Presión de Vapor

Presin de vapor

Presin de vapor

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Grfico de la presin del vapor de agua.

La presin de vapor o ms comnmente presin de saturacin es la presin, para una temperatura dada, en la que la fase lquida y el vapor se encuentran en equilibrio dinmico; su valor es independiente de las cantidades de lquido y vapor presentes mientras existan ambas. Este fenmeno tambin lo presentan los slidos; cuando un slido pasa al estado gaseoso sin pasar por el estado liquido (proceso denominado sublimacin o el proceso inverso llamado deposicitacin o sublimacin inversa) tambin se produce una presin de vapor. En la situacin de equilibrio, las fases reciben la denominacin de lquido saturado y vapor saturado. Esta propiedad posee una relacin inversamente proporcional con las fuerzas de atraccin intermoleculares, debido a que cuanto mayor sea el mdulo de las mismas, mayor deber ser la cantidad de energa entregada (ya sea en forma de calor u otra manifestacin) para vencerlas y producir el cambio de estado.

Imaginemos una ampolla de cristal en la que se ha realizado el vaco y que se mantiene a una temperatura constante; si introducimos una cierta cantidad de lquido en su interior ste se evaporar rpidamente al principio hasta que se alcance el equilibrio entre ambas fases.

Inicialmente slo se produce la evaporacin ya que no hay vapor; sin embargo a medida que la cantidad de vapor aumenta y por tanto la presin en el interior de la ampolla, se va incrementando tambin la velocidad de condensacin, hasta que transcurrido un cierto tiempo ambas velocidades se igualan. Llegados a este punto se habr alcanzado la presin mxima posible en la ampolla (presin de vapor o de saturacin) que no podr superarse salvo que se incremente la temperatura.

El equilibrio dinmico se alcanzar ms rpidamente cuanto mayor sea la superficie de contacto entre el lquido y el vapor, pues as se favorece la evaporacin del lquido; del mismo modo que un charco de agua extenso pero de poca profundidad se seca ms rpido que uno ms pequeo pero de mayor profundidad que contenga igual cantidad de agua. Sin embargo, el equilibrio se alcanza en ambos casos para igual presin.

El factor ms importante que determina el valor de la presin de saturacin es la propia naturaleza del lquido, encontrndose que en general entre lquidos de naturaleza similar, la presin de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del lquido.

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PRESION DE VAPORQu es?La presin de vapor es la presin de un sistema cuando el slido o liquido se hallan en equilibrio con su vapor.Los vapores y los gases, tienden a ocupar el mayor volumen posible y ejercen as sobre las paredes de los recintos que los contienen, una presin tambin llamada, fuerza elstica o tensin. Para determinar un valor sobre esta presin se divide la fuerza total por la superficie en contacto.Con que propiedad se relaciona?La regla de fases establece que la presin del vapor de un lquido puro es funcin nica de la temperatura de saturacin. Vemos pues que la presin de vapor en la mayora de los casos se puede expresar como Pvp = f (t)La cual podra estar relacionada con cualquier otra propiedad intensiva de un lquido saturado ( o vapor), pero es mucho mejor relacionarla directamente con la temperatura de saturacin.Cmo se relaciona?La presin de vapor de un liquido se relaciona con la temperatura por medio de la ecuacin de Claussius Clapeyron, sin embargo existen muchas ecuaciones que estudian esta propiedad de los fluidos, pero de todas maneras estas ecuaciones pueden referirse a la ecuacin de Clapeyron:Ln P2/P1 = ((H/R) vaporizacin (1/T1-1/T2)Esta ecuacin mediante pasos matemticos, puede convertirse en:Ln Pvp = A+B/TLa grfica del logaritmo de la presin del vapor y el reciproco de la temperatura absoluta es una recta. La ecuacin anterior no es una mala aproximacin pero en general esta curva realmente tiene unas curvaturas pequeas que muestran as que esta aproximacin tampoco es la mejor. Estas curvas las observamos exagerando un poco el dibujo, de la siguiente manera:

debemos tener en cuenta que esta ecuacin no es aplicable a temperaturas inferiores al punto de ebullicin normal.Cmo se estima la presin del vapor?

En intervalos de baja presin: 10 a 1500 mmHg se estima por varios mtodos unos de los cuales son:

El mtodo de estimacin de Frost-Kalkwarf-Thodors, es el mejor para compuestos orgnicos, el cual se hace por medio de Clculos de tipo iterativo, y arroja un mximo porcentaje de error medio de 5.1%El mtodo de Riedel-Plank-Miller es el mejor para compuestos inorgnicos y adems es fcil de usar, este arroja un mximo porcentaje de error medio de 5.2%

En intervalos de alta presin: 1500 mmHg hasta la presin critica tambin existen varios mtodos de los cuales mencionare algunos:

El mtodo de estimacin reducida de Kirchhoff, el cual no es muy exacto pero es muy fcil de usar, este arroja un mximo porcentaje de error medio de 3.2%El mtodo de estimacin de Frost-Kalkwarf-Thodors, para intervalos de alta presin tambin requiere de clculos iterativos, sin embargo es muy bueno y arroja un mximo porcentaje de error medio de 1.5%Estos mtodos anteriores son mtodos trabajados con ecuaciones reducidas para los cuales era necesario conocer tc, pc, tb.. pero existen muchsimos mtodo diferentes tanto con ecuaciones reducidas como con ecuaciones semirreducidas y sin reducir.Cul es algn tipo de uso de la presin de vapor?Para mirar un ejemplo de presin de vapor aplicada a tuberas es bueno analizar un poco las plantas productoras de petroqumicos y refineras, ya que estas requieren de muchos servicios como: vapor de agua (enfriamiento, servicio, proceso), aire de instrumentos, energa elctrica; para ello estas plantas necesitan grandes sistemas de transformacin de energa, y redes de distribucin de varios kilmetros, en las cuales se incurre en perdidas de energa. Para lo que es necesario usar expresiones matemticas para calcular dichas perdidas y llevar a cabo estudios sobre la recuperacin de la inversin y la rentabilidad de acciones de ahorro de energa.Se debe realizar un pequeo anlisis de los sistemas de generacin y distribucin de vapor, principalmente de aquellos que por ser de gran tamao son muy dinmicos cambiando sus condiciones de operacin; flujo, temperatura y presin varias veces al da. Los cambios pueden ser ocasionados por modificacin en las condiciones de operacin de las plantas de proceso de mantenimiento predictivo o correctivo de los equipos generadores y consumidores de vapor y energa elctrica, o por cambio de las condiciones atmosfricas. Estos cambios nos proporcionan reas de oportunidad de ahorro si se mantiene un anlisis constante del sistema de generacin y distribucin de vapor.En la generacin del vapor vemos como las plantas que lo generan, estn formadas por dos o tres niveles de presin, los cuales son distribuidos segn su uso o segn la magnitud de la presin del vapor, de esta forma: para los bloques de generacin elctrica, turbinas para accionar bombas y compresores de plantas de procesos se usa el vapor de mayor presin; para turbogeneradores elctricos y grandes turbocompresores, se usa por lo general extracciones de vapor media; las turbinas de menor capacidad normalmente descargan a la red de baja presin.El control de la presin y la temperatura en las redes de distribucin de vapor es sumamente importante, ya que excesos de estas presiones pueden causar un desgaste mas acelerado de la tubera y aparte de esto se pueden generar muchas perdidas de energa, lo cual no es conveniente para un proceso en el cual se esta tratando de aprovechar la energa al mximo.Para controlar estos excesos o simplemente variantes de las presiones y temperaturas adecuadas se tienen controles de los generadores de vapor los cuales mantienen estos factores en los valores ajustados, esta regulacin tambin se lleva a cabo durante todo el proceso ya que en las redes de media y baja presin, tambin se cuenta con reguladores de presin y temperatura en turbinas y otros aparatos que intervienen en el este.Ya con estos reguladores en el procesos, se puede decir que cuando las condiciones de presin y temperatura del vapor que llegan a los equipos varan. La demanda de vapor se ajustar dependiendo de la entalpa y otras caractersticas del vapor y del salto entalpico disponible, en el caso de las turbinas.Para mantener el control en los sistemas de distribucin de vapor, es necesario llevar una buena administracin y una constante revisin de toda la red, a su ves mediante los dato recolectado durante las revisiones peridicas es necesario estar calculando las perdidas de energa ya que estas afecten directamente la eficiencia del proceso, por ultimo es necesario determinar los puntos de ajuste adecuados para la red.Tambin es necesario analizar la posibilidad de operar la red a la menor presin posible para lo cual seria necesario consultar a los fabricantes de las turbinas y determinar si la tubera podra transportar los volmenes necesarios.Presin de vapor

Un lquido no tiene que ser calentado a su punto de ebullicin antes de que pueda convertirse en un gas. El agua, por ejemplo, se evapora de un envase abierto en la temperatura ambiente (20 ), aunque su punto de ebullicin es 100 . Podemos explicar esto con el diagrama de la figura

. La temperatura de un sistema depende de la energa cintica media de sus partculas. Es necesario hablar en trminos del promedio ya que hay una gama enorme de energas cinticas para estas partculas.

