Preparar y acondicionar elementos y máquinas de la planta química. QUIE0108

Calor específico

Como se sabe, cuando una cuchara metálica se deja en un plato de sopa caliente su temperatura sube rápidamente, lo que no ocurriría si la cuchara fuese de madera. Por tanto, no todas las sustancias aumentan su temperatura de igual manera cuando se les aporta la misma cantidad de calor.

Esto ha llevado a definir dos magnitudes, la capacidad calorífica y el calor específico.

Definición

Capacidad calorífica Es la cantidad de energía que hay que aportar a una sustancia para aumentar su temperatura en una unidad, es decir, en un grado.

La capacidad calorífica indica la mayor o menor dificultad que tiene toda la masa de una sustancia para experimentar cambios de temperatura cuando se le suministra calor. Depende no solo de la sustancia a la que se aporta calor sino también de la cantidad de masa de la sustancia, es decir, es característico de un cuerpo concreto.

Ejemplo

La capacidad calorífica de un tanque de almacenamiento de agua es mayor que la de una botella de agua, ya que al primero hay que aportarle mucha más energía para aumentar su temperatura un grado.

Su unidad de medida en el S.I. es el julio por grado Celsius (J · ºC-1), aunque también se utiliza calorías por grado Celsius (Cal · ºC-1). En el S.A. su unidad de medida es el BTU por gado Fahrenheit (BTU · ºF-1).

El calor específico es una propiedad que tienen las sustancias, independientemente de su tamaño, que indica la mayor o menor dificultad para experimentar cambios de temperatura cuando se le suministra calor. Depende solo de la sustancia a la que se aporta calor y, por ello, es característica de una sustancia concreta.

Definición

Calor específico Es la energía necesaria que hay que aportar a una unidad de masa de una sustancia para aumentar su temperatura en una unidad, es decir, en un grado.

Cuanto mayor sea el calor específico de una sustancia, más calor se necesita para aumentar la temperatura.

Con anterioridad se llegó a relacionar el calor (Q) de una sustancia con su temperatura (t), su masa (M) y su calor específico (c) por medio de la ecuación:

Q = c · M · t

Por tanto, si se quiere calcular el calor absorbido o emitido por una sustancia, se deberá utilizar la ecuación anterior teniendo en cuenta la temperatura final (tf) e inicial (ti) de la sustancia, mediante:

Q = c · M · (tf - ti )

Si el calor se absorbe, la temperatura final es mayor que la inicial, por lo que el valor del calor es positivo, y si se emite, será negativo.

Nota

Como ya se sabe, la unidad de medida del calor específico en el S.I. es el julio por kilogramo y por grado Celsius (Kcal · gr · K-1), pero como en la práctica esta unidad es relativamente pequeña se utiliza kilocalorías por gramo y por grado kelvin (Kcal · gr-1 · ºK-1). Su unidad de medida en el S.A. es el BTU por libra y por grados Fahrenheit (BTU · lb-1 · ºF-1).

Para medir el calor específico y las cantidades de calor que absorben y liberan los cuerpos se utiliza el calorímetro.

Mecanismos de transferencia de calor (conducción, convección, radiación)

La transmisión de calor siempre se produce desde el cuerpo más caliente al más frío hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. Este proceso se puede llevar a cabo mediante tres mecanismos diferentes, aunque con frecuencia aparecen simultáneamente:

1 1. Conducción.

2 2. Convección.

3 3. Radiación.

Conducción

El calor se transmite por conducción cuando se produce en un sólido la transferencia de energía desde las partículas más energéticas como resultado de interacciones entre estas partículas y sin que se produzca transferencia de masa.

Nota

Las sustancias tienen distinta conductividad térmica, es decir, capacidad para conducir calor, existiendo materiales conductores térmicos y aislantes térmicos.

Los conductores térmicos son aquellas sustancias que transmiten rápidamente la energía térmica de un punto a otro, como, por ejemplo, los metales.

Los aislantes térmicos son aquellas sustancias que transmiten lentamente la energía térmica de un punto a otro, como, por ejemplo, el vidrio, la madera o el corcho.

