada cm del vaciado del fluido.

2.2 OBJETIVO GENERAL Comparar los tiempos experimental y teórico de drenado de un tanque con tubos de descarga de diferentes diámetros y longitudes.

2.3 OBJETIVO ESPECIFICO Estudiar los fenómenos físicos mediante modelos matemáticos, matemáticos, relacionando variables de un fenómeno con el uso de símbolos.

2.4 MARCO TEORICO El objetivo principal de esta práctica Estudiar los fenómenos físicos m mediante ediante modelos matemáticos, relacionando variables de un fenómeno con el uso de símbolos. Aplicar en  principio y conocimiento de algunos términos aprendidos de este.

2.4.1 INTRODUCCIÓN Muchos problemas físicos dependen de alguna manera de la geometría. Uno de ellos es la salida de líquido de un tanque a través de un orificio situado al fondo del mismo. La forma geométrica del recipiente determina el comportamiento físico del agua.

Considere un recipiente lleno de agua hasta una altura h. Suponga que el agua fluye a través de un orificio de sección transversal “a”, el cual está ubicado en la  base del tanque.

Se desea establecer la altura de líquido en el tanque en cualquier instante t y el tiempo que este demora en vaciarse.

15

 

 

 

Sea h (t) la altura de líquido en el tanque en cualquier instante t y V(t) el volumen de agua del tanque en ese instante. La velocidad v del agua que sale a través del orificio es: v

(1)  

2 gh



Donde g es la gravedad. La ecuación (1) representa la velocidad que una gota de agua adquiriría al caer libremente desde la superficie del agua hasta el agujero. En condiciones reales, hay que tomar en cuenta la contracción que sufre un chorro de agua en un orificio, por lo que se tendrá v



(2)  

c 2 gh

Donde c es el coeficiente de descarga comprendido entre 0 y 1 ( 0 < c < 1).

OBSERVACIÓN Cuando el valor del coeficiente de descarga c no se indica, se asume que c=1. Según la Ley de Torricelli, la razón con la que el agua sale por el agujero (variación del volumen de líquido en el tanque respecto del tiempo) se puede expresar como el área “a”

del orificio de salida por la velocidad v del agua drenada, esto es: dV  dt 

 

(3)  

av

Sustituyendo la ecuación (2) en la ecuación (3) dV  dt 

 

(4)  

av 2 gh

Si A(h) denota el área de la sección transversal horizontal del tanque a la altura h, aplicando el método del volumen por secciones transversales se obtiene: V

h



 A(h)dh  



0

16

 

 

 

Derivando respecto de t y aplicando el teorema fundamental del cálculo dV dt



 A( h )

dh dt  

(5)  

Comparando las ecuaciones (3) y (5)  A(h )

dh dt 

 

ac 2 gh

(6 (6)  

La ecuación define el líquido en el tanque en cualquier instante t, “a” el área del orificio de

salida el cual está ubicado al fondo del tanque, g la gravedad, c es el coeficiente de descarga y A(h) el área de la sección transversal del tanque. La ecuación diferencial asociada al problema de vaciado de tanques es:  A( h)

dh dt 

 

ac 2 gh  

(7)

Esta es una ecuación diferencial de variables separables, la cual al resolverse sujeta a la condición de conocer la altura inicial h o  para el tiempo t=0, permite obtener la ley de variación de la altura del líquido en el tanque en función del tiempo. Si, además, hay aporte del líquido al líquido, líquido, la ecuación diferencial es:  A(h )

dh dt 



Q



ac 2 gh  

(8)

17

 

 

 

2.4.2 MATERIAL Y REACTIVOS MATERIAL

REACTIVOS

1 Tanque de varios litros de capacidad

Agua

1 Indicador de nivel 1 Sistema para intercambiar tubos 3 Tubos de diferentes diámetros

Tabla 1. Materiales y Reactivos

2.4.3 DESARROLLO EXPERIMENTAL a)  El tanque utilizado para este experimento,

es un tanque de varios litros de

capacidad implementado con un indicador de nivel y un sistema para intercambiar tubos.  b)  Cerrar la válvula de descarga del tanque. c)  Colocar uno de los tubos. Se utilizarán tres con diámetro y largo diferentes. d)  Se cierra la alimentación y se llena el tanque con agua. Para ello se acarreará agua en una tina para el llenado. e)  Una vez llenado, se abre la descarga del tanque y se deja caer el agua hasta que el nivel de esta se pueda observar por el tubo de nivel. f)  Se comienza a contar el tiempo anotándose la altura del líquido contra el tiempo. g)  Una vez vaciado el tanque, se realiza el mismo procedimiento pero ahora con lecturas de los diferentes diámetros de los otros tubos.

18

 

 

 

2.4.4 ESQUEMA DE TRABAJO

utilizar un tanque de varios litros de capacidad

Acondicionar el equipo para realizar la práctica.

Lle lena narr el re reci cipi pien entte con ag agua ua ha hast staa la al altu tu ra de 20 cm, teniendo en cuen cu enta ta qu quee de debe be es esta tarr tapa ta pado do el tu tubo bo de sa sali lida da de dell fl flui uido do.

Medi Me dirr el ti tiem empo po de va vaci ciad adoo ca cada da cm de de desc scen enso so..

Medi Me dirr el vo volu lume menn de ag agua ua en en cm de des descen censo. so.

19

 

 

 

2.5 CALCULOS, RESULTADOS Y DISCUSION La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos en los dos experimentos realizados para cada diámetro; el tiempo, en esta tabla, se encuentra en minutos.Temperatura del agua = 16ºC

Altura Tiempo (minutos) (cm)

Diámetro 1

Diámetro 2

Diámetro 3

Experimento Experimento

Experimento

Experimento

Experimento

Experimento

1

2

1

2

1

2

1

0

0

0

0

0

0

2

00:05

00:04.7

00:03

00:04.4

00:03.8

00:04.9

3

00:10

00:10.4

00:06.8

00:07.7

00:08.2

00:09.1

4

00:15

00:15.6

00:11.7

00:11.3

00:11.5

00:12.8

5

00:21

00:20.1

00:15.6

00:14

00:16.5

00:17.3

6

00:27

00:25.5

00:18.9

00:17.1

00:21.2

00:21.1

7

00:32

00:31.8

00:23.1

00:20.5

00:24.8

00:26.3

8

00:37

00:38.8

00:27.1

00:24.7

00:28.2

00:31.4

9

00:44

00:44.1

00:31.2

00:28.1

00:33.5

00:36

10

00:50

00:50.1

00:35.2

00:31.5

00:37.8

00:40

11

00:55

00:55.2

00:39.4

00:35

00:42.9

00:44.3

12

01:02

01:01.3

00:43.2

00:41.4

00:46

00:48.9

20

 

 

 

13

01:10

01:06.9

00:47.1

00:45.1

00:51.6

00:52.9

14

01:15

01:13.4

00:51

00:48.3

00:56.4

00:56.9

15

01:20

01:19.7

00:55.6

00:52.6

01:01.5

01:02.6

16

01:36

01:25.3

00:59.6

00:57.6

01:06.8

01:08.3

17

01:41

01:31.3

01:08.5

01:02.2

01:15.7

01:12.5

18

01:49

01:36.8

01:13

01:06.1

01:20.6

01:18.1

19

01:57

01:43.8

01:18

01:10.5

01:26.5

01:22.1

20

02:02

01:50.3

01:22.2

01:15.5

01:32.2

01:28.1

21

02:09

01:57

01:27.5

01:20.4

01:36.7

01:34.3

22

02:16

02:06

01:32.3

01:25.5

01:39.2

01:40.3

23

02:24

02:10.8

01:37.6

01:30

01:41.3

01:44.7

24

02:31

02:14.8

01:41.7

01:35.2

01:45.9

01:49.7

25

02:38

02:19.4

01:46.8

01:39.6

01:53.4

01:55.7

26

02:46

02:26.7

01:50.9

01:44.6

01:59.2

02:00.6

27

02:53

02:35.3

01:56.9

01:49.9

02:04.1

02:06.8

28

03:02

02:40.8

02:00.8

01:56.1

02:09

02:13.6

Tabla 2. Datos experimentales realizados para cada diámetro.  

Se obtuvieron los promedios de tiempo de los experimentos para cada diámetro; la siguiente tabla muestra los resultados expresando el tiempo en segundos.