Figure: Energa cintica y presin de vapor

A temperaturas muy por debajo del punto ebullicin, algunas de las partculas se mueven tan rpidamente que pueden escaparse del lquido. Cuando sucede esto, la energa cintica media del lquido disminuye. Consecuentemente, el lquido debe estar ms fro. Por lo tanto absorbe energa de sus alrededores hasta que vuelve al equilibrio trmico. Pero tan pronto como suceda esto, algunas de las molculas de agua logran tener nuevamente bastante energa para escaparse del lquido. As, en un envase abierto, este proceso contina hasta que toda la agua se evapora.

En un envase cerrado algunas de las molculas se escapan de la superficie del lquido para formar un gas como se muestra en la figura

. La tasa a la cual el lquido se evapora para formar un gas llega a ser eventualmente igual a la tasa a la cual el gas se condensa para formar lquido. En este punto, el sistema se dice est en equilibrio. El espacio sobre el lquido se satura con el vapor de agua, y no se evapora ms agua

Figure: La presin del vapor de un lquido es literalmente la presin del gas (o del vapor) que recoge sobre el lquido en un envase cerrado a una temperatura dada.

La presin del vapor de agua en un envase cerrado en el equilibrio se llama la presin del vapor. La teora molecular cintica sugiere que la presin del vapor de un lquido depende de su temperatura. Como se puede ver en la figura

la energa cintica contra el nmero de molculas, la fraccin de las molculas que tienen bastante energa para escaparse del lquido aumenta con la temperatura del lquido. Consecuentemente, la presin del vapor de un lquido tambin aumenta con la temperatura.

La figura

muestra que la relacin entre la presin de vapor y la temperatura no es lineal. La presin del vapor del agua se incrementa ms rpidamente que la temperatura del sistema.

Figure: Vapor de presin para el Agua

Evaporacin de los liquidos:Evaporacin (hidrologa)



El agua se condensa en gotitas visibles despus de evaporarse de una taza de t caliente.

En hidrologa, la evaporacin es una de las variables hidrolgicas importantes al momento de establecer el balance hdrico de una determinada cuenca hidrogrfica o parte de esta. En este caso, se debe distinguir entre la evaporacin desde superficies libres y la evaporacin desde el suelo.

La evaporacin es un proceso fsico que consiste en el pasaje lento y gradual de un estado lquido hacia un estado ms o menos gaseoso, en funcin de un aumento natural o artificial de la temperatura, lo que produce influencia en el movimiento de las molculas, agitndolas. Con la intensificacin del desplazamiento, las partculas escapan hacia la atmsfera transformndose, consecuentemente, en vapor.

La evaporacin es un fenmeno en el cual tomos o molculas en el estado lquido (o slido, se la substancia sublima) ganan energa suficiente para pasar al estado de vapor.

El movimiento trmico de una molcula de lquido debe ser suficiente para vencer la tensin superficial y evaporar, esto es, su energa cintica debe exceder el trabajo de cohesin aplicado por la tensin superficial a la superficie del lquido. Por eso, la evaporacin acontece ms rpidamente a altas temperaturas, a altos caudales entre las fases lquida y vapor y en lquidos con bajas tensiones superficiales (esto es, con presin de vapor ms elevadas).

Con solamente una proporcin pequea de molculas localizada cerca de la superficie y movindose en la direccin correcta para escapar del lquido en un cierto instante, la tasa de evaporacin es limitada. Adems, como las molculas de mayor energa escapan y las que quedan tienen menor energa cintica mdia, la temperatura del lquido se reduce. Este fenmeno tambin es llamado de enfriamiento evaporativo. Un ejemplo para dicho fenmeno es la transpiracin (sudor).

Contenido

[ocultar] 1 Equilibrio evaporativo

2 Evaporacin desde superficies lquidas

2.1 Frmulas empricas para determinar la evaporacin desde un lago o una laguna

3 Evaporacin desde el suelo

4 Vase tambin

Equilibrio evaporativo [editar]

Presin del vapor de agua frente a la temperatura. (760 Torr = 1 atm.

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

La razn entre la prdida de calor de una superficie de agua por evaporacin y la prdida de calor debido a la conveccin, independiente de la velocidad del viento es dada por:

donde Qc,pa es la prdida de calor de una superficie de agua por conveccin en W/(m2K), Qe es la perdida de calor de una superficie de agua por evaporacin en W/(m2K), Tp y Ta son las temperaturas del agua y del aire en Kelvin (o Celsius) y Pwp y Pa son las presiones del vapor de la superficie del agua y del aire y p es la presin baromtrica, con todas presiones en mmHg (Bowen, 1926).

La ecuacin de Bowen fue modificada por Sartori (1987) que introdujo un parmetro que permite el clculo de los trs casos de flujo de masa que pueden ocurrir cuando una superficie libre de agua es expuesta al aire, cuyas situaciones no pueden ser calculadas solamente con la ecuacin de Bowen. As, la ecuacin de Bowen-Sartori queda:

donde rh es la humedad relativa.

Referncias:

Sartori, E. "A mathematical model for predicting heat and mass transfer from a free water surface". Proc. ISES Solar World Congress, Germany (1987).

Sartori, E. Solar still versus solar evaporator: a comparative study between their thermal behaviors. Solar Energy, 56/2 (1996).

Sartori, E. "A critical review on equations employed for the calculation of the evaporation rate from a free water surface". Solar Energy, 68/1 (2000).

Sartori, E. "Letter to the Editor", Solar Energy Journal, 73/6, 2003.

Evaporacin desde superficies lquidas [editar]La determinacin de la evaporacin desde superficies libres, como lagos o lagunas, sean estas naturales o artificiales, se efecta por medio de evapormetros que constan, esencialmente, de un tanque, cuyas medidas varan segn el tipo, y de un instrumento que permite medir el nivel del agua con precisin, por ejemplo un nonio. Los ms conocidos son: GGI-3000; U.S. Weather Bureau Class "A" Pan; Bureau of Plant Industri (BPI); Colorado Sunken Pan; 20 m Tank; M.O. Tank (Symons Tank). Siendo que las condiciones de contorno creadas tienen una influencia significativa, los resultados varan segn qu evapormetro se ha utilizado para la determinacin.

Si se tiene en cuenta que los valores de evaporacin medidos en el sitio de inters, para tener validez desde el punto de vista estadstico deben tener una duracin de por lo menos 15 aos, se comprende la dificultad. Esto ha impulsado a numerosos investigadores a analizar frmulas empricas, que permitan rpidamente llegar a un resultado lo ms aproximado posible.

Frmulas empricas para determinar la evaporacin desde un lago o una laguna [editar]Una de las expresiones ms simples ha sido propuesta por Visentini, y se aplica para clculos aproximados en superficies liquidas sitadas en cotas bajas, donse se puede considerar que la presin atmosfrica es de aproximadamente 760 mm de columna de mercurio. Las frmulas empricas propuestas por Visentini son:

(para lagos o embalses con cota inferior a 200 msnm)

(para lagos o embalses con cota entre 200 y 500 msnm)

(para lagos o embalses con cota superior a 500 msnm)

Donde:

E = Evaporacin anual en mm

t = Temperatura media anual en grados celcius

Ntese que para una temperatura media de 10 grados Celsius, la evaporacin ser entre 750 mm y 1200 mm por ao, es decir de aproximadamente 2 a 3 mm por da.

Considerando que en la evaporacin juegan roles importantes, entre otros, la temperatura del agua, la temperatura del aire, el viento, la insolacin, etc., otros investigadores han propuesto frmulas empricas ms complejas y que, por lo tanto, son ms difciles de usar.

Evaporacin

La evaporacin es el proceso por el cual las molculas en estado lquido (por ejemplo, el agua) se hacen gaseosas espontneamente (ej.: vapor de agua). Es lo opuesto a la condensacin. Generalmente, la evaporacin puede verse por la desaparicin gradual del lquido cuando se expone a un volumen significativo de gas.

Por trmino medio, las molculas no tienen bastante energa para escaparse del lquido, porque de lo contrario el lquido se convertira en vapor rpidamente. Cuando las molculas chocan, se transfieren la energa de una a otra en grados variantes segn el modo en que chocan.

Los lquidos que no parecen evaporarse visiblemente a una temperatura dada en un gas determinado (p.ej., el aceite de cocina a temperatura ambiente) poseen molculas que no tienden a transferirse la energa de una a otra como para darle "la velocidad de escape" (la energa calrica) necesaria para convertirse en vapor. Sin embargo, estos lquidos se evaporan, pero el proceso es mucho ms lento y considerablemente menos visible.

La evaporacin es una parte esencial del ciclo del agua. La energa solar provoca la evaporacin del agua de los ocanos, lagos, humedad del suelo y otras fuentes de agua. En hidrologa, la evaporacin y la transpiracin (que implica la evaporacin dentro del estoma de la planta) reciben el nombre conjunto de evapotranspiracin.

Teora cintica

Para que las molculas de un lquido se evaporen, deben estar localizadas cerca de la superficie, moverse en la direccin apropiada y tener la energa cintica suficiente como para vencer las fuerzas intermoleculares de la fase lquida. Slo una pequea proporcin de las molculas cumplen con estos criterios, por lo que la tasa de evaporacin es limitada. Ya que la energa cintica de una molcula es proporcional a su temperatura, la evaporacin se produce ms rpido conforme la temperatura es ms alta. Como las molculas que se mueven ms rpido escapan, las molculas restantes tienen una energa cintica media inferior, y por tanto la temperatura del lquido disminuye. Este fenmeno se conoce como refrigeracin evaporativa, y es la razn por la cual la evaporacin del sudor refresca el cuerpo humano. La evaporacin tambin tiende a producirse ms rpidamente con tasas de flujo ms altas entre la fase gaseosa y lquida, y en lquidos con presin de vapor ms alta. Por ejemplo, la ropa tendida en un cordel secar (por evaporacin) ms rpidamente durante un da ventoso que en un da sin viento. Tres puntos claves de la evaporacin son el calor, la humedad y el movimiento del aire.