Estas interacciones en los sólidos se producen porque los átomos y moléculas de la zona que se calienta empiezan a vibrar más rápido y chocan con las partículas vecinas transmitiendo esa energía térmica. En los líquidos y gases es debido a las colisiones de las moléculas de mayor energía con las de menor energía mientras están en movimiento continuo.

Ejemplo

Cuando se calienta un extremo de una varilla metálica, el calor llega al otro extremo sin que haya movimiento alguno de la masa que constituye la varilla.

La velocidad de transferencia de calor o rapidez con que el calor se transmite a través de un medio en conducción depende del material del que esté hecho, de su espesor, de su configuración geométrica y de la diferencia de temperaturas a través de él.

Ejemplo

Si en una planta hay un depósito de agua caliente, si este está recubierto de fibra de vidrio que es un buen material aislante, tardará más tiempo en disiparse el calor acumulado que si no tiene ningún aislante. Cuanto más grueso sea el material aislante, menos rápida será la pérdida de calor. Además, cuanto más grande sea o mayor área superficial tenga por su configuración geométrica (para un mismo volumen un depósito con forma de cilindro tiene más superficie que uno esférico), más rápida será la pérdida de calor. Y por último, cuanto menor sea la temperatura en el lugar donde se encuentre el depósito, antes se producirá la pérdida de calor.

Convección

El calor se transmite por convección cuando este se transfiere de un punto a otro de un fluido, líquido o gas por el movimiento macroscópico de la masa del propio fluido, es decir, se transfiere calor mediante el transporte de materia.

Si el movimiento del fluido es forzado mediante medios externos como un agitador, un ventilador o una bomba, la convección se denomina convección forzada, y si el movimiento del fluido es causado por la diferencia de densidades creadas por la diferencia de temperatura existente en la masa del fluido se le denomina convección natural. Claramente, la convección forzada favorece mejor la transferencia de calor que la convección natural.

Ejemplo

Convección natural: si se calienta agua en un recipiente, el agua que está en el fondo se calentará antes, disminuyendo su densidad (la densidad disminuye con el aumento de la temperatura) y ascendiendo, y el agua de la superficie que se encuentra más fría y tiene mayor densidad, desciende, dando lugar a un proceso cíclico. Convección forzada: si se agrega al recipiente un agitador eléctrico que aumente el movimiento del agua favorecerá más la transferencia de calor, y se llevará a cabo antes.

Radiación

La radiación térmica es la energía emitida en forma de ondas electromagnéticas por la superficie de un cuerpo que ha sido excitado térmicamente.

Esta radiación térmica se emite en todas las direcciones, se propaga con la velocidad de la luz y si choca contra otro cuerpo, puede ser reflejada, transmitida o absorbida por este. No exige medio de transporte propagándose incluso a través del vacío.

Ejemplo

El sol transmite su calor por radiación, ya que las ondas electromagnéticas se propagan en el aire e incluso en el vacío.

Todos los cuerpos radian energía en función de su temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía de la radiación que emiten.

Aplicaciones de la transferencia de calor en la planta química

En las plantas químicas el calor se transfiere por medio de una variedad de equipos diseñados con el propósito de analizar la transferencia de calor. Entre estos se encuentran los intercambiadores de calor, las calderas, los condensadores, los hornos, los calentadores de resistencia eléctrica o los secadores de calor radiante. En este apartado se va a estudiar el intercambiador de calor que es el equipo que presenta mayor interés en relación con la transferencia de calor por su uso habitual en cualquier planta química.

Intercambiadores de calor

La transferencia de calor entre dos fluido casi siempre se produce en los intercambiadores de calor. Son equipos que facilitan el intercambio de este entre dos fluidos que están a diferente temperatura y al mismo tiempo evitan que se mezclen entre sí. La transferencia de calor se produce por convección en el fluido y por conducción a través de la pared que los separa. Fundamentalmente existen tres tipos de intercambiadores de calor:

1 Intercambiador de calor de doble tubo: es el más simple y se trata de dos tubos concéntricos por donde un fluido se desplaza por la tubería interior y el otro por el espacio anular entra ambas tuberías. Se pueden fabricar con un solo par de tubos o con varios pares de tubos en serie. Se utiliza para velocidades de flujo de fluido bajas.