21

 

 

 

Altura

Tiempo (segundos) Diámetro

Diámetro

Diámetro

1

2

3

1

0

0

0

2

5

4

4

3

10

0.725

8.65

4

16

11.5

12.15

5

20.55

7.87

16.82

6

26.25

18

21.1

7

32

21.8

25.55

8

37.9

25.9

29.8

9

44

29.65

34.75

10

50

33.35

38.9

11

55

37.2

43.6

12

60.75

42.3

47.45

13 14

68.45 74.2

46.1 49.65

52.25 56.65

15

79.85

54.3

62.05

16

90.65

58.6

67.55

17

96.15

65.35

74.1

18

102.9

69.55

79.35

19

110.4

74.25

87.3

22

 

 

 

20

115.25

78.85

90.15

21

118.95

83.95

95.5

22

131

88.9

99.75

23

137.4

93.8

103

24

142.9

98.75

107.8

25

148.7

103.2

114.55

26

156.35

107.75

119.9

27

164.15

113.4

125.45

28

170.5

118.45

131.3

Tabla 3. Resultados expresado el tiempo en segundos. Medidas de los diferentes diámetros:

Diámetro 1 = 2 cm Diámetro 2 = 2.38 cm Diámetro = 2.1 cm

Velocidad Teórica v



c

2 gh

 

Altura

Velocidad

(m)

(m/s)

0,01

0,442944692

0,02

0,626418391

0,03

0,767202711

0,04

0,885889384

23

 

 

 

0,05

0,990454441

0,06

1,084988479

0,07

1,171921499

0,08

1,252836781

0,09

1,328834075

0,1

1,400714104

0,11

1,469081346

0,12

1,534405422

0,13

1,597059799

0,14

1,657347278

0,15

1,715517415

0,16

1,771778767

0,17

1,826307751

0,18

1,879255172

0,19

1,930751149

0,2

1,980908882

0,21

2,029827579

0,22

2,077594763

0,23

2,124288116

0,24

2,169976958

0,25

2,214723459

0,26

2,258583627

24

 

 

 

0,27

2,301608133

0,28

2,343842998

Tabla 4. Velocidad teórica  Curvas experimentales de la altura (cm) contra tiempo (s) para los diferentes diámetros de descarga.

Altura vs tiempo 30 25     ) 20    m    c     (    a    r 15    u    t     l    A

10 5 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Tiempo (seg)

Grafico 1. Altura contra el tiempo del Diámetro 1

25

 

 

 

Altura vs tiempo 30 25     ) 20    m    c     (    a    r 15    u    t     l    A10

5 0 0

20

40

60

80

100

120

140

100

120

140

Tiempo (seg)

Grafico 2. Altura contra el tiempo del Diámetro 2 

Altura vs tiempo 30 25     ) 20    m    c     (    a    r 15    u    t     l    A

10 5 0 0

20

40

60

80

Tiempo (seg)

Grafico 3. Altura contra el tiempo del Diámetro 3 R eali alice ce un gr g r áfi áfico co dond donde e com compa parr e los los dato datoss exper exper i mentale ntaless de cad cada a ej ej erc ercii ci cio. o.

26

 

 

 

Altura vs tiempo Diámetro 1

Diámetro 2

Diámetro 3

30 25     ) 20    m    c     (    a    r 15    u    t     l    A10

5 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Tiempo (segundos)

Grafico 4. Comparación de la altura contra el tiempo de los distintos diámetros

2.6 CONCLUSIÓN Se concluye en la presente práctica que se visualizó y cuantificó la incidencia de dos fenómenos sobre el flujo a través de tipos de medidores. Sin embargo, para facilitar el estudio, se contempló el caso particular de un orificio directamente practicado sobre la  pared de un depósito con fluido a presión (agua). Se probaron distintas geometrías de orificio, y, en cada caso, se compararon los caudales ideales y reales, además de otras variables, para obtener los correspondientes valores de los coeficientes de velocidad, contracción y derrame. Al igual igual se observó claramente cómo es que se comporta el líquido líquido al vaciarse el tanque, se observa, al igual, que para cada tubo con diferente diámetro el tiempo de descarga es diferente ya que cuando el diámetro es más pequeño tarda un poco más que cuando el diámetro es mayor, además de que el volumen del tanque influye en la  presión en que este se vacía. En las gráficas se observa el cuanta baja el nivel del agua conforme avanza el tiempo.

2.7 REFERENCIA REFERENCIAS S Vía internet:

27

 

 

 

Fenómenos físicos (19 de Mayo, 2016) http://es.scribd.com/doc/54731794/Ecuaciones-Dif-Para-Vaciado-de-Tanques http://es.slideshare.net/lealmayra/tema-5-1leyparavolumenesdecontroltermo1 http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/vaciado/vaciado.htm   http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/vaciado/vaciado.htm 2.8 APÉNDICE

Figura 1. Etiqueta de seguridad del agua.  

28

 

 

 

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS QUÍMICAS PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA  LABORATORIO DE FENÓMENOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE I PRÁCTICA No. 3:

“EVAPORACIÓN NATURAL”  NATURAL”   INTEGRANTES DE EQUIPO:  Joselin Guadalupe Sánchez Pérez Yared Betsabe Medina Rodríguez Víctor Alfonso Tapia Canales  Fabiola Rodríguez Martínez Steven García Orozco  Juan Daniel Frías Hernández

4to semestre, Grupo B

F echa cha: 20 de abril del 2016 

Universidad Autónoma de Zacatecas, Unidad Académica de Ciencias Químicas, Programa de Ingeniería Química, Nuevo Campus UAZ Siglo XXI Edificio 6, Km. 6 s/n Carr. Zacatecas-Guadalajara, Ejido “La Escondida”, C.P. 98160, Zacatecas, Zac.  

29

 

 

 

3.1 RESUMEN Para realizar la prácti práctica ca de una forma satisfactoria fue necesario enumerar tres matraces Erlenmeyer y tres cajas pequeñas de vidrio abiertas, utilizando como reactivos agua y etanol, a si mismo se adiciono de agua y/o etanol. En el matraz Erlenmeyer 1 adicionamos 10ml de agua. En el matraz 2 adicionamos 10 ml de etanol y en el matraz 3 adicionamos 10 ml de mezcla etanol-agua al 50%. Realizar el mismo procedimiento para las cajas pequeñas de vidrio. Siendo ester el tiempo cero. Se Dejo en reposo. Pesamos cada matraz y caja, cada 5 min hasta que se evaporó todo el agua y/o etanol. Finalmente con los resultados obtenidos pudimos realizar los cálculos necesarios para la comparación de los tres casos. 

3.2 OBJETIVO GENERAL Estudiar el desarrollo del transporte molecular de materiales evaporados a través del aire, mediante el monitoreo d su comportamiento mientras trascurre el proceso.

3.3 OBJETIVO ESPECÍFICOS Estudio experimental del transporte molecular.   Preparar soluciones con alcohol y agua Identificar el efecto de una capa de aire estancado.   Analizar el proceso de evaporación.  

3.4 MARCO TEÓRICO El objetivo principal de esta práctica es analizar y conocer las propiedades de los líquidos por medio de la experimentación.  Aplicar en principio y conocimiento básico de la evaporación.   Se comparará y analizará el disolvente; agua y etanol, que se volatilizarán para su estudio. Indagar sobre los factores que influyen en la evaporación del agua; cuándo y  por qué se produce . 

30

 

 

 

3.4.1  INTRODUCCIÓN La evaporación es un proceso ffísico ísico que consiste en el paso lento y gradual de un estado líquido estado  líquido hacia un estado estado gaseoso,  gaseoso, tras  tras haber adquirido suficiente energía para vencer la tensión la tensión superficial. superficial.   A diferencia de la la ebullición,  ebullición,   la evaporación se puede producir a cualquier temperatura, siendo más rápido cuanto más elevada sea esta. No es necesario que toda la masa alcance el punto el punto de ebullición. ebullición. Cuando  Cuando existe un espacio libre encima de un líquido, una parte de sus moléculas está en forma gaseosa, forma gaseosa,   al equilibrarse, la cantidad de materia gaseosa define la presión la presión de vapor saturante, la cual no depende del del volumen,  volumen, pero  pero varía según la naturaleza del líquido y la temperatura. la temperatura. Si  Si la cantidad de gas es inferior a la  presión de vapor vapo r saturante, una parte de las moléculas pasan de la fase líquida a la gaseosa: gaseos a: eso es la evaporación. Cuando la presión de vapor iguala a la atmosférica, se produce laebullición. aebullición. En  En hidrología,  hidrología, la  la evaporación es una de las variables las variables hidrológicas importantes al momento de establecer el balance el  balance hídrico de una determinada cuenca hidrográfica o parte de esta. En este caso, se debe distinguir entre la evaporación desde superficies libres y la evaporación desde el suelo. La evaporación de agua es importante e indispensable en la vida, ya que el  el  vapor de agua, agua,   al al condensarse  condensarse se transforma eennubes nnubes y vuelve en forma de lluvia, de lluvia, nieve,  nieve, niebla  niebla o rocío.  rocío.   Vista como una  una  operación unitaria, unitaria,   la evaporación es utilizada para eliminar el vapor formado por ebullición de una solución o suspensión líquida.  líquida.  