Equilibrio evaporativo

Si la evaporacin ocurre en un recipiente cerrado o en sitios calientes, las molculas que se escapan se acumularn como vapor encima del lquido. Muchas de las molculas vuelven al lquido, hacindose el retorno ms frecuente conforme la densidad y la presin del vapor aumentan. Cuando el proceso de fuga y retorno alcanza un equilibrio, se dice que el vapor est "saturado", y ya no se dar ningn cambio adicional en la presin o la densidad del vapor. Para un sistema que consiste en vapor y lquido de una sustancia pura, este estado de equilibrio est directamente relacionado con la presin de vapor de la sustancia, como viene expresado en la relacin de Clausius-Clapeyron:

donde P1 y P2 son las presiones de vapor a temperaturas T1 y T2 respectivamente, Hvap es la entalpa de la vaporizacin, y R es la constante universal de los gases. La tasa de evaporacin en un sistema abierto est relacionada con la presin de vapor encontrada en un sistema cerrado. Si un lquido se calienta, cuando la presin de vapor alcance la presin ambiental, el lquido hervir.

La capacidad para evaporarse de la molcula de un lquido se debe en gran parte a la cantidad de energa cintica que una partcula individual pueda poseer. Incluso a temperaturas inferiores, las molculas individuales de un lquido pueden evaporarse potencialmente si tienen ms de la cantidad mnima de energa cintica requerida para la vaporizacin.

Factores que influyen en la tasa de evaporacin

* Concentracin de la sustancia que se evapora en el aire. Si el aire ya tiene una alta concentracin de la sustancia que se evapora, entonces la sustancia se evaporar ms despacio.* Concentracin de otras sustancias en el aire. Si el aire ya est saturado con otras sustancias, puede tener una capacidad inferior para la sustancia que se evapora.* Tasa de flujo de aire. Si aire fresco se mueve sobre la sustancia todo el tiempo, la concentracin de la sustancia en el aire tendr menos probabilidad de subir con el tiempo, potenciando as una evaporacin ms rpida. Esto resulta en una capa divisoria en la superficie de evaporacin que disminuye con la velocidad de flujo, disminuyendo la distancia de difusin en la capa estancada.* Concentracin de otras sustancias en el lquido (impurezas). Si el lquido contiene otras sustancias, tendr una capacidad inferior para la evaporacin.* Temperatura de la sustancia. Si la sustancia est ms caliente, la evaporacin ser ms rpida.* Fuerzas intermoleculares. Cuanto mayores son las fuerzas que mantienen las molculas juntas en el lquido, ms energa ser necesaria para evaporarlas.* rea superficial. Una sustancia que tiene un rea superficial ms grande se evaporar ms rpido, ya que hay ms molculas superficiales que son capaces de escaparse.* Calentamiento. Cuanto ms grueso es el recipiente donde se est calentando, ms se reduce la evaporacin del agua, debido a que se dedica menos calor a los propia evaporacin.

En los EE.UU, el Servicio Meteorolgico Nacional mide la tasa actual de evaporacin en "ollas" estandarizadas de agua abiertas al aire libre en varias localizaciones a escala nacional. Otros servicios hacen lo mismo alrededor del mundo. Los datos estadounidenses son compilados en un mapa de evaporacin anual. Las medidas varan entre 30 y ms de 120 pulgadas por ao.

Aplicaciones

Secado

Cuando la ropa se cuelga de un cordel, aunque la temperatura ambiental est por debajo del punto de ebullicin del agua, el agua se evaporar. Este proceso se acelera por factores como humedad baja, calor (del sol) y viento. En un secador de ropa, se hace pasar aire caliente por las prendas, permitiendo que el agua se evapore muy rpidamente.

Combustin

Las gotitas de combustible se vaporizan, cuando reciben calor, mezclndose con los gases calientes en la cmara de combustin. El calor (energa) tambin puede ser recibido por radiacin de cualquier pared refractaria caliente de la cmara de combustin.

Deposicin de capas

Evaporando una sustancia y condensndola en un sustrato es posible depositar capas delgadas.lA EVAPORACIN ES UN PROCESO FSICO EN EL QUE UN LQUIDO O UN SLIDO SE CONVIERTE GRADUALMENTE EN GAS, considerando que en este proceso el agua se calienta al absorber energa calrica del sol tomando en cuenta que esta, la fuente de energa del sol y que esto permite culminar la fase. La energa necesaria para que un gramo de agua se convierta en vapor es de 540 caloras a 100 C valor conocido cmo calor de evaporacin. Al ocurrir la evaporacin la temperatura del aire baja, al ser tomado el calor de la superficie por la evaporacin procedentemente es transportado a otros niveles mediante el proceso inverso de condensacin, se esta entonces ante un mecanismo de mucha importancia, en lo que respecta a la transferencia y distribucin del calor en la atmsfera en el globo terrestre.Punto de ebullicin



Puntos de fusin en azul y puntos de ebullicin en rosado de los primeros ocho cidos carboxilicos (C)

El punto de ebullicin de un compuesto qumico es la temperatura que debe alcanzar ste para pasar del estado lquido al estado gaseoso; para el proceso inverso se denomina punto de condensacin. La definicin exacta del punto de ebullicin es la temperatura a la cual la presin de vapor iguala a la presin atmosfrica. Por ejemplo, a nivel del mar la presin atmosfrica es de 1 atm. o 760 mlHg, el punto de ebullicin del agua a esta presin ser de 100C porque a esa temperatura la presin de vapor alcanza una presin de 1 atm.

La temperatura de una sustancia o cuerpo es una medida de la energa cintica de las molculas. A temperaturas inferiores al punto de ebullicin, slo una pequea fraccin de las molculas en la superficie tiene energa suficiente para romper la tensin superficial y escapar.

Al llegar al punto de ebullicin la mayora de las molculas es capaz de escapar desde todas partes del cuerpo, no solo la superficie. Sin embargo, para la creacin de burbujas en todo el volumen del lquido se necesitan imperfecciones o movimiento, precisamente por el fenmeno de la tensin superficial.

La temperatura se mantiene constante durante todo el proceso de ebullicin, y el aporte de ms energa slo produce que aumente el nmero de molculas que escapan del lquido. Este hecho se aprovecha en la definicin de la escala de temperatura en grados centgrados.

Un lquido puede calentarse pasado su punto de ebullicin. En ese caso se dice que es un lquido sobrecalentado. En un lquido spercalentado, una pequea perturbacin provocar una ebullicin explosiva. Esto puede ocurrir, por ejemplo, al calentar agua en un recipiente liso (por ejemplo Pyrex) en un microondas. Al echar azcar en esta agua sobrecalentada, el contenido completo puede ebullir en la cara del usuario, causando quemaduras.

El punto de ebullicin depende de la masa molecular de la sustancia y de el tipo de las fuerzas intermoleculares de esta sustancia. Para ello se debe determinar si la sustancia es covalente polar, covalente no polar, y determinar el tipo de enlaces (dipolo permanente - dipolo permanente, dipolo inducido - dipolo inducido o puentes de hidrgeno)

En cualquier lquido, su punto de ebullicin se alcanza cuando su presin de vapor se iguala a la presin atmosfrica , ya que en esas condiciones se puede formar vapor en cualquier punto del lquido.

Elevacin del punto de ebullicin


Saltar a navegacin, bsquedaEl punto de ebullicin es la temperatura a la cual la presin de vapor de un lquido es igual a la presin atmosfrica. Como el punto de ebullicin depende de la presin atmosfrica, ste variar al modificarse la presin atmosfrica. En la literatura se encuentra el punto de ebullicin normal (cuando la presin atmosfrica es 760 mm Hg) de ciertos lquidos, pero a veces es necesario saber el punto de ebullicin de un lquido a una presin atmosfrica distinta a 760 mm Hg, por ejemplo para hacer una separacin de una mezcla por destilacin. Para calcular la variacin que hay entre el punto de ebullicin normal y el punto de ebullicin a una presin atmosfrica se puede aplicar la siguiente frmula: Teb = 1.1 x 10-4 x (760 - Patmosfrica) x (273 + Teb )Donde:

Teb = Cambio en el punto de ebullicin (Punto de ebullicin normal - Punto de ebullicin a presin dada)

Patmosfrica = Presin dada a la cual se quiere medir el punto de ebullicin

Teb = Punto de ebullicin del lquido a la presin dada (Patmosfrica)

Con un correcto manejo algebraico se puede determinar el punto de ebullicin normal de un lquido al medir el punto de ebullicin a una presin dada, conociendo la presin atmosfrica durante el experimento.

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Elevaci%C3%B3n_del_punto_de_ebullici%C3%B3n"

Ebullicin



Agua en proceso de ebullicin

La ebullicin es el proceso fsico en el que un lquido pasa a estado gaseoso/gas. Se realiza cuando la temperatura de la totalidad del lquido iguala al punto de ebullicin del lquido a esa presin.

Si se contina calentando el lquido, ste absorbe el calor, pero sin aumentar la temperatura: el calor se emplea en la conversin del agua en estado lquido en agua en estado gaseoso, hasta que la totalidad de la masa pasa al estado gaseoso. En ese momento es posible aumentar la temperatura de la masa gaseosa.

