Fenómenos de transporte

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La expresión fenómenos de transporte refiere al estudio sistemático y unificado de la transferencia de cantidad de movimiento, energía y materia. El transporte de estas cantidades guardan fuertes analogías, tanto físicas como matemáticas, de tal forma que el análisis matemático empleado es prácticamente el mismo.

Los fenómenos de transporte pueden dividirse en dos tipos: transporte molecular y transporte convectivo. Estos, a su vez, pueden estudiarse en tres niveles distintos: nivel macroscópico, nivel microscópico y nivel molecular.

El estudio y la aplicación de los fenómenos de transporte es esencial para la ingeniería contemporánea, principalmente en la ingeniería química.

Transporte molecular[editar]

El transporte molecular es comúnmente estudiado a través del concepto de densidad de flujo. La densidad de flujo, , es la cantidad de la propiedad extensiva, , que se mueve a través de una unidad de área por unidad de tiempo:

Donde:

es una constante de proporcionalidad que recibe el nombre genérico de difusividad.
es la dirección de transporte.
se le conoce genéricamente como fuerza impulsora.

Se pueden observar tres casos especiales de transporte molecular correspondientes al transporte de momento, energía y materia.

Ley de Newton de la viscosidad[editar]

En un fluido newtoniano la viscosidad se da por un transporte de momento lineal entre capas de fluido, regulado por la ecuación:

Ley de Fourier[editar]

La rapidez del flujo de calor por unidad de área es directamente proporcional al gradiente negativo de la temperatura:

donde:

es el flujo térmico, siendo y la coordenada a lo largo del flujo térmico.
es una constante propia del material, relacionado con la conductividad térmica y la capacidad calorífica del material.
es la temperatura

Esta ecuación es la forma unidimensional de la "Ley de la conducción de calor". Sin embargo, si se utiliza la cantidad conocida como la difusividad térmica , entonces el término es despejado de la siguiente relación:

Por lo que al sustituir en la ecuación de Fourier obtenemos:

Donde:

es la difusividad térmica.
es la densidad.
es la capacidad calorífica a presión constante.

Primera ley de Fick[editar]

La rapidez del flujo de la especie A por unidad de área es directamente proporcional al gradiente negativo de la concentración de A:

Comparación de los fenómenos de difusión[editar]

Hay notables similitudes en la ecuación de momento, energía y transferencia de masa.[1] los cuales pueden ser transportados por difusión, como se ejemplifica a continuación:

  • Masa: disipación de olores en el aire es un ejemplo de difusión de masa.
  • Energía: conducción de calor en un material sólido, es un ejemplo de difusión de calor
  • Momento: la experiencia de la lluvia, cuando cae en la atmósfera, es un ejemplo de difusión(la gota de lluvia pierde "momento" al estar rodeada de aire y caer, por lo que se desacelera).

Las ecuaciones de transferencia o transporte neto de cantidad de movimiento (Leyes de Newton), transferencia de calor (Leyes de Fourier) y transferencia de masa (Leyes de Fick), son muy similares. Es posible convertir desde un coeficiente de transferencia a otro y comparar los distintos fenómenos de transporte[2]

Transporte Fenómeno Físico Ecuación Fórmula
Momento Viscosidad Leyes de Newton
Energía Calor Leyes de Fourier
Masa Difusión Leyes de Fick

Referencias[editar]

  1. Welty, James R.; Wicks, Charles E.; Wilson, Robert Elliott (1976). Fundamentals of momentum, heat, and mass transfer (2 edición). Wiley. 
  2. "Thomas, William J. "Introduction to Transport Phenomena." Prentice Hall: Upper Saddle River, NJ, 2000.

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