Figura 1. Evaporación del agua

31

 

 

 

FENÓMENO FÍSICO El movimiento térmico de una molécula de líquido debe ser suficiente para vencer la  la  tensión superficial y evaporar, esto es, su su   energía cinética debe exceder el trabajo de cohesión aplicado por la tensión superficial a la superficie del líquido. Por eso, la evaporación acontece más rápidamente a altas temperaturas, altas temperaturas, a  a altos caudales entre las fases líquida y vapor y en líquidos con bajas tensiones superficiales (esto es, con presión con  presión de vapor más elevadas). Con solamente una proporción pequeña de moléculas localizada cerca de la superficie y moviéndose en la dirección correcta para escapar del líquido en un cierto instante, la tasa de evaporación es limitada. Además, como las moléculas de mayor energía escapan y las que quedan tienen menor energía cinética média, la temperatura del líquido se reduce. Este fenómeno también es llamado de enfriamiento evaporativo. ev aporativo. Un ejemplo para dicho fenómeno es la transpiración (sudor) (sudor)..

EQUILIBRIO EVAPORATORIO Si la evaporación ocurre en un recipiente cerrado, las moléculas las  moléculas que escapan del líquido se acumulan en forma de vapor de vapor arriba del líquido. Muchas de esas moléculas regresan al estado líquido. Cuando el proceso de escape y regreso alcanza un equilibrio, el vapor es llamado saturado y no ocurren cambios adicionales en la la  presión de vapor o en la temperatura del líquido.

USOS INDUSTRIALES Vista como una  una  operación unitaria, unitaria,   la evaporación es utilizada para eliminar el vapor formado por ebullición de una solución o suspensión líquida para así obtener una solución concentrada. Se puede hacer por calentamiento o a presión reducida. En la gran mayoría de los casos, la evaporación vista como operación unitaria se refiere a la eliminación de agua de una solución acuosa. La  La evaporación en vacío es usada en la la  industria alimentaria para alimentaria para la conservación de alimentos, y en otras industrias, para el recubrimiento el  recubrimiento de diversos materiales. 

32

 

 

 

3.4.2  MATERIAL Y REACTIVOS MATERIAL

REACTIVOS

4  Cajas pretty

Etanol.

3 matraz Balance granataría.

Agua.

Perilla de supción. 1 pipeta, 10 ml.

Tabla 1. Materiales y Reactivos.

3.4.3  DESARROLLO EXPERIMENTAL 1.  Preparar una solución de etanol-agua al 50 por ciento 2.  Enumerar los vasos de precipitado del uno al tres y de la misma forma los matraces Erlenmeyer. 3.  Marcar las pipetas de manera que no sean mezcladas (una para etanol y la otra para agua). 4.  Pesar un vaso de precipitado y registrar su peso. 5.  Una vez hecho lo anterior, verter en el 10 ml d agua destilada y pasarlo inmediatamente. Registrar su peso, esta será la medición al tiempo cero. 6.  Poner el vaso de precipitado en un lugar seguro, libre de impurezas y de algún extraño al equipo. 7.  Pesar el matraz cada hora, hasta que se evapore todo el contenido del vaso. Anotar todos sus datos y observaciones en tablas. 8.  Repetir los pasos 4-7 en un matraz Erlenmeyer con agua. 9.  Volver a realizar el procedimiento del 4-7 con el matraz y el vaso de precipitado número 2, ahora con etanol. 10. Levar a cabo los pasos 4-7 con el matraz y el vaso de precipitado nuero 3, esta vez con la solución previamente preparada de etanol agua 50 por ciento volumen.

33

 

 

 

3.5  ESQUEMA DE TRABAJO

Pesar y enumerar tres matraces tres cajasErlenmeyer pequeñas dey vidrio abiertas. Anotar los  pesos.

Usar una pipeta para medir volúmenes de agua y otra  para medir volúmenes de etanol.

Se pesará inmediatamente

Dejar en reposo. Pesar cada matraz y caja, cada 5 min hasta que se evapore todo el agua y/o etanol.

después de cada adición de agua y/o etanol. En el matraz Erlenmeyer 1 adicionar 10ml de de agua. En el matraz 2 adicionar 10ml de etanol y en el matraz 3 adicionar 10 ml de mezcla etanol-agua al 50%. Realizar el mismo procedimiento para las cajas pequeñas de vidrio. Este será el tiempo cero.

Realizar una tabla con los valores de los pesos obtenidos.

34

 

 

 

3.6 REGISTRO DE RESULTADOS 1.  R esultado esultadoss obte obteni nido doss en tab tablas. las.

Caja Petri: Masa (g) Tiempo

Alcohol

Agua

50 % Alcohol y 50 % agua

Peso solo (g) Peso con reactivo

46.0604 53.791

48.8737

47.238

7.7306 59.1651 10.2914 55.2622

8.0242

(g) 5 min

53.6455 7.5851 59.1233 10.2496

55.096

7.858

10 min

53.4736 7.4132 59.0821 10.2084 54.9629

7.7249

15 min

53.1369 7.0765 58.9766 10.1029 54.6766

7.4386

20 min

52.6665 6.6061 58.7926

54.2859

7.0479

25 min

52.2972 6.2368 59.7846 10.9109 54.0158

6.7778

30 min

51.9267 5.8663 58.5853

9.7116

53.8262

6.5882

35 min

51.6481 5.5877 58.4736

9.5999

53.6174

6.3794

40 min

51.2974

5.237

58.3485

9.4748

53.3605

6.1225

45 min

50.8245 4.7641

58.194

9.3203

53.8643

6.6263

50 min

50.4101 4.3497 58.0436

9.1699

52.8099

5.5719

55 min

50.0241 3.9637 57.9022

9.0285

52.5775

5.3395

60 min

49.6706 3.6102 57.7701

8.8964

52.3595

5.1215

65 min

49.3191 3.2587 57.6364

8.7627

52.1596

4.9216

70 min

48.9494

8.6477

51.9918

4.7538

2.889

57.5214

9.9189

35

 

 

 

75 min

48.5826

2.5222

57.3673

8.4936

51.7791

4.5411

80 min

48.2833

2.2229

57.2623

8.3886

51.6333

4.3953

85 min

48.0216

1.9612

57.1738

8.3001

51.5138

4.2758

90 min

47.6189

1.5585

57.0208

8.1471

51.3129

4.0749

Tabla 2. Caja petri (masa g) Matraz: Masa (g) Tiempo

Alcohol

Agua

50 % alcohol Y 50 % agua

Peso solo (g) Peso con reactivo

37.6652

37.6852

37.9689

45.7944

8.1092

47.4536

9.4847

47.248

47.248

5 min

45.7943

8.1091

47.4542

9.4853

47.2457

47.2457

10 min

45.7896

8.1044

47.4522

9.4833

47.2434

47.2434

15 min

45.7901

8.1049

47.4487

9.4798

47.2415

47.2415

20 min

45.7912

8.106

47.4533

9.4844

47.2425

47.2425

25 min

45.7917

8.1065

47.4517

9.4828

47.2435

47.2435

30 min

45.7917

8.1065

44.449

6.4801

47.2406

47.2406

35 min

45.783

8.0978

47.4429

9.474

47.2342

47.2342

40 min

49.7931

12.1079

47.4559

9.487

47.2473

47.2473

45 min

45.7415

8.0563

47.4555

9.4866

47.2442

47.2442

50 min

45.7906

8.1054

47.4517

9.4828

47.2434

47.2434

(g)

36

 

 

 

55 min

45.7808

8.0956

47.4419

9.473

47.2336

47.2336

60 min

45.79

8.1048

47.4515

9.4826

47.243

47.243

65 min

45.7897

8.1045

47.4516

9.4827

47.2432

47.2432

70 min

45.789

8.1038

47.4505

9.4816

47.2418

47.2418

75 min

45.789

8.1038

47.4509

9.482

47.2423

47.2423

80 min

45.7888

8.1036

47.4507

9.4818

47.2422

47.2422

85 min

45.797

8.1118

47.4556

9.4867

47.2484

47.2484

90 min

45.7945

8.1093

47.4521

9.4832

47.2465

47.2465

Tabla 3. Matraz (masa g)

3.7 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN  2.  R eali aliza zarr un gr g r áfi áfico co de del peso peso de de la caja pe petr trii contr contra a titi empo haci hacie endo una compa com parr aci ación ón par para a los tr tr es casos.

Masa vs tiempo: Caja Petri 12 10     ) 8    g     (    a    s 6    a    M

Alcohol Agua

4

50 % Alcohol y 50 % agua

2 0 0

5

10

15

20

Tiempo (min)

Grafica 1. Masa vs tiempo (caja petri)  3.  R eali aliza zarr un gr g r áfi áfico co de del peso peso de del matr matraz az E r lenm lenme eye yerr contr contra a titi empo haci haciend endo o una compa com parr aci ación ón par para a los tr tr es casos.