Este proceso es muy distinto a la evaporacin, que es paulatino y para el que no es necesario el calentamiento de toda la masa. Este proceso es tambin el inverso a la condensacin.

Agua (H2O) [editar]Cuando se calienta el agua por encima de 100C (a 1 atm de presin), se transforma en un gas, el vapor de agua, que no se puede ver porque es transparente.

En el nivel del mar (esto es, a 1 atm de presin), el agua hierve a una temperatura de 100C. A esta temperatura se la denomina punto de ebullicin del agua.

En altitudes superiores, la presin atmosfrica media disminuye, por lo que el agua necesita temperaturas menores para entrar en ebullicin.

En una olla a presin, el agua llega a una temperatura de 120C antes de hervir, debido a la mayor presin alcanzada por los gases en su interior. Gracias a esta mayor temperatura del agua en el interior de la olla, la comida se cuece ms rpidamente.

La adicin de aditivos al agua hace aumentar su punto de ebullicin.

Equilibrio dinmico


Saltar a navegacin, bsquedaUn equilibrio dinmico ocurre cuando dos procesos reversibles ocurren al mismo paso. Muchos procesos (como algunas reacciones qumicas) son reversibles y cuando estn en un equilibrio dinmico, reacciones opuestas ocurren al mismo paso.

Un ejemplo del proceso puede ser imaginado con un cubo lleno de agua que se coloca en un cuarto pequeo. El agua del cubo evapora, y el aire en el cuarto se empieza a saturar del vapor de agua. Eventualmente, el aire en el cuarto ser completamente saturado y el nivel de agua en el cubo parar completamente. Sin embargo, el agua en el cubo sigue evaporando. Lo que esta pasando es que las molculas de agua en el aire de vez en cuando se chocan contra la superficie del agua y se vuelven a condensar. Esto ocurre al mismo paso al que el agua evapora del cubo. Este es en un ejemplo del equilibrio dinmico porque el paso de evaporacin es igual al paso de la condensacin.

El concepto del equilibrio dinmico no es limitado a los simples cambios de estado. Con frecuencia est aplicado al anlisis cintico de reacciones qumicas para obtener informacin til sobre la proporcin de reactivos y productos que formarn del equilibro. Debera ser notado que en un equilibro las concentraciones de los reactivos y las concentraciones de los productos son constantes.

El termino tambin tiene otras aplicaciones. Siempre se refiere a una situacin estable mantenido por manteniendo procesos en equilibrio. Por ejemplo, en ecologa, una populacin de organismos que no cambia resulta equilibrando el ndice de natalidad y el ndice de mortalidad.

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Equilibrio_din%C3%A1mico"

Ebullicin de LquidosSe entiende por ebullicin la generacin de vapor por calefaccin de un lquido, descartndose su posible formacin por mera descompresin sbita del mismo a temperatura conveniente. Se distinguir segn que la ebullicin vaya acompaada de conveccin natural o forzada.

Conveccin naturalPara poder estudiar este fenmeno nos ayudamos de las denominadas curvas de ebullicin.

La ebullicin acompaada de conveccin natural tiene lugar con la superficie de calefaccin inmersa en el lquido. Excepto en las proximidades de la superficie, las velocidades del lquido provocadas por la transmisin de calor son muy pequeas, este fenmeno que en principio tiene muy poco inters ha sido muy estudiado debido a su facilidad de estudio y a que la informacin obtenida puede ser utilizada para extrapolarla al caso de ebullicin con conveccin forzada cuyo estudio es mucho ms complejo.

En la ebullicin con conveccin natural, el flujo de calor q, es funcin principal de la sobrecalefaccin de la superficie calefactora respecto a la de ebullicin del lquido (Tp - Ts ). Por ello, los resultados experimentales de este tipo de ebullicin se representan de la forma q frente a ( Tp - Ts ) constituyendo las curvas de ebullicin.

Consideremos primero un experimento en el que la fuente calorfica es un conductor metlico calentado elctricamente situado en el seno del lquido, con lo que podr variarse a voluntad el flujo de calor q. En la figura se muestra la curva de ebullicin:

Par valores pequeos de q, el calor se transmite nicamente por conveccin, hasta alcanzarse el punto A, a partir del cual comienza la formacin de burbujas superficiales. Cuando el lquido moja bien la superficie slida, la sobrecalefaccin de sta en el punto A, puede ser bastante elevada y al incrementar q puede reducirse la misma, tramo AB, fenmeno conocido como histresis de la curva de ebullicin, que no se presenta en muchos casos en que el lquido no moje en igual grado al slido, siendo entonces el tramo correspondiente de la curva de ebullicin el JB.

El tramo BC de la curva corresponde a la llamada ebullicin nucleada, debido a la repetida formacin de burbujas en ciertos centros de nucleacin de la superficie de calefaccin. Para pequeos valores de q, slo son activos algunos centros nucleadores distribuidos al azar que originan corrientes de burbujas bien diferenciadas; al crecer el valor de q, aumenta el nmero de tales centros con reducida elevacin de la sobrecalefaccin ( Tp - Ts ), formndose por coalescencia de las burbujas, columnas de vapor irregulares que abandonan la superficie.

Al seguir aumentando q, y rebasar el punto C de la curva, se manifiesta un mayor incremento de la sobrecalefaccin ( Tp - Ts ) producindose un repentino cambio de rgimen, al correspondiente al tramo EF, denominado ebullicin con pelcula estable. Esta transicin DE se conoce tambin con otros nombres: flujo de calor crtico, primera crisis de la ebullicin, trmino de la ebullicin nucleada y ebullicin destructiva, ya que la temperatura que alcanza la superficie del slido en esta transicin puede rebasar, en ocasiones, el punto de fusin de la misma. Si el lquido est subenfriado, esta transicin puede producirse para valores de q ms elevados.

En la ebullicin con pelcula estable, la superficie de calefaccin se cubre totalmente con una pelcula de vapor a cuyo travs el calor debe ser transmitido por conduccin y radiacin, a fin de producir la evaporacin en la superficie interfacial vapor-lquido, en forma de grandes burbujas bastante ordenadas. La ebullicin con pelcula, una vez alcanzada, es estable para valores de q, inferiores al crtico, por lo que si se reduce el valor de q, se recorre el tramo FG de la curva.

Posteriormente, el rgimen de ebullicin con pelcula se hace inestable, GH, y pasa a la ebullicin nucleada en el punto H. Esta segunda transicin se denomina: flujo de calor mnimo, segunda crisis de la ebullicin o punto de Leidenfrost.

Reduciendo an ms el valor de q, se recorre el tramo HBJ confundindose finalmente la curva con la correspondiente al rgimen de conveccin natural sin ebullicin.

Consideramos ahora un experimento en el que la fuente calorfica es vapor de agua que condensa a presin conveniente en el interior de un tubo situado en el seno del lquido, con lo que podr variarse a voluntad Tp. En la siguiente figura se muestra su curva de ebullicin:

La principal diferencia con el experimento con q como variable independiente es la presencia del nuevo rgimen de transicin o de ebullicin con pelcula inestable correspondiente a un tramo de curva que conecte los puntos D y G de la primera figura, dando la curva de ebullicin siguiente. Se trata de un rgimen mixto con partes de la superficie de calefaccin fluctuando entre la ebullicin nucleada y la ebullicin con pelcula.

La curva de ebullicin es ahora prcticamente la misma para temperatura de la superficie de calefaccin creciente o decreciente.

Una vez que hemos visto la utilidad de las curvas de ebullicin veremos el efecto de algunas variables sobre la ebullicin.

Superficie de Calefaccin. La naturaleza y condicin de la superficie tiene gran influencia sobre el rgimen de ebullicin nucleada, mientras que apenas afecta al flujo de calor crtico y al rgimen de ebullicin con pelcula.

En general cuanto ms pulida sea una superficie, mayor deber ser su temperatura para la ebullicin nucleada.

Geometra del sistema. La ebullicin nucleada no viene afectada por sta, siempre que las dimensiones d la superficie de calefaccin sean claramente superiores a las de las burbujas tpicas y su situacin tal que las burbujas puedan escapar de la misma.

Salvo en el caso de grandes superficies horizontales, la ebullicin con pelcula no se ve afectada por la geometra del sistema.

Presin. Para una cierta combinacin, superficie de calefaccin-lquido-flujo de calor, la sobrecalefaccin de la primera ( Tp - Ts ) disminuye al aumentar la presin del sistema y el flujo de calor crtico alcanza su valor mximo para una presin 30% de la crtica del lquido.

Temperatura de la superficie. Aunque la temperatura de la superficie de calefaccin vare aleatoriamente, la curva de ebullicin caracterstica no vara.

Gas disuelto. Si el lquido contiene apreciable cantidad de gas disuelto, pueden formarse burbujas sobre la superficie de calefaccin, incluso para valores negativos de su sobrecalefaccin ( Tp - Ts ). En tal caso, dichas burbujas crecen mucho ms lentamente por estar regido su crecimiento por la transferencia del gas disuelto, pero en cualquier caso mejora lgicamente la transmisin de calor. De adherirse a la superficie grandes burbujas, puede alterarse sensiblemente el rgimen inicial de mera conveccin.

Pequeos espesores de lquido. Para espesores de lquido de menos de 1 cm el desarrollo de la ebullicin es distinto.