1 Intercambiadores de tubo y coraza: se utilizan cuando existen flujos de fluido mayores, y es el tipo de intercambiador más importante en la industria química. Se trata de un conjunto de tubos paralelos distribuidos en el interior de una coraza. En el interior de estos tubos corre uno de los fluidos, y el otro circula por el interior de la coraza y por el exterior de los tubos.

1 Intercambiador de flujo transversal: sirve para calentar o enfriar un gas como, por ejemplo, el aire. Uno de los fluidos, que es un líquido o un gas circula por el interior de los tubos y el gas exterior (a calentar o a enfriar) fluye por convección forzada o natural a través del conjunto de tubos.

Aplicación práctica

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

SOLUCIÓN

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

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

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

Q = c · M · (tf - ti ) = 1 5.000 · (348,15 – 298,15) = 250.000 cal = 250 Kcal

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

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

Por tanto X que será el calor en BTU será:

Q = 250.000 · 1 / 252 = 992 BTU

Aplicación práctica

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

SOLUCIÓN

Intercambiador de calor:

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

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

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

3. Fluidos. Mecánica de fluidos

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

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

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

Definición

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

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

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

Ejemplo

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

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

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

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

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

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

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

Masa, peso específico y densidad. Viscosidad. Tensión superficial

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

Masa, peso, densidad y peso específico

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

Definición

Masa Es la medida de la cantidad de un fluido.

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

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

F = m · a

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

P = m · g

Donde:

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

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

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

Definición

Densidad Es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia.

Peso específico Es la cantidad de peso por unidad de volumen de una sustancia.

Si se denota la densidad con la letra griega ρ, se tiene:

ρ = m / V

Donde:

V es el volumen de la sustancia que tiene la masa m.

La unidad de la densidad en el S.I. es el kilogramo por metro cúbico (Kg · m-3), y en el S.A. es la libra por pie al cubo (lb · pie-3).

Si se denota el peso específico con la letra griega γ, entonces:

γ = P / V

Donde:

V es el volumen de una sustancia que tiene peso P.

La unidad del peso específico en el S.I. es el newton por metro cúbico (N · m-3), y en el S.A. es la libra fuerza por pie al cubo (lbf · pie-3).

La relación entre el peso específico y la densidad de una sustancia se lleva a cabo mediante la siguiente ecuación:

γ = r · g

Donde: g es la aceleración de la gravedad.

Esta ecuación se justifica teniendo en cuenta las definiciones de la densidad y el peso específico, junto con la ecuación que relaciona la masa y el peso.

Las propiedades de los fluidos varían con la temperatura. En general, la densidad y el peso específico disminuyen con el aumento de la temperatura.

Viscosidad

Cuando un fluido se mueve con respecto a un sólido o con respecto a otro fluido se produce una fricción o rozamiento en la dirección opuesta al movimiento del fluido, parecida a la que se produce sobre el suelo cuando se pretende mover una mesa de un lugar a otro. Por ello es necesario aplicar una fuerza suficiente en el sentido del flujo para poder vencer esta fricción.

Definición

Viscosidad Es la propiedad que representa la resistencia interna de un fluido al movimiento o al fluir.

Ejemplo

Si se mueve un líquido encerrado entre dos placas paralelas muy largas y muy anchas, y se hace desplazar, por ejemplo, la placa superior paralelamente a la inferior por la aplicación de una fuerza (F) a una velocidad constante (v), el líquido en contacto con la placa superior se pega a la superficie de esta y se mueve con ella a la misma velocidad. Sin embargo, el líquido en contacto con la placa inferior toma la velocidad de esa placa que como no se desplaza, es cero. De esta manera se produce un perfil de velocidades desde la placa superior donde estaría la velocidad máxima (v) hasta la placa inferior con velocidad cero, es decir, la velocidad del líquido varía entre 0 y v de forma lineal

Esto se debe a la fuerza de fricción interna que se desarrolla en las diferentes capas del fluido a medida que se obligan a moverse una con relación a las otras. Esta medida de resistencia a la deformación del fluido o de rozamiento entre las capas del fluido por la fuerza que se aplica para moverlo es la viscosidad. Por tanto, la viscosidad sólo se produce con fluidos en movimiento y no con fluidos en reposo.