37

 

 

 

Masa vs Tiempo: Matraz 14 12 10

    )    g 8     (    a    s    a 6    M

Alcohol Agua

4

50 % Alcohol y 50 % agua

2 0 0

5

10

15

20

Tiempo (min)

Grafica 2. Masa vs tiempo (matraz)  

4. R eali alice ce un gr g r áfi áfico co en en el cual se pued pueda a com compa parr ar la caja petr petrii y el el matr matraz az,, para para el el  pa  p ar de de exp xpe eri ment nta acio cione ness para el agua gua..

Masa vs tiempo: Agua 12 11     ) 10    g     (    a    s 9    a    M

Caja prety

8

Matraz

7 6 0

5

10

15

20

Tiempo (min)

Grafica 3. Masa vs tiempo (agua)

38

 

 

 

 5.  R eali alice ce un gr g r áfi áfico co en en el cual se pued pueda a com compa parr ar la caja petr petrii y el el matr matraz az,, para para el el  pa  p ar de de exp xpe eri ment nta acio cione ness para el etano noll.

Masa vs Tiempo: Etanol 14 12 10

    )    g 8     (    a    s    a 6    M

Caja prety Matraz

4 2 0 0

5

10

15

20

Tiempo (min)

Grafica 4. Masa vs tiempo (etanol)

6.  R eali alice ce un gr g r áfi áfico co en en el cual se pued pueda a com compa parr ar la caja petr petrii y el el matr matraz az,, para para el el  pa  p ar de de exp xpe eri ment nta acio cione ness para la so soluc lución ión etano nol-a l-agua gua..

Masa vs Tiempo: Solución etanolagua 10 8     )    g 6     (    a    s    a 4    M

Caja prety Matraz

2 0 0

5

10

15

20

Tiempo (min)

Grafica 5. Masa vs tiempo (solución etanol-agua)

39

 

 

 

7.  D e acuer acuerdo do con lo obser observa vado do ¿ A qué se de debe ben n estas estas dif di fer enci ncias?  as?   Se debe a que dependiendo de la naturaleza del reactivo es la velocidad con la que la evaporación se lleva a cabo y también es importante la forma del recipiente donde está contenido el líquido 8.   ¿Qué prop ropo ond ndrr í a par a tene nerr resu result lta ados más exa xact cto os? Realizar la misma practica “evaporación de un liquido”, pero ahora con ayuda de

un ventilador. 9

Proponga un desarrollo para la mejora de la práctica.  

DESARROLLO EXPERIMENTAL 1.  Verificar el material y etiquetar cada caja o matraz con la sustancia a medir con las mediciones que se muestran en el paso 3. 2.  Pesar y anotar los pesos de las 3 cajas petri y los 3 matraz. 3.  Colocar 10 ml de etanol en 1 caja petri 10 ml de agua en otra, al igual agregar 5 ml de etanol y 5 ml de agua, en la caja petri restante. Hacer lo mismo, pero ahora en los matraces. 4.  Después de realizarse el paso 3, llevar a la báscula para registrar su peso ya con la sustancia añadida. 5.  Encender el ventilador en dirección a cada caja petri con la sustancia. 6.  Hacer mediciones de las sustancias cada 5 minutos, anotar resultados y observaciones.

3.8 CONCLUSIONES En esta práctica observamos como un líquido pasa a estado gaseoso por medio de la evaporación a temperatura ambiente; nos dimos cuenta que dependiendo de la naturaleza del reactivo es la velocidad con la que la evaporación se lleva a cabo y

40

 

 

 

también es importante importante la forma del recipiente donde está contenido el líquido. El agua se evaporó menos rápido que el etanol y que la solución agua-etanol, pero el etanol se evaporizó con mayor rapidez que la solución; la vaporización se llevó a cabo más rápido en la caja petri que en el matraz bola, ya que en este último había una capa de gas estancada.

3.9 LITERTURA CONSULTADA VÍA INTERNET Evaporación natural (19 de mayo del 2016) http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/4122/Capitulo5.pdf http://www.cecatherm.com/calefaccion-radiante/radiacion-conveccion-conduccion http://www.ejournal.unam.mx/ict/vol1101/ICT001100105.pdf http://www.textoscientificos.com/fisica/transmision-calor/conveccion

3.10  APÉNDICE

ETANOL FORMULA:

C2H6O,

CH3CH2OH.

PESO

MOLECULAR:

46.07

g/mol.

COMPOSICION: C: 52.24 %; H: 13.13 % y O: 34.73 %. GENERALIDADES: El etanol es un líquido incoloro, volátil, con un olor característico y sabor picante. También se conoce como alcohol etílico. Sus vapores son mas pesados que el aire. Se obtiene, principalmente, al tratar etileno con ácido sulfúrico concentrado y posterior hidrólisis. Algunas alternativas de síntesis son: hidratación directa de etileno en  presencia de áácido cido fosfórico a temper temperaturas aturas y presiones pres iones altas y por el método mét odo FischerTropsch, el cual consiste en la hidrogenación catalítica de monóxido de carbono, también a temperaturas y presiones altas. De manera natural, se obtiene a través de fermentación, por medio de levaduras a partir de frutas, caña de azúcar, maiz, cebada, sorgo, papas y arroz entre otros, generando las variadas bebidas alcohólicas que existen en el mundo. Después de la fermentación puede llevarse a cabo una destilación para obtener un producto con una mayor cantidad de alcohol. El etanol se utiliza

41

 

 

 

industrialmente para la obtención de acetaldehido, vinagre, butadieno, cloruro de etilo y nitrocelulosa, entre otros. Es muy utilizado como disolvente en síntesis de fármacos,  plásticos, lacas, perfumes, cosméticos, etc. También se utiliza en mezclas anticongelantes, como combustible, como antiséptico en cirugía, como materia prima en síntesis y en la preservación de especímenes fisiológicos y patológicos. El llamado alcohol desnaturalizado consiste en etanol al que se le agregan sustancias como metanol, isopropanol o, incluso, piridinas y benceno. Estos compuestos desnaturalizantes son altamente tóxicos por lo que, este tipo de etanol, no debe de ingerirse.

NUMEROS DE IDENTIFICACION:  CAS: 64-17-5 STCC: 4909146 UN: 1170 RTECS: KQ 6300000  NIOSH: KQ 6300000  NFPA: Salud: 0 Reactividad: 0 Fuego: 3  NOAA : 667 HAZCHEM CODE: 2 SE MARCAJE: LIQUIDO INFLAMABLE 

AGUA

Figura 2. Etiqueta de seguridad del agua

42

 

 

 

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS QUÍMICAS PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA

 LABORATORIO DE FENÓMENOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE PRÁCTICA No. 4:

“ EVAPORACIÓN FORZDA” FORZDA” 

 INTEGRANTES DE EQUIPO:  Joselin Guadalupe Sánchez Pérez Yared Betsabe Medina Rodríguez Víctor Alfonso Tapia Canales  Fabiola Rodríguez Martínez Steven García Orozco  Juan Daniel Frías Hernández

4to semestre, Grupo B

F echa cha:

20 de abril del 2016 

Universidad Autónoma de Zacatecas, Unidad Académica de Ciencias Químicas, Programa de Ingeniería Química, Nuevo Campus UAZ Siglo XXI Edificio 6, Km. 6 s/n Carr. Zacatecas-Guadalajara, Ejido “La Escondida”, C.P. 98160, Zacatecas, Zac.  

43

 

 

 

4.1 RESUMEN Para que esta práctica se llevara a cabo se tuvo que verificar el material y etiquetar las tres cajas petri con las cantidades indicadas de las sustancias que fueron utilizados, en nuestro caso agua y etanol, como primer paso pesamos y anotamos los pesos de las tres cajas y los tres matraces. Colocamos 10 ml de etanol en 1 caja petri, 10 ml de agua en otra, al ig igual ual agregar 5 ml de etanol y 5 ml de agua, en la la caja petri restante. Y fue realizado lo mismo, pero ahora en los matraces. Después de realizarse lo anterior, pesamos y registramos el peso de cada sistema. Enseguida Encendimos el ventilador en di dirección rección a cada caja petri con la sustancia. Lo anterior fue echo para las sustancias cada 5 minutos, y anotamos los resultados y observaciones. Para Finalmente con los resultados obtenidos realizar los cálculos necesarios para la comparación de los sistemas estudiados.

4. 2 OBJETIVO GENERAL Hacer una comparación y encontrar la diferencia entre la práctica “Evaporación de un líquido” pero ahora con ayuda de un ventilador.

4.3 OBJETIVOS ESPECIFICOS Analizar

y conocer las propiedades de los líquidos por medio de la

experimentación. Aplicar en principio y conocimiento básico de la evaporación. Se comparará y analizará el disolvente; agua y etanol, que se volatilizarán para su estudio. Indagar sobre los factores que influyen en la evaporación del agua; cuándo y por qué se produce.