Con espesores de agua de 2-5 mm. se observa la formacin de burbujas de hasta 20 mm. de dimetro cuya vida era tanto mayor cuanto ms pequea fuera q. Para espesores inferiores ya no se formaban grandes burbujas, sino pequeas, que desde los centros de nucleacin de la superficie rompan a travs de la pelcula lquida. En todos los casos el flujo de calor crtico corresponda a la aparicin de superficies secas, pudiendo producirse la ebullicin destructiva para flujos de calor muy inferiores al crtico en el caso de formacin de grandes burbujas.

Si se depositan pequeas porciones de lquido sobre una superficie slida muy sobrecalentada se produce un tipo peculiar de ebullicin, es la denominada ebullicin esferoidal o de Leidenfrost. Durante la misma las gotas quedan completamente soportadas sobre una pelcula de vapor, evaporndose lentamente hasta que desciende la temperatura de la superficie y se inicia la ebullicin nucleada.

Ahora analizaremos cada periodo por separado.

Periodo o rgimen de conveccin sin ebullicin.Para este rgimen la proporcionalidad encontrada fue la siguiente:

q " ( Tp - T )5/4

Periodo o rgimen de ebullicin nucleada.Rohsenow propuso una correlacin semiemprica para la ebullicin nucleada:

cpl( Tp - Ts)/= C [q/(l) "(/g(l - g )]0.33[cpll/ kliq]S (11)Donde: cpl! calor especfico del lquido.

! calor latente de vaporizacin.

l! viscosidad del lquido.

g ! aceleracin de la gravedad.

! tensin superficial.

l y g! densidades del lquido y del vapor.

kliq! conductividad calorfica del lquido.

El exponente S se considera igual a 1.0 en el caso del agua y 1.7 para el resto de los lquidos. La constante C que depende de la combinacin lquido-superficie, tiene los valores que se indican en la tabla:

LquidoSuperficieC

AguaNquel0.006

AguaPlatino0.013

AguaCobre0.013

AguaBronce0.006

Tetracloruro de CarbonoCobre0.013

BencenoCromo0.010

n-PentanoCromo0.015

Etanol Cromo0.0027

IsopropanolCobre0.0025

n-ButanolCobre0.0030

El valor del flujo q obtenido de la ecuacin 11 dividido por la diferencia de temperatura ( Tp - T ) conduce al valor del coeficiente de transmisin de calor individual h correspondiente a la ebullicin nucleada.

Periodo o rgimen de ebullicin con pelcula estable.Bromley estudi la ebullicin con pelcula sobre cilindros horizontales. En estos casos el calor se transmite por conduccin a travs de la fina pelcula de vapor y evapora el lquido que limita por su parte externa. La movilidad de la pelcula de vapor depender del gradiente de presin esttica y de las tensiones de rozamiento en cada punto, siendo inciertas las condiciones lmite en la interfase vapor-lquido. Suponiendo que en sta la velocidad y el rozamiento son nulos se llega a una expresin del coeficiente de transmisin de calor medio similar a la correspondiente al coeficiente para la condensacin en pelcula:

h = 0.62 [ k3gasg( l - g )g/( g ( Tp - Ts ) D)]1/4 (12)siendo kgas y g, la conductividad calorfica y la viscosidad del vapor, respectivamente; D, el dimetro externo del tubo.

Esta ecuacin reproduce los datos experimentales con una precisin de 10%, excepto para valores muy pequeos o muy grandes del dimetro D. En el primer caso el espesor de la pelcula de vapor ya no resulta despreciable frente al mismo, y en el segundo, las condiciones lmites supuestas para la interfase vapor-lquido ya no son adecuadas.

Para las superficies verticales no es vlido el estudio realizado anteriormente, ya que pueden formarse ondulaciones o incluso alcanzar el vapor en la pelcula el rgimen turbulento de ser su longitud suficiente.

Para el caso de superficies horizontales debe considerarse la estabilidad de una pelcula de vapor plana y de escassima densidad bajo una capa de lquido ms denso. Cualquier distorsin de la interfase se favorece por la fuerza gravitatoria y se frena por la tensin superficial. Taylor comprob que la interfase es inestable para cualquier alteracin con longitud de onda superior al siguiente valor crtico:

C = 2[ / (g( l - g ))]1/2 (13)Berenson supuso que en la ebullicin con pelcula horizontal, las burbujas se forman a distancias D, alimentadas por el vapor de una finsima pelcula circundante a las que resulta aplicable la ecuacin 12. Haciendo una simplificacin encontramos que:

h = 0.42{ k3gasg( l - g )g/( g ( Tp - Ts ) [ / (g( l - g ))]1/2)}1/4 (14)Flujo de calor crtico.Justamente antes de alcanzarse el flujo de calor crtico, al trmino de la ebullicin nucleada, aumenta la generacin de vapor en la superficie caliente que debe ser continuamente recubierta de lquido establecindose un flujo en contracorriente desde y hacia la misma de las dos fases. Al parecer, la condicin crtica se alcanza cuando se rompe el equilibrio entre ambos flujos por predominio del de vapor. Suponiendo iguales reas de flujo para ambas fases se puede calcular ese flujo volumtrico crtico de vapor, que multiplicado por el calor latente conduce al deseado flujo crtico de calor:

qcrt = 0.18g1/2 [ (l - g )g]1/4 [l / ( l + g )]1/2 (15)Como ya sabemos el subenfriamiento del lquido sobre la superficie de calefaccin eleva considerablemente qcrt.

Las ecuaciones anteriores desarrolladas para superficies horizontales pueden aplicarse tambin para superficies verticales cortas. En superficies verticales ms extensas el problema pasa a ser de conveccin forzada.

Conveccin ForzadaLa ebullicin se desarrolla en un flujo bifsico forzado, externo o interno, constituido por un lquido y el vapor resultante de la propia ebullicin.

La ebullicin con conveccin forzada se distingue de la acompaada de conveccin natural en tres aspectos fundamentales:

" La transmisin de calor en el lquido fro modifica sensiblemente las condiciones de iniciacin de la ebullicin.

" El vapor generado, al iniciarse la ebullicin en la superficie de la conduccin, afecta considerablemente el flujo del lquido cuyo contenido en vapor en cada seccin depende de las condiciones en todas las restantes.

" Por ltimo, el flujo bifsico, lquido-vapor se desarrolla con elevados gradientes de presin y, por tanto, de temperaturas de saturacin.

Por todo ello en este caso, los clculos se realizan escalonadamente a lo largo de la conduccin.

Consideramos un tubo cilndrico vertical con su pared calentada por un flujo de calor uniforme, por cuya parte inferior penetra un lquido fro, tal como se muestra en la figura:

Entre las secciones A y B el calor se transmite solamente a un lquido que circula sin ebullicin alguna, pues aunque la temperatura de la pared Tp supera a la temperatura de saturacin TS , no llega a alcanzar el valor requerido para que se inicie la nucleacin de burbujas. Al llegar a la seccin B se alcanza la sobrecalefaccin ( Tp - TS ) necesaria para que se inicie dicha nucleacin, muchas veces acompaada de un brusco descenso de la temperatura Tp, fenmeno de histresis equivalente al que se produce en la ebullicin con conveccin natural, alcanzndose una sobrecalefaccin prcticamente constante entre la secciones B y D.

En la seccin B la masa principal del lquido permanece todava a temperatura muy inferior a la de saturacin, por lo que las burbujas de vapor originadas en las paredes se deslizan sobre las mismas al crecer y recondensar. En la seccin C, la temperatura msica del lquido, sin llegar a la de saturacin, ha aumentado lo suficiente para que las burbujas se extiendan a toda la masa lquida, creciendo forzosamente la concentracin de vapor, en el flujo. Entre las secciones C y D, la temperatura msica del lquido llega a la de saturacin, las burbujas ya no recondensan y el flujo bifsico alcanza primero el rgimen de burbujeo entre las secciones C y D, despus debido a la coalescencia de las burbujas, el de pistn entre las secciones D y E y, a continuacin, el anular entre las secciones E y F con una fina pelcula de lquido deslizndose sobre las paredes y un ncleo central de vapor que fluye a gran velocidad y arrastra gotas de lquido. Finalmente puede alcanzarse una seccin como la F en la que la pared del tubo llegue a secarse por arrastre de la pelcula lquida por el vapor, con la consiguiente elevacin de su temperatura: ebullicin destructiva.Estudiaremos cada una de los tramos de este tipo de ebullicin por separado.

Ebullicin nucleada.Antes de iniciarse la ebullicin del lquido se aplicarn las ecuaciones habituales de transmisin de calor en rgimen laminar o turbulento segn proceda. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que elevados flujos de calor a travs de la pared de la conduccin, combinados con velocidades no excesivas del lquido, pueden motivar apreciables efectos convectivos pudiendo alcanzarse antes de lo esperado la temperatura de la pared requerida para la iniciacin de la ebullicin.

Tras la seccin de iniciacin de la ebullicin, la temperatura de la pared y con ella su sobrecalefaccin suele descender ligeramente. El descenso se atribuye a los pequeos ngulos de contacto de los lquidos bien desgasificados y sugiere que los centros de nucleacin inestables se activan al ser barridos por las burbujas procedentes de los centros estables anteriores. Para flujos de calor en las paredes ms pequeos disminuye la sobrecalefaccin de la pared en la regin de ebullicin superficial sin variar su seccin de iniciacin.