44

 

 

 

4.4 MARCO TEÓRICO  TEÓRICO  El objetivo principal de esta práctica es analizar y conocer las propiedades de los líquidos  por medio de la experimentación. Analizar la evaporación pero pe ro con ayuda a yuda de un ventilador. Se comparará y analizará el disolvente; agua y etanol, que se volatilizarán para su estudio. Indagar sobre los factores que influyen en la evaporación del agua; cuándo y por qué se  produce.

4.4.1 INTRODUCCIÓN La tendencia natural de átomos y moléculas a moverse desde zonas de alta concentración hacia zonas de baja concentración se denomina difusión. La difusión se define como el transporte neto debido al movimiento aleatorio; es un fenómeno de transporte de masa por movimiento atómico (en el caso de metales); de cationes y aniones (en el caso de cerámicas iónicas) y de macromoléculas (en el caso de  polímeros). Esta transferencia permite que muchas reacciones y procesos importantes en la fabricación de un componente o una estructura de ingeniería sean posibles. Otra definición de difusión es el paso de las moléculas selectivas de un medio a otro, debido a la diferencia de concentración. La barrera de este transporte son los mismos fluidos. Ejemplo: El fenómeno de difusión se  puede demostrar mediante el par difusor formado por la unión de dos metales puestos en contacto (Cu-Ni). Estos se someten a alta temperatura durante un largo periodo de tiempo y luego

se

enfría.

El análisis químico revela: Cu y Ni en los extremos separados por una región de aleación. La composición de metales varía con la distancia. La transferencia se produce hasta que se llegue al equilibrio, y este equilibrio se alcanza cuando ya no existe diferencia de concentración. (Constante de difusividad).

45

 

 

 

Los factores que mejoran la difusividad son: Densidad Cantidad El tipo de sustancia El coeficiente de difusión La viscosidad Tamaño de la molécula Enlaces La forma de la molécula La transferencia de movimiento

ORIGEN La difusión tiene su origen en los gradientes de concentración de una especie en una mezcla y su aparición provoca modificaciones a las ecuaciones de transferencia. Se la puede definir como el flujo de alguna propiedad desde concentraciones altas a concentraciones bajas, ejemplo de esto son el flujo de partículas de polen, de sal en el océano, etc. La difusión ocurre en el interior de sólidos, líquidos y gases y se lleva a cabo por las fuerzas impulsoras, en un gradiente que va de mayor a menor; la misma se ve marcada por operaciones de transferencia de calor y materia (los fenómenos de transferencia de masa no se dan si hay una barrera entre ellos) y está influida por la viscosidad, solubilidad, caudal. Aspectos importantes: La difusión es el flujo neto causado por el desplazamiento aleatorio. El flujo difusivo es proporcional, pero de signo opuesto, al gradiente de concentración. La difusión actúa diluyendo la concentración y reduciendo los gradientes de concentración.

46

 

 

 

DIFUSIÓN MOLECULAR Es el movimiento de las moléculas de los componentes de una mezcla debido a la diferencia de concentraciones existente en el sistema. Tomándose como ejemplo ilustrativo los casos de un líquido que se evapora en aire o el de vapor húmedo condensando sobre una superficie. Evidentemente en las fases gaseosas cerca de las interfaces existiría una concentración de componentes muy diferente de la que existe en el seno de la fase gaseosa y bien alejada de la pared. Si bien estos ejemplos tratan el caso del aire, que es un conjunto de gases, consideraremos en general en lo sucesivo solamente mezclas de solo dos componentes diferentes. También se limitará el estudio a los casos en que ambos compuestos no reaccionan químicamente entre sí. A través del tiempo una mezcla no homogénea variará la distribución de su concentración punto a punto en el espacio. Esta variación tiene dos causas:

a) El movimiento macroscópico del fluido, convección, que da origen a un mezclado mecánico.

b) El transporte molecular de sustancia de la mezcla de una región del fluido a la otra. La difusión tiene su origen en los gradientes de concentración de una especie en la mezcla. Su aparición provoca modificaciones a las ecuaciones de transferencia de calor e hidrodinámicas que se han estudiado en Transferencia de Calor. En efecto, los procesos de transferencia de masa, de calor e hidrodinámicos no son independientes sino que se encuentran acoplados.

47

 

 

 

Se analizara los alcances de estas relaciones y los criterios para emplear en la construcción de modelos con aplicaciones en ingeniería. Supongamos que su concentración varía con la posición a lo largo del eje X. Llamemos J a la densidad de corriente de partículas, es decir, al número efectivo de partículas que atraviesan en la unidad de tiempo un área unitaria perpendicular a la dirección en la que tiene lugar la difusión.

DIFUSIÓN GASEOSA  La teoría del transporte molecular de gases nos permite realizar estimaciones razonables del factor de separación inherente para aquellos procesos de separación que se basan en velocidades diferentes del transporte molecular en fase gaseosa. La mezcla gaseosa a separar está en el lado izquierdo de una barrera porosa, por ejemplo una pieza de metal sinterizado conteniendo espacios huecos entre las partículas metálicas. Se mantiene un gradiente de presión a través de la barrera, con la presión en el lado del alimento (izquierdo) mucho mayor que en el lado del producto (derecho). Si esta barrera tiene poros muy pequeños y si la presión del gas es suficientemente baja, la trayectoria libre media de las moléculas gaseosas será grande comparada con las dimensiones del poro. La difusión de un gas en un líquido es su dispersión gradual en el líquido.

DIFUSIÓN DE GASES EN LÍQUIDOS  El mecanismo impulsor primario de la difusión de masa es el gradiente de concentración, y la difusión de masa debida a un gradiente de concentración se conoce como difusión ordinaria. Sin embargo, la difusión también puede ser causada por otros efectos.

48

 

 

 

Los gradientes de temperatura en un medio pueden causar difusión térmica  (también llamada efecto de Soret) y los gradientes de presión pueden dar por resultado difusión por la presión.  Sin embargo, estos dos efectos suelen ser despreciables, a menos que los gradientes sean muy grandes. En las centrífugas, se usa el gradiente de presión generado por el efecto centrífugo para separar soluciones de líquidos e isótopos gaseosos. Puede usarse con éxito un campo externo de fuerzas, como un campo eléctrico o magnético, aplicado sobre una mezcla o solución, con el fin de separar de la mezcla moléculas cargadas eléctricamente o magnetizadas (como en un electrolito o un gas ionizado). Esto se conoce como difusión forzada. También, cuando los poros de un sólido poroso, como el gel de sílice, son más pequeños que el recorrido libre medio de las moléculas gaseosas, las colisiones moleculares pueden ser despreciables y puede iniciarse un flujo de moléculas libres. Esto se conoce como difusión de Knudsen. Cuando el tamaño de las moléculas gaseosas es comparable con el del poro, las moléculas adsorbidas se mueven a lo largo de las paredes de los poros. Esto se conoce como difusión superficial.  Por último, las partículas cuyo diámetro está por debajo de 0.1 μ 0.1 μm, m, como las de niebla o de hollín, actúan como moléculas grandes y la difusión de esas partículas debida al gradiente de concentración se llama movimiento browniano.  Las partículas grandes (aquellas cuyo diámetro es mayor que 1 μ 1  μm) m) no son afectadas por la difusión, ya que su movimiento lo rigen las leyes de Newton. En el tratamiento elemental de la difusión de masa que se presenta en este texto, se supone que estos efectos adicionales no existen o son despreciables, como suele ser el caso; sugerimos al lector interesado que consulte libros avanzados sobre estos temas.

49

 

 

 

REACTIVO.  4.4.2 MATERIALES Y REACTIVO.  MATERIAL

REACTIVOS

3 cajas pretty.

Etanol.

3 matraz.

Agua.

Balance granataría. Perilla de supción. 1 pipeta, 10 ml. Ventilador.

Tabla 1. Material y reactivos.

4.4.3 DESARROLLO EXPERIMENTAL 1.  Verificar el material y etiquetar cada caja o matraz con la sustancia a medir con las mediciones que se muestran en el paso 3. 2.  Pesar y anotar los pesos de las 3 cajas petri y los 3 matraz. 3.  Colocar 10 ml de etanol en 1 caja petri 10 ml de agua en otra, al igual agregar 5 ml de etanol y 5 ml de agua, en la caja petri restante. Hacer lo mismo, pero ahora en los matraces. 4.  Después de realizarse el paso 3, llevar a la báscula para registrar su peso ya con la sustancia añadida. 5.  Encender el ventilador en dirección a cada caja petri con la sustancia. 6.  Hacer mediciones de las sustancias cada 5 minutos, anotar resultados y observaciones.

50

 

 

 

4.5 ESQUEMA DE TRABAJO 1.-Verificar el material y etiquetar cada caja o matraz con la sustancia a medir con las mediciones que se muestran en el  paso 3.

4.-Después de realizarse el paso 3, llevar a la  báscula para registrar su  peso ya con la sustancia añadida.

5.-Encender el ventilador en dirección a cada caja Petri con la sustancia.

2.-Pesar y anotar los pesos de las 3 cajas Petri y los 3 matraz.

3.-Colocar 10 ml de etanol en 1 caja Petri 10 ml de agua en otra, al igual agregar 5 ml de etanol y 5 ml de agua, en la caja Petri restante.

6.-Hacer mediciones de las sustancias cada 5 minutos, anotar resultados y observaciones.

51

 

 

 

4.6 REGISTRO DE RESULTADOS  1.  Registrar todos sus resultados en tablas

Caja Petri masa en gramos Tiempo

Alcohol

50 % alcohol y 50% agua

Agua

Peso solo

46.1474

41.3269

31.7857

53.89

7.7426

49.8671

8.5402

42.227

10.4413

5 min

51.9607

5.8133

48.5586

7.2317

41.7541

9.9684

10 min

50.2462

4.0988

47.5628

6.2359

41.3895

9.6038

15 min

48.6949

2.5475

46.7002

5.3733

41.0434

9.2577

20 min 25 min

47.2499 46.4235

1.1025 0.2761

46.7616 46.6888

5.4347 5.3619

40.6717 40.3533

8.886 8.5676

30 min

46.237

0.0896

45.2634

3.9365

40.0237

8.238

Peso con reactivo

Tabla 2. Caja petri masa en gramos. Matraz masa en gramos Tiempo

Alcohol

50 % alcohol y 50%

Agua

agua

Peso solo

38.589

37.2198

37.9029

Peso con reactivo

46.5305

7.9415

46.2406

9.0208

47.8181

9.9152

5 min

46.5303

7.9413

46.2401

9.0203

47.8072

9.9043

10 min

46.5294

7.9404

46.2693

9.0495

47.7992

9.8963

15 min

46.5293

7.9403

46.2392

9.0194

47.7907

9.8878

20 min

46.5283

7.9393

46.2385

9.0187

47.7821

9.8792

25 min

46.5276

7.9386

46.2383

9.0185

47.7752

9.8723

30 min

46.5276

7.9386

46.238

9.0182

47.7723

9.8694

Tabla 3. Matraz masa en gramos

52

 

 

 

1.7 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN 2.   Realizar un gráfico del peso del matraz con la sustancia problema pro blema en los tres caos contra el tiempo en cual se realizó la medición para realizar comparación.

Masa vs tiempo 10.5 10 9.5

    )    g     ( 9    a    s    a 8.5    M

Alcohol 50 % Alcohol y 50 % agua

8

7.5

Agua

7 0

2

4 6 Tiempo (min)

8

Grafica 1. Masa Vs tiempo 3.   Realizar un gráfico del peso de la caja petri con la sustancia susta ncia problema en los tres caos contra el tiempo en cual se realizó la medición para realizar comparación

Masa vs tiempo 12 10     ) 8    g     (    a 6    s    a    M

Alcohol

4

50 % Alcohol y 50 % agua

2

Agua

0 0

2

4

6

8

Tiempo (min)

Grafica 2. Masa Vs tiempo. 

53

 

 

 

4.   Realice un gráfico en el cual se comparen el matraz y la caja Petri que contienen alcohol.   alcohol.

Masa vs tiempo: Etanol 9 8 7 6

    )    g     ( 5    a    s    a 4    M

Caja prety

3

Matraz

2 1 0 0

2

4

6

8

Tiempo (min)

Grafica 3. Masa Vs tiempo (etanol) 5.   Realice un gráfico en el cual se comparen el matraz y la caja petri p etri que contienen la  solución alcohol-agua.

Masa vs tiempo: Solución EtanolAgua 10 9     ) 8    g     (    a    s 7    a    M 6

Caja prety Matraz

5 4 0

2

4

6

8

Tiempo (min)

Grafica 4. Solución etanol-agua

54

 

 

 

p etri que contienen 6.   Realice un gráfico en el cual se comparen el matraz y la caja petri agua.   agua.

Masa vs tiempo: Agua

11 10.5     ) 10    g     (    a    s 9.5    a    M

Caja prety

9

Matraz

8.5 8 0

2

4

6

8

Tiempo (s)

Grafica 5. Masa Vs tiempo (agua)

4.8 CONCLUSIONES En esta práctica observamos como un líquido pasa a estado gaseoso por medio de la evaporación a temperatura ambiente y con la influencia de un ventilador. Al igual que la experimentación pasada, la naturaleza del reactivo y forma del recipiente contenedor determinan la rapidez con la que se lleva a cabo la evaporización. De forma análoga que a la práctica anterior, el etanol fue la sustancia que se evaporo más rápidamente, después la solución y finalmente el agua; de igual manera se llevó a cabo más rápido en la caja preti que en el matraz bola, ya que en este último había una capa de gas estancada. Por la acción del ventilador el tiempo que se tardó en evaporizar el líquido fue menor; se llegó a la conclusión de que el ventilador ayudaba a que la película estancada se retirara y que gracias a esta intervención la difusión se llevó a cabo más rápidamente.

55

 

 

 

REFENCIAS  4.9 REFENCIAS  Vía internet

Evaporación (12 de mayo 2016) 1.  https://procesosbio.wikispaces.com/Difusi%C3%B3n 2.  https://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/quimica/4_anio/ingenieria_reacione s/Transferencia_de_Materia.pdf 3.  http://ingenierosinnovandolavida.com/fenomenos-de-transporte/

4.10 APÉNDICE ETANOL FORMULA: C2H6O, CH3CH2OH. PESO MOLECULAR: 46.07 g/mol. COMPOSICION: C: 52.24 %; H: 13.13 % y O: 34.73 %. GENERALIDADES: El etanol es un líquido incoloro, volátil, con un olor característico y sabor picante. También se conoce como alcohol etílico. Sus vapores son más pesados que el aire. Se obtiene, principalmente, al tratar etileno con ácido sulfúrico concentrado y posterior hidrólisis. Algunas alternativas de síntesis son: hidratación directa de etileno en presencia de ácido fosfórico a temperaturas y presiones altas y por el método Fischer-Tropsch, el cual consiste en la hidrogenación catalítica de monóxido de carbono, también a temperaturas y  presiones altas. De manera natural, se obtiene a través de fermentación, por medio de levaduras a partir de frutas, caña de azúcar, maíz, cebada, sorgo, papas y arroz entre otros, generando las variadas bebidas alcohólicas que existen en el mundo. Después de la fermentación puede llevarse a cabo una destilación para obtener un producto con una mayor cantidad de alcohol. El etanol se utiliza industrialmente para la obtención de acetaldehído, vinagre, butadieno, cloruro de etilo y nitrocelulosa, entre otros. Es muy utilizado como disolvente en síntesis de fármacos, plásticos, lacas, perfumes, cosméticos, etc. También se utiliza en mezclas anticongelantes, como combustible, como antiséptico en cirugía, como materia prima en síntesis y en la preservación de especímenes fisiológicos y

56

 

 

 

 patológicos. El llamado alcohol desnaturalizado consiste en etanol al que se le agregan sustancias como metanol, isopropanol o, incluso, piridinas y benceno. Estos compuestos desnaturalizantes son altamente tóxicos por lo que, este tipo de etanol, no debe de ingerirse.  NUMEROS DE IDENTIFICACION: CAS: 64-17-5 STCC: 4909146 UN: 1170 RTECS: KQ 6300000  NIOSH: KQ 6300000  NFPA: Salud: 0 Reactividad: 0 Fuego: 3  NOAA: 667 HAZCHEM CODE: 2 SE MAR CAJE: LIQUIDO INFLAMABLE

AGUA

Figura 1. Etiqueta de seguridad del agua.

57

 

 

 

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS QUÍMICAS PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA

 LABORATORIO DE FENÓMENOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE PRÁCTICA No. 5:

“CALENTAMIENTO Y ENFRIAMIENTO DE UNA BARRA METALICA” METALICA”   INTEGRANTES DE EQUIPO:  Joselin Guadalupe Sánchez Pérez Yared Betsabe Medina Rodríguez Víctor Alfonso Tapia Canales  Fabiola Rodríguez Martínez Steven Garcia Orozco  Juan Daniel Frías Hernández

4to semestre, Grupo B

F echa cha:

25 de mayo del 2016  

Universidad Autónoma de Zacatecas, Unidad Académica de Ciencias Químicas, Programa de Ingeniería Química, Nuevo Campus UAZ Siglo XXI Edificio 6, Km. 6 s/n Carr. Zacatecas-Guadalajara, Ejido “La Escondida”, C.P. 98160, Zacatecas, Zac.  

58

 

 

 

5.1 RESUMEN Para realizar la práctica de una forma satisfactoria fue necesario observar el comportamiento de nuestro estudio que fue observar cómo se calentaba y enfriaba una  barra metálica.