El modelo de nucleacin que se considera explica, asimismo, la ausencia de nucleacin durante el posterior rgimen de flujo anular: la pequea sobrecalefaccin (Tp - TS ) necesaria para la transmisin de calor desde la pared a travs de la fina pelcula lquida, slo es efectiva para activar centros de nucleacin o cavidades demasiado grandes para que las presente la pared.

Los datos experimentales de la ebullicin nucleada en el caso de la conveccin forzada suelen presentarse como en el de la conveccin natural de la forma q frente a (Tp - TS ). Para valores de q muy superiores a los de iniciacin de la ebullicin nucleada todos los puntos experimentales se alinean sobre una curva nica, no importa la velocidad y temperatura del lquido a pesar de la gran influencia de ambas variables sobre las caractersticas del flujo. En conveccin forzada, la ebullicin nucleada puede persistir para valores de q muy superiores a los de qcrt correspondientes a conveccin natural con la misma superficie, pudindose considerar, en primera aproximacin, que la curva para ebullicin nucleada bien desarrollada de la conveccin forzada es prolongacin de la correspondiente a la ebullicin nucleada en conveccin natural. Experimentos pusieron de manifiesto que esta aproximacin no era muy precisa; sin embargo, puede utilizarse a falta de datos experimentales, si se dispone de los de conveccin natural con la superficie de que se trate.

Hay una serie de ecuaciones dimensionales para representar el tramo de curva correspondiente a la ebullicin nucleada bien desarrollada:

Ecuacin de Jens y Lottes:Tp - TS = 25q0.25 exp(-p/62) (15)

Ecuacin de Thom y col.:Tp - TS = 22.65q0.5 exp(-p/87) (16)

Se ha sugerido que durante la conveccin forzada, las caractersticas de las superficies influyen mucho menos que durante la conveccin natural, debido a que los mayores valores de q y (Tp - TS ) en el caso de la primera, activa los centros de nucleacin ms pequeos siempre abundantes en la mayora de las superficies.

En la regin de ebullicin nucleada en desarrollo, transicin entre la de conveccin exclusiva en el lquido y la de ebullicin nucleada bien desarrollada, son importantes los mecanismos de transmisin de calor caractersticos de las dos ltimas. Rohsenow sugiri que deban sumarse el flujo de calor por conveccin en el lquido qc para cada diferencia local de temperaturas Tp - TS y el flujo de calor por ebullicin nucleada qn:

q = qc + qn

Bergles y Rohsenow propusieron el trazado de una curva para ebullicin nucleada en desarrollo; la curva se divide en tres trozos. Un tramo representa la conveccin pura en el lquido y se representa por la ecuacin:

qc = hL (Tp - T)Otro tramo representa la ebullicin nucleada bien desarrollada y se caracteriza por ecuaciones del tipo 15 y 16. Por ltimo el tramo intermedio es el que representa la ebullicin nucleada en desarrollo, su ecuacin caracterstica es del tipo:

q = qc {1 + [qn / qc (1 - qc/qn )]2 }1/2 (17)Por anlisis dimensional y experimentacin se han deducido algunas correlaciones para la ebullicin nucleada en lquidos subenfriados:

L/hL = 78.5Prl T0.50.46 [ q/(

gV)]0.67[/( cPl (TS - T ))]0.5( g/l ) (18)

en la que: L es la longitud del tubo; T0.5= (Tp + T )/2, y V es la velocidad del fluido. La fiabilidad de la ecuacin es de un 40% aproximadamente, teniendo el inconveniente de conducir a hL infinito en el caso de T = TS.

Los anlisis anteriores tambin son vlidos para rgimen de flujo en tubos horizontales y en otros sistemas de conveccin forzada utilizando el correspondiente dimetro equivalente.

Rgimen anular.Sin ebullicin nucleada.A concentraciones de vapor superiores a 5-10 %, el rgimen de flujo en el tubo vertical se hace anular. A medida que aumenta la generacin de vapor a lo alto del tubo lo hacen tambin su velocidad de flujo y el coeficiente de transmisin de calor. El efecto es tanto ms pronunciado cuanto mayor es el caudal inicial del lquido. A elevados caudales msicos, elevadas concentraciones de vapor y pequeos flujos de calor q, la capa lquida sobre la pared puede ser suficientemente fina para que la temperatura de aqulla se mantenga inferior a la necesaria para la nucleacin, no producindose ebullicin alguna. El calor se transmite principalmente por conduccin a travs de la capa lquida, producindose la evaporacin en la superficie interfacial lquido-vapor.

La correlaciones empricas del coeficiente de transmisin de calor individual en flujo turbulento interno de fluidos son del tipo:

Nu = (Re, Pr) (19)Se comprende que en el caso del flujo anular lquido-vapor a travs de un tubo vertical, en cuanto a la capa lquida se refiere, podra utilizarse una correlacin de este tipo siempre que se empleasen los nmeros adimensionales apropiados. Como el nmero de Reynolds es el mismo, llene o no el lquido la conduccin y otro tanto sucede con el nmero de Prandtl en el que slo figuran las propiedades fsicas del lquido, se comprende pues que segn la funcin anterior los nmeros de Nusselt del lquido circulando en forma de capa Nu o llenando el tubo NuLL debern ser iguales.

El dimetro equivalente para el flujo del lquido en forma de capa de espesor e muy inferior al dimetro del tubo D, ser:

De = 4DE/(D) = 4e

Por consiguiente:

h4e/kliq = hLLD/kliq

h/hLL = D/4erepresentando h y hLL los coeficientes de transmisin de calor a travs del lquido fluyendo en forma de capa o llenando el tubo, respectivamente.

Por (1- ) se entiende la fraccin volumtrica de lquido, para un tubo de longitud L se tendr:

1- = DeL/(D2L/4) = 4e/D

y, por tanto, las dos ltimas relaciones conducen a lo siguiente:

h/hLL = 1/ ( 1- ) (20)Sabemos que la fraccin msica de vapor es funcin de la fraccin volumtrica del lquido:

X = f ( 1- )

Con lo que llegamos a lo siguiente:

h/hLL = f ( 1/X ) (21)Con ebullicin nucleada.Para elevados flujos de calor q en las paredes puede producirse nucleacin en las mismas durante le rgimen anular. Cuando el rgimen anular est acompaado de la ebullicin nucleada, su condicin crtica de secado de la pared puede alcanzarse no slo por barrido de la capa lquida sobre ella por la corriente de vapor central con velocidad creciente, sino tambin por intensificarse la nucleacin superficial simultneamente a dicho efecto.

La mejor correlacin encontrada es la siguiente:

q = h (Tp - TS ) = (hmic + hmac ) (Tp - TS ) (22)siendo hmic el coeficiente de transmisin de calor por microconveccin que corresponde a la contribucin de la ebullicin nucleada; hmac, el coeficiente de transmisin de calor por macroconveccin que corresponde a la contribucin de la conduccin y de la conveccin a travs del lquido. Las expresiones de estos coeficientes son:

hmac = 0.023 [ G(1-x)D/l]0.8 Prl0.4 kliqFc /D

hmic = 0.00122[kliq0.79cpl0.45l0.49/ (0.5l0.290.24g0.24)]( Tp - TS)0.24 (pp-pS)0.75Sc

siendo Fc y Sc dos factores cuyo significado y valores fue determinado a partir de numerosos datos experimentales y representados grficamente.

Para llegar a los valores de h y (Tp - TS) que corresponden a un cierto flujo de calor q, para valores determinados de la velocidad msica total G y de la concentracin de vapor x, se calculan ordenadamente los valores de hmac y hmic para una serie de valores (Tp - TS). Representando finalmente los valores de q que corresponden a cada uno de (Tp - TS) podr interpolarse para poder encontrar los correspondientes al indicado valor de q.

Se han propuesto otros mtodos empricos basados en la ecuacin 21 debidamente corregida para tener en cuenta la contribucin de la ebullicin nucleada, bien mediante factores de correccin bastante complejos o transformada en la siguiente:

h/hLL = C1 [Eb + C2(1/X)n1]n2

siendo Eb el denominado nmero de ebullicin, relacin entre el flujo msico normal a la pared debido a la ebullicin y el flujo msico total a travs del tubo:

Eb = (q/)/G

Flujo de calor crtico: ebullicin destructiva.Aumentando progresivamente el flujo de calor q aplicado a una superficie en contacto con un lquido, se llega a un valor qcrit para el cual se pierde dicho contacto debido a la interposicin de vapor entre una y otro, con la consiguiente crisis del fenmeno de ebullicin. Al sobrevenir esta crisis, el coeficiente de transmisin de calor disminuye abruptamente debido a la pequea conductividad calorfica del vapor interpuesto y de no reducirse dicho flujo qcrit, la temperatura de la pared se eleva rpidamente, aunque para grandes concentraciones de vapor puede no sobrevenir el deterioro fsico de la superficie.

Puede llegarse al flujo de calor crtico por dos mecanismos. En el caso de la ebullicin nucleada, tanto en el seno del lquido fro como saturado, puede desencadenarse la crisis por la formacin y desarrollo de una pelcula de vapor sobre la superficie caliente, pasndose a un rgimen de ebullicin con pelcula. En el caso del rgimen anular la crisis se atribuye a la desaparicin de la capa lquida sobre la superficie caliente por arrastre y evaporacin dando paso a un rgimen de superficie seca. Caso de estar acompaado de ebullicin nucleada el rgimen anular, la crisis sobrevendr por ambos mecanismos.