5.2 OBJETIVO GENERAL:  Llevar a cabo el estudio experimental para el calentamiento y enfriamiento de un sólido.

5.3 OBJETIVO ESPECÍFICO Comprobar que el transporte de energía térmica se lleva a cabo por una fuerza motriz.  Deducir por medio de la experimentación las ecuaciones que rigen los fenómenos de calentamiento y enfriamiento. Mostrar el perfil de temperaturas de forma numérica.

5.4 MARCO TEORICO El objetivo principal de esta práctica es analizar y conocer las propiedades de los metales  por medio de la experimentación. Aplicar en principio y conocimiento básico de la transferencia de calor. Se analizara como afecta la temperatura a una barra de metal mediante transcurre el tiempo.

5.4.1 INTRODUCCIÓN Los tratamientos térmicos se pueden definir como aquellos procesos por medio de los cuales se pueden obtener las propiedades deseadas (y estas dependen a la vez de la microestructura y del tipo de material), en una pieza con ayuda de la temperatura y de una velocidad de enfriamiento adecuada de las piezas. Los tratamientos térmicos se pueden clasificar en: a) convencionales y b) termoquímicos, los primeros a la vez se pueden clasificar (en dependencia de la forma como se obtiene las diferentes microestructuras durante el enfriamiento), en: tratamientos con enfriamiento

59

 

 

 

continuo o con enfriamiento isotérmico. Los tratamientos termoquímicos en general son llamados tratamientos térmicos superficiales. Otro tipo de tratamiento, el cual busca la  precipitación de partículas duras en el acero es conocido como envejecimiento. Para el entendimiento de los tratamientos térmicos, es indispensable comprender una serie de conceptos como: fases, microestructuras, transformaciones de fase, termodinámica de las transformaciones, cinética, variables de control, medios de enfriamiento, poder templante, severidad de temple, templabilidad, temperatura de austenización, etc. Algunos de estos conceptos serán tratados brevemente a continuación. Se denomina diagrama o curva TTT al diagrama que relaciona el tiempo y la temperatura requeridos para una transformación que puede darse de forma isotérmica o por enfriamiento continuo. Así por ejemplo, en el caso del acero, y más específicamente en el caso de la austenita, que es una fase meta estable por debajo de la temperatura crítica, se necesita saber cuánto tiempo requerir para empezar a transformarse a una temperatura subcrítica específica, cuánto tiempo ser necesario para estar completamente trasformada y cual ser· la naturaleza del producto de esta transformación.

5.4.2 MATERIAL Y REACTIVOS MATERIAL 1 Barra de Metal

REACTIVOS Agua

1 Termómetro 1 Cubeta 1 Mechero

Tabla 1. Materiales y Reactivos

5.4.3 DESARROLLO EXPERIMENTAL 1.  Calentar un cilindro de fierro hasta los 250°C 2.  Sumergirla en una tina con agua a temperatura ambiente. 3.  Medir la temperatura de la barra cada 5 segundos y anotar las mediciones. 4.  Simultáneamente medir la temperatura del agua y anotar las mediciones.

60

 

 

 

61

 

 

 

5.4.4 ESQUEMA DE TRABAJO

Medir la temperatura de la  barra cada 5 segundos y anotar las mediciones. Sumergirla en una tina con agua a temperatura ambiente.

Simultáneamente medir la temperatura del agua y anotar las mediciones.

Calentar un cilindro de fierro hasta los 250°C

62

 

 

 

5.5 CALCULOS, RESULTADOS Y DISCUSIÓN 1. Datos obtenidos para cada material utilizado.

Distancia

Tiempo

(cm)

(s)

0

46.6

6

739

12

1723

18

2088

24

2953

Tabla 2. Datos de la Barra de Hierro 2.-Graficar la variación de temperatura vs tiempo de la barra de bronce con respecto al calentamiento y al enfriamiento.

Distancia vs Tiempo 25

20

    )    m    c 15     (    a    i    c    n    a    t 10    s    i    D

5 0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

T (s)

Grafico 1. Distancia contra tiempo de la barra

63

 

 

 

2.- Deducir un modelo matemático para estimar el perfil de distribución de temperaturas del calentamiento.

La ley de la conductividad de Wiedemann-Franz establece para los metales los  metales que el cociente entre la  la conductividad térmica (κ) y la conductividad eléctrica (σ) es proporcional a la temperatura la temperatura absoluta (T) multiplicada por la la constante  constante de proporcionalidad (L) o número de Lorenz: de Lorenz:  

Número de Lorenz en 10-8 vatios ohmio/K 2  Metal

273K

 Ag

2,31

 Au

2,35

Cd

2,42

Cu

2,23

Ir

2,49

Mo

2,61

Pb

2,47

Pt

2,51

Tabla 3. Número  Número de Lorenz en 10 -8 vatios ohmio/K 2 

64

 

 

 

Metal

Conductividad Eléctrica (S·m-1)

Plata

6,30 × 107 5,96 × 107

 

Cobre Cobre Recocido

5,80 × 107

Oro

4,55 × 107

 

 Aluminio

3,78 × 107

 

Wolframio Hierro

 

1,82 × 107 1,53 × 107

 

Suponemos  T  T=20°C=293.1 =20°C=293.15K  5K  Para el bronce k 

  LT  despejando

k, tenemos;

  

k=LT    L  el numero de Lorenz del bronce es;

2.45*10

8

W  2

 K   por lo tanto; tanto;

k=2.45*10 k=452.48

8

W  K

2

( 293.15 K )(6.3 *10

7

A Vm

)

W  mK 

 

65

 

 

 

5.6 CONCLUSIÓN Se concluye y se observa claramente que el agua en el recipiente no cambiaba continuamente de temperatura, en cambio la barra si cambiaba continuamente de temperatura hasta que esta se mantuvo constante; esto se debió a que se obtuvo un equilibrio entre los dos medios.

5.7BIBLIOGRAFIA Vía internet 1.

http://www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/clase9ttteoria.pdf

2.

http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/mecanica/5_anio/metalografia/5 _Estructuras_del_acero_v2.pdf

3. 4.

http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2014.pdf http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/otros/enfriamiento/enfriamiento.htm 

5.8 APÉNDICE AGUA

Figura 1. Etiqueta de seguridad del agua.

66

 

 

 

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS UNIDAD ACADÉMICA DE CIENCIAS QUÍMICAS PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA  LABORATORIO DE FENÓMENOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE I PRÁCTICA No. 6:

“DISOLUCIÓN DE UN SÓLIDO”  SÓLIDO”   INTEGRANTES DE EQUIPO:  Joselin Guadalupe Sánchez Pérez Yared Betsabe Medina Rodríguez Víctor Alfonso Tapia Canales  Fabiola Rodríguez Martínez Steven Garcia Orozco  Juan Daniel Frías Hernández

4to semestre, Grupo B

F echa cha:

20 de abril del 2016 

Universidad Autónoma de Zacatecas, Unidad Académica de Ciencias Químicas, Programa de Ingeniería Química, Nuevo Campus UAZ Siglo XXI Edificio 6, Km. 6 s/n Carr. Zacatecas-Guadalajara, Ejido “La Escondida”, C.P. 98160, Zacatecas, Zac.  

67

67

 

 

 

6.1 RESUMEN Para realizar la práctica de una forma satisfactoria fue necesario pesar la sal, el agua y el vidrio de reloj. Añadiendo dichas sustancias en el vidrio de reloj para posteriormente medir el voltaje, realizando mediciones de 5 minutos. Asi pudimos calcular Determinar la concentración de sal en el agua después de un cierto de tiempo de disolución. Calcular el flujo de soluto difundido en el agua.  

6.2 OBJETIVO GENERAL Estudiar el fenómeno de transferencia de masa de la disolución de sal en agua a velocidad constante.

6.3 OBJETIVO ESPECÍFICOS Aplicar los conceptos teóricos sobre velocidad de difusión. Determinar la concentración de sal en el agua después de un cierto de tiempo de disolución. Calcular el flujo de soluto difundido en el agua.

6.4 MARCO TEÓRICO El objetivo principal de esta práctica es analizar y conocer la difusión.

6.4.1  INTRODUCCIÓN La difusión (también difusión molecular) es un un  proceso físico irreversible, en el que partículas que  partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente, aumentando la entropía( la entropía(Desorden Desorden molecular) del sistema conjunto formado por las  partículas difundidas o soluto o soluto y el medio donde se difunden o disuelven.

68

 

 

 

 Normalmente los procesos de difusión están sujetos a la la   Ley de Fick.  Fick.  La La membrana  membrana  permeable puede  permeable  puede permitir el paso de partículas y disolvente siempre a favor del gradiente del  gradiente de concentración. de concentración.   La difusión, proceso que no requiere aporte energético, aporte  energético,   es frecuente como forma de intercambio celular. intercambio  celular.  