Entre los factores determinantes del fluido de calor crtico y la posible ebullicin destructiva posterior los ms importantes son los siguientes:

" Propiedades del fluido de que se trate y flujo msico y entalpa de entrada del mismo.

" Caractersticas de la superficie de las conducciones.

" Distribucin relativa de las dos fases, fuerzas centrfugas en codos y serpentines, secciones de paso complejas, etc.

" Uniformidad o no del flujo de calor en la superficie.

" Estabilidad de la corriente fluida, dispositivos para favorecer el mojado de la superficie, etc.

La prediccin de las condiciones a las que se alcanza el flujo crtico, pudiendo sobrevenir la destruccin de las paredes de las conducciones, depende de la complejidad de la instalacin y de los datos experimentales disponibles.

En el caso del agua y de conducciones verticales se posee gran cantidad de datos que han conducido a una serie de correlaciones empricas. En el caso de que vare la geometra, superficie, etc., se recurre a una serie de variaciones gracias a los ordenadores.

La importancia del flujo de calor crtico, cuyo valor es indispensable conocer, ha motivado el desarrollo de numerosas correlaciones. La correlacin emprica ms utilizada es la de Macbeth basada en la hiptesis de que dicho flujo crtico es funcin de la concentracin de vapor al producirse la brusca sobrecalefaccin.

En esta correlacin se divide el flujo crtico en dos regiones, que en el caso de conducciones verticales son las siguientes:

Regin de pequea velocidad msica.qcrit 10-6 = (G 10-6)0.5(1-xL)/135

Regin de elevada velocidad msica.qcrit 10-6 = [A' - D(G 10-6) xL/4] /C'

siendo:

A' = Y0DY1(G 10-6)Y2[1 + Y3D + Y4(G 10-6) + Y5D(G 10-6)]

C' = Y6DY7(G 10-6)Y8[1 + Y9D + Y10(G 10-6) + Y11D(G 10-6)]

Donde de Y0 a Y11 son constantes funcin de la presin absoluta p.

Condensacin de VaporesLa condensacin de vapores puede producirse de distintos modos:

Pelcula.En gotas.Homognea. Se desarrolla en forma de niebla en el seno de un gas al disminuir la temperatura del vapor por debajo de la de condensacin.

Por contacto directo. Cuando se produce sobre una superficie un lquido fro con el que se pone en contacto el vapor.

Bifsica. Si por tratarse de una mezcla de varios vapores, su condensacin conduce a lquidos inmiscibles.

Desde el punto de vista industrial la que tiene mayor inters es la condensacin en pelcula.

Condensacin en pelcula.Condensacin sobre una superficie plana vertical.El estudio que se lleva a cabo a continuacin tambin es vlido para tubos verticales cuyo dimetro sea muy superior al espesor de la pelcula de condensado.

Partimos de las siguientes suposiciones:

" Flujo laminar del condensado descendente.

" Propiedades fsicas del condensado prcticamente constantes, evaluadas a la temperatura de la pelcula ( Tg + T p )/2.

" Temperatura de la superficie Tp constante.

" Vapor saturado con temperatura de saturacin constante.

" Distribucin lineal de la temperatura en la pelcula de condensado.

" Efectos de inercia despreciables.

" Ausencia de ondulaciones en la superficie de condensado.

" Pequea velocidad del vapor: rozamiento en la superficie lquido - vapor despreciable.

En la siguiente figura se muestra una superficie plana vertical sobre la que desciende una capa lquida procedente de la condensacin de un vapor en contacto con ella.

Mediante una serie de operaciones, simplificaciones y dems, llegamos a la ecuacin de la distribucin de la velocidad vz en la capa del condensado:

vz = ( l - g )/l g (E2 - x2 )

El caudal msico de condensado por unidad de anchura se consigue integrando la velocidad entre los lmites desde 0 hasta E, y multiplicndolo por la densidad del lquido:

= 1/3 l ( l - g )/l g E3

La variacin de este caudal por unidad de longitud nos dar el flujo msico de condensacin Gc:

Gc = l ( l - g )/l g E2 dE/dz (23)Puesto que el calor que se transmite a travs de la pelcula de condensado es el procedente de la condensacin del vapor, y lo es por conduccin, tendremos:

q = Gc = kliq ( Ts - Tp )/E (24)Sustituyendo Gc por su valor llegamos a la ecuacin diferencial:

E3 dE/dz = lkliq ( Ts - Tp )/(l ( l - g ) g)

Integrando esta ecuacin en las condiciones lmites z=0 y E=0 llegamos a que:

E = { 4lkliq ( Ts - Tp )z/[l ( l - g ) g]}1/4 (25)De las ecuaciones 24 y 25 se deduce que:

h = kliq /E = {l ( l - g ) g kliq3/ [4l( Ts - Tp )z]}1/4 (26)Esta es la expresin del coeficiente individual de transmisin de calor local, a travs de este podemos llegar al coeficiente de transmisin de calor individual media para una superficie vertical de altura L, llegamos a este integrando:

hm = 0.943 {l ( l - g ) g kliq3/ [Ll( Ts - Tp )z]}1/4 (27)El caudal de condensado por unidad de anchura, en la base de la superficie, lo podemos poner en funcin de hm , de la diferencia de temperaturas ( Ts - Tp ) constante y del calor latente de condensacin, nos encontraramos con la siguiente expresin:

L = L hm ( Ts - Tp )/ (28)Si despejamos el valor de ( Ts - Tp ) de la ecuacin anterior y lo sustituimos en la ecuacin 27 obtenemos lo siguiente:

hm = 1.47 {l ( l - g )g kliq3/ l2}1/3 ReL-1/3 (29)Donde ReL es el nmero de Reynolds del condensado en la base de la superficie:

ReL = 4L/l

Al iniciar este anlisis nos hemos basado en una serie de suposiciones, ahora vamos a ir introduciendo las correcciones para cada una de estas suposiciones.

Viscosidad variable.Hemos considerado que todas las propiedades fsicas del condensado se mantendrn constantes, en realidad la nica propiedad que se desva de este comportamiento es la viscosidad. Podemos aceptar que la variacin de la viscosidad con la temperatura es de la siguiente forma:

1/ = a + bT

Tambin consideramos que el descenso de la temperatura es lineal en la capa lquida. Slo tendremos que evaluar la viscosidad a una temperatura media, Ts - (3/4)(Ts - Tp), y de esta forma no se alterar el estudio anterior.

Temperatura de la superficie (Tp) variable.La temperatura de la superficie slida vara al hacerlo z. Existen dos casos extremos; en el primero se supone que prcticamente toda la resistencia trmica reside en la capa de condensado, por ser muy buena la transmisin de calor entre el refrigerante y la superficie, la temperatura Tp sera constante. El otro caso extremo es que prcticamente toda la resistencia trmica resida en el refrigerante, con un coeficiente de transmisin individual y temperatura del refrigerante constante puede alcanzarse un flujo de calor constante. En este caso se llega a la ecuacin 29.

En los casos en que vare la temperatura con z, suponiendo que dicha variacin sea del tipo:

Ts - Tp " zn

llegamos a la ecuacin:

hm = (4/(3-n)) ( (n+1)/4)1/4 {l ( l - g ) g kliq3/ [Ll( Ts - Tp )]}1/4 (30)Esta ecuacin se simplifica para n=0.

Temperatura de saturacin (Ts) variable.Si se trata de vapor puro saturado, su Ts es constante si la resistencia interfacial lquido-vapor es despreciable. Si el vapor no es puro, sino que est diluido con gas permanente, Ts vara significativamente y el tratamiento anterior pierde toda su validez.

Vapor sobrecalentado (Tg > Ts ).En este caso, el flujo de calor vertical hacia la superficie sera:

q = Gccpg (Tg - Ts ) + Gc = Gc ( + 1)

donde = cpg (Tg - Ts ) /.

Repitiendo el mismo tratamiento anterior pero variando el valor del flujo de calor, llegamos a otra expresin para hm y para el caudal de condensado por unidad de anchura:

hm = 0.943 {l ( l - g ) g kliq3 (1+ )/ [Ll( Ts - Tp )]}1/4 (31)L = Lhm ( Ts - Tp ) / (( 1+)) (32)Descenso de temperaturas no lineal en la pelcula de condensado.En realidad, parte del calor de condensacin es transportado por el propio condensado en su descenso, determinando un perfil de temperaturas no lineal en la capa del mismo y su subenfriamiento en la base de la superficie.

Se puede llegar a una solucin aproximada introduciendo un factor adimensional:

= cpl (Ts-Tp)/

Utilizando este factor llegamos a unas ecuaciones sustitutivas:

E = { 4lkliq ( Ts - Tp )z/[l ( l - g ) g] [1 + 11/40]-1}1/4h = {l ( l - g ) g kliq3/ [4l( Ts - Tp )z] [1 + 27/40]}1/4hm = 0.943 {l ( l - g ) g kliq3/ [Ll( Ts - Tp )] [1 + 27/40]}1/4L = L hm ( Ts - Tp )/ [1 + 3/8]-1La diferencia entre estos resultados y los obtenidos con el tratamiento anterior slo son apreciables si lo es el valor del factor adimensional .

Efectos de inercia apreciables.Se entienden por tales aceleraciones a que estn sujetos el vapor y el condensado. El primero debe ser acelerado o decelerado hasta la velocidad de la superficie lquida antes de condensar. El segundo es acelerado en su descenso y decelerado en su desplazamiento hacia la superficie debido al componente vx de su velocidad.