Figura 1. Proceso de difusión

Las leyes de Fick sobre la difusión son leyes cuantitativas, escritas en forma de  ecuación diferencial que describen matemáticamente al proceso de difusión de difusiónde de materia o energía en un medio en el que inicialmente no existe equilibrio químico o térmico. Reciben su nombre del médico y fisiólogo alemán Adolf alemán Adolf Fick( Fick(1829-1901), 1829-1901), que las derivó en en 1855.  1855.   Estas leyes pueden ser utilizadas para resolver el coeficiente de difusión, D difusión,  D.. Se puede utilizar la primera ley de Fick para derivar la segunda ley, la cual resulta idéntica a la ecuación la ecuación de difusión. difusión.   En situaciones en las que existen gradientes existen  gradientes de concentración de una sustancia, o de temperatura, se produce un flujo de partículas o de calor que tiende a homogeneizar la disolución y uniformar la concentración o la temperatura.

69

 

 

 

El flujo homogeneizador es una consecuencia estadística del movimiento aleatorio de las  partículas que da lugar al al segundo  segundo principio de la termodinámica, conocido termodinámica,  conocido también como movimiento térmico aleatorio de las partículas. Así los procesos físicos de difusión pueden ser vistos como procesos físicos o termodinámicos irreversibles. termodinámicos  irreversibles.  La difusión molecular desde un punto de vista microscópico y macroscópico. Inicialmente hay moléculas de soluto de soluto en el lado izquierdo de una barrera (línea color púrpura) y no hay ninguna en la derecha. Cuando se remueve la barrera, el soluto se difunde para ocupar completamente el contenedor. Superior: Una única molécula se mueve en forma aleatoria.

Centro: Con un mayor número de moléculas, se observa una clara tendencia de parte del soluto a llenar más uniformemente el contened contenedor. or. Inferior:Con un enor enorme me número de moléculas de soluto, la aleatoriedad se convierte en indetectable: el soluto parece moverse suave y sistemáticamente desde las áreas de alta concentración a las áreas de baja concentración. Este suave flujo es descrito por las leyes de Fick.

Figura 2. Ley de fick  

70

 

 

 

 

6.4.2 MATERIAL Y REACTIVOS MATERIAL

REACTIVOS

1 vidrio de reloj

NaCl

Voltímetro

Agua

Balance granataría Perilla de succión 1 pipeta

Tabla 1. Materiales y Reactivos.

6.4.3  DESARROLLO EXPERIMENTAL 1.  Verificar el material medir 70 ml de agua y pesar 5.00 g de NaCl 2.  Pesar y anotar los pesos del vidrio de reloj 3.  Colocar 70 ml de agua en el vidrio de reloj, al igual agregar 5.00 g de NaCl 4.  Después medir el voltaje ya con la sustancia añadida. 5.  Hacer mediciones de las sustancias cada 5 minutos, anotar resultados y observaciones.

71

 

 

 

6.4.4  ESQUEMA DE TRABAJO

Verificar el material 70 ml de agua y pesarmedir 5.00 g de NaCl

Pesar y anotar los pesos del vidrio de reloj

Después medir el voltaje ya con la sustancia añadida.

Colocar 70 ml de agua en el vidrio de reloj, al igual agregar 5.00 g de NaCl

Hacer mediciones de las sustancias cada 5 minutos, anotar resultados y observaciones.

72

 

 

 

1.7 ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN 1.- Calcular la conductividad    para todas las mediciones de C 1.

Tiempo /min

Conductividad /Ω 

0

16.2

5

37.9

10

52.5

15

67.0

20

79.1

25

91.0

30

102.3

35

107.7

40

123

45

134.5

50

1419

Tabla 2. Resultados de la conductividad obtenidos con un multímetro a la C1.

Calculo para obtener la conductividad  para todas las mediciones de C 1.

Ω C 1

5.0311 g 

0.07l



71.87

g  l 

 

73

 

 

 

Tiempo/ min

Conductividad /Ω

0

146.1

5

149.4

10 15

157.0 165.6

20

171.5

25

177

30

184.1

Tabla 3. Resultados de la conductividad obtenidos con un multímetro a la C 2.

1.1 Calculo para obtener la conductividad    para todas las mediciones de C 2 

C 2

9.0452 g 

0.07l



129.21

g  l 

 

Tiempo /min

Concentración1 /gl-1

0

1.57190067

5

0.67189422

10

0.48504364

15

0.38007151

20

0.32193162

25

0.27983287

30

0.24892269

74

 

 

 

35

0.23644188

40

0.20703082

45

0.1893293

50

0.17945589

Tabla 4. conductividad  para todas las mediciones de C 1

 2.- G rafica raficarr co conc nce ent ntrr ació ción n1 vs tie tiempo pa parr a la medi dici ción ón de de 8cm ( usando un multím multí metr tro). o).

C vs t

1.8 1.6 1.4 1.2    1       l

1

   g     /    C 0.8

C vs t

0.6 0.4 0.2 0 0

10

20

30

t /min

Grafico 1. C Vs t Como pasar de conductividad a concentración g/l

 R

l  

 LA

(ohm)  Ec.1

40

50

60

75

 

 

 

 L

 L

1 

(ohm 1 ) 

 R

( L)(l ) 

 A

  Ec.2

(ohm 1cm 1 )  Ec.3 



Conversión de unidades S 

1

cm



S

1

cm

 L1



ohm cm cm



mho cm   





5

6.40 x10

1   16.2ohm

ppm



mg  l 

 

0.06172ohm  



0.06172ohm 1 (8cm)

1



 



 L1



(8cm)

  



2

5

2.4502 2.45 02 x10

3



S cm

6.40 6.4 0 x10 1

S 

2.4502 x10

3



1

ohm cm 

1



 

mg  l 



1568.128

mg

1g  

l

1000mg

1.568128

 

g  l 

 

cm

2.2.- Graficar concentración2 vs tiempo para la medición de 8cm (usando un multímetro).  multímetro). 

Tiempo /min

Concentración2 /gl-1

0

0.17429699

5

0.17044706

10

0.16219612

76

 

 

 

15

0.15377289

20

0.14848275

25

0.14386888

30

0.13832043

Tabla 5. Conductividad  para todas las mediciones de C 1

C vs t 0.2 0.18 0.16 0.14    1       l    g 0.12     / 0.1    C 0.08

C vs t

0.06 0.04 0.02 0 0

10

20

30

40

t /min

Grafica 2. Graficar concentración2 vs tiempo

De eterm rmina inarr el flujo (   ) par a la di fusió fusión n de de Sal Sal de de grano grano en en A gua de de la la ecu ecua ació ción n  3.- D  siguie  sigui ent nte e: Φ=

(1 − 2 ) Δ

 

C1 = concentración 1 (en el punto cercano a la sal), g/l C2 = concentración 2 (en el punto lejano a la sal), g/l. D = Buscar el coeficiente de disolución de sal en agua.

77

 

 

 

x

= diferencia de distancias entre los puntos 1 y 2.

Buscar cómo cambiar los valores de conductividad a valores de concentración (g/l).  g    71.87   9 m 6 gm 1 1.484 1.4 84 10 1.333 1.3 33 10  x x    s   0.08ml     sl    2

 g    129.21 m  l    2.3968 x106 gm      s  0.08m  sl  2

 2  1.484 x109

4.- I nte nterr pr pre ete los re r esul sulta tado doss espe esperr ad ados. os. 

La concentración obtenida en cada resistencia nos representa el cómo se va disminuyendo la concentración en base a conductividad que representaba pero no debería hacer así ya que la concentración debe aumentar.  5.- A que que podrí an deberse lo loss posib sible less er rore roress en lo loss r esu sult lta ados obtenid nido os.

Es por la forma de calcular la concentración, a la mejor las conversiones no eran las indicadas y también por falta de información, ya que no se encontró una base de calcula en la cual podríamos partir y hacer una regla de tres.

6.5 CONCLUSIONES Esta práctica fue realizada exitosamente debido a se obtuvo buenos resultados y se logro el objetivo esperado

conocer sobre la ve velocidad locidad de difusión, determinando la

concentración de sal en el agua después de un cierto de tiempo de disolución y calculando el flujo de soluto difundido en el agua.

78

 

 

 

6.6 LITERTURA CONSULTADA Vía internet

Difusión (23 de mayo del 2016) http://pc8-termo.fis.ucm.es/PDFS/practica7.pdf http://www.gunt.de/networks/gunt/sites/s1/mmcontent/produktbilder/08311000/Datenb latt/08311000%204.pdf http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/transporte/difusion/difusion.htm http://ocw.uc3m.es/ciencia-e-oin/tecnologia-de-materiales-industriales/material-declase-1/Tema4-Difusion.pdf http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/transporte/volatil/volatil.htm

6.7 APÉNDICE

Figura 3. Etiqueta de seguridad de NaCl

79

 

 

 

AGUA

Figura 4. Etiqueta de seguridad del agua