Las correcciones incluidas en el tratamiento anterior para solucionar esta aproximacin es muy compleja.

Ondulaciones en la superficie de condensado.Los coeficientes de transmisin de calor calculados mediante la ecuacin propuesta en un principio y los encontrados experimentalmente difieren un tanto, esto se debe a las ondulaciones presentes en la superficie del condensado.

Elevada velocidad del vapor: rozamiento en la superficie interfacial apreciable.Cuando el rozamiento es apreciable es necesario variar la ecuacin de la distribucin de la velocidad en la capa de condensado introduciendo un valor ficticio de la densidad del vapor e introducir el trmino de la tensin de rozamiento en la superficie interfacial lquido-vapor.

Al final obtenemos una serie de ecuaciones en funcin de los dos parmetros ya mencionados.

TurbulenciaColburn aplic el concepto de factor de transmisin de calor jH, estableciendo la analoga entre los transportes de cantidad de movimiento y energa en flujo interno por tubos cilndricos, al flujo de condensado en forma de capa por una superficie vertical. Para este ltimo caso propuso la relacin:

jH = h Prl2/3/ (cplG) = 0.027 Rel-0.2 = f/2 (33)Tambin lleg a que cuando el rozamiento en la superficie interfacial es despreciable:

E = [(f/2)2/(l ( l - g )g)]1/3 = [0.027 Rel-0.22/(l ( l - g )g)]1/3 (34)De las dos ltimas expresiones se deduce que:

h = 0.056 [l ( l - g )g kliq3/ l2]1/3Prl1/3Rel0.2 (35)Tambin se obtuvo la ecuacin para el coeficiente de transmisin individual medio. Otros se dedicaron al estudio de este rgimen cuando el rozamiento en la superficie interfacial era notable, se lleg a una serie de grficas.

Superficies planas inclinadas.Si las superficies planas o los tubos cilndricos a los que puede aplicarse el tratamiento de aqullas, forman un ngulo distinto de cero con la horizontal, son vlidas todas las ecuaciones deducidas sustituyendo el valor de la gravedad, g, siempre que aparezca en ellas por el producto (g sen).

Condensacin sobre tubos horizontales.En la figura siguiente se esquematizan los tres casos que vamos a estudiar: a) sobre el exterior de un solo tubo; b) sobre el exterior de una serie de tubos paralelos en un plano; c) en el interior de un slo tubo.

Condensacin sobre el exterior de un solo tubo horizontal.El tratamiento es anlogo al de superficies verticales y rgimen laminar:

hm = 0.725 {l ( l - g ) g kliq3/ [Dl( Ts - Tp )]}1/4 (36)hm = 1.51 {l ( l - g )g kliq3/ l2}1/3{'/l}-1/3 (37)representando D el dimetro externo del tubo, y ' el caudal msico de condensado por unidad de longitud de tubo.

A estas ecuaciones se les pueden aplicar todas las correcciones anteriormente aplicadas a las superficies verticales.

Condensacin sobre el exterior de una serie de tubos paralelos en un plano.Como vemos en la figura los espesores de las capas de condensado sobre los tubos crecen progresivamente desde el tubo superior al inferior al caer aqul, de unos tubos a otros, por lo que los coeficientes de transmisin de calor individuales medios de los mismos disminuyen en igual sentido.

Suponiendo que el flujo descendente del condensado sobre los tubos constituye una capa lquida continua y laminar, si se representa en este caso por n' el caudal msico de condensado por unidad de longitud de tubo que abandona el inferior de una serie de N de ellos, tendremos:

Q = n' = hNm (ND) ( Ts - Tp )

n' = hNm (ND) ( Ts - Tp )/ (38)Comparando las ecuaciones 36 y 38:

hNm = hm/N1/4 (39)Como realmente el condensado no fluye formando una capa continua como se ha supuesto, sino que gotea de tubo a tubo, las gotas provocan turbulencia en las capas del condensado sobre las que inciden, con lo que el coeficiente de transmisin de calor medio para el bloque de los N tubos es siempre superior al calculable con la ecuacin 39. Por ello se propuso disminuir de a 1/6 el exponente a que est afectado N.

Condensacin en el interior de un tubo horizontal.Para velocidades de vapor reducidas, el flujo bifsico durante la condensacin es estratificado, siendo despreciable el rozamiento en la superficie libre del condensado. En este caso distinguiremos entre la parte superior del tubo, con su pared recubierta por una pelcula relativamente delgada de condensado como podemos observar en la figura, y la parte inferior donde este ltimo se acumula. Representando por hs y hi los coeficientes de transmisin de calor individuales medios a que una y otra corresponden. Tendremos:

hm = / hs - ( - ) hi/ " 2/3 hs (40)Despreciamos hi, ya que es de difcil estimacin y muy inferior a hs, y suponiendo que el ngulo es siempre 2/3 ya que su determinacin es muy compleja.

Utilizando el tratamiento que hasta ahora hemos ido viendo llegamos a que hs tiene la expresin:

hs = {l ( l - g ) g kliq3/ [Dl( Ts - Tp )]}1/4"" 0.84 {l ( l - g ) g kliq3/ [Dl( Ts - Tp )]}1/4 (41)ya que es un parmetro funcin de , cuyo valor para = 2/3 es 0.84.

De las ecuaciones 40 y 41 llegamos a que:

hm = 0.56 {l ( l - g ) g kliq3/ [Dl( Ts - Tp )]}1/4 (42)Para velocidades de vapor elevadas el flujo bifsico llega a ser ondulante y compartimentado primero y finalmente anular.

En el primer caso, para tener en cuenta el rozamiento del vapor se modifica el factor numrico de la ecuacin 42:

hm = 0.31 ( GgD/g )0.12{l ( l - g ) g kliq3/ [Dl( Ts - Tp )]}1/4 (43)Condensacin en gotas.

Habitualmente la condensacin se inicia con la formacin de pequeas gotas sobre la superficie del condensador que aumentan en nmero continuamente y crecen tanto por condensacin directa sobre ellas como por coalescencia con las vecinas. Normalmente, de este modo, llega a formarse una pelcula continua de condensado sobre la superficie del condensador.

Sin embargo en determinadas ocasiones, una vez que las gotas alcanzan cierto tamao, en vez de coalescer para formar una pelcula continua, se desprenden de la superficie producindose la denominada condensacin en gotas.Al crecer el caudal de condensacin, si la coalescencia es ms rpida que su desprendimiento de la superficie puede pasarse de un tipo a otro de condensacin.

La condensacin en forma de gotas del vapor de agua puede producirse sobre superficies metlicas muy pulidas y no oxidadas. Durante la condensacin de este tipo, la secuencia de su formacin, crecimiento y desprendimiento de la superficie es tan rpido, que continuamente gran parte de sta permanece limpia, sin condensado, por lo que los coeficientes de transmisin de calor llegan a ser hasta diez veces mayores que los correspondientes a la condensacin en forma de pelcula en las mismas circunstancias. Estas ventajas de este tipo de condensacin no se ha podido aprovechar por los siguientes motivos:

" El inevitable ensuciamiento de las superficies de los condensadores hace muy difcil mantener sus caractersticas de no mojabilidad por los condensados.

" El flujo de vapor sobre las superficies favorece la formacin de pelculas continuas de condensado.

" Las presiones elevadas de los vapores dificultan su condensacin en forma de gotas.

" La informacin sobre los coeficientes de transmisin de calor para este tipo de condensacin es ambigua, debido a la aleatoriedad del fenmeno.

Transmisin de Calor Cambio de fasePunto ebullicin

Cuando se calienta un lquido, alcanza eventualmente una temperatura en la cual la presin del vapor es lo bastante grande que se forman burbujas dentro del cuerpo del lquido. Esta temperatura se llama punto ebullicin. Una vez que el lquido comience a hervir, la temperatura permanece constante hasta que todo el lquido se ha convertido a gas.

El punto ebullicin normal del agua es 100 a una atmsfera de presin. Pero si se trata de cocinar un huevo en agua hirviendo mientras se acampa en la montaas rocallosas a una elevacin de 10,000 pies sobre el nivel del mar, usted encontrar que se requiere de un mayor tiempo de coccin ya que el agua hierve a no ms de 90 . Usted no podr calentar el lquido por encima de esta temperatura a menos que utilice una olla de presin. En una olla de presin tpica, el agua puede seguir siendo lquida a temperaturas cercanas a 120 y el alimento se cocina en la mitad del tiempo normal.

Para explicar porqu el agua hierve a 90 en las montaas, o porqu hierve a 120 en una olla de presin, aunque su punto ebullicin normal es 100 , primero necesitamos entender porqu los lquidos bullen. Debe quedar claro que se tiene la ebullicin de un lquido cuando la presin del vapor del gas que se escapa del lquido es igual a la presin ejercida en el lquido por sus alrededores, segn lo muestra la figura

Figure: Punto de ebullicin del agua en funcin de la presin de vapor

El punto de ebullicin normal del agua es 100 porque sta es la temperatura a la cual la presin del vapor del agua es 760 mmHg, o 1 atmsfera. Es decir que bajo condiciones normales, cuando la presin de la atmsfera es aproximadamente 760 mmHg, el agua tiene un punto de ebullicin de 100 . A 10,000 pies sobre nivel del mar, la presin de la atmsfera es solamente 526 mmHg. A esta presin el punto de ebullicin del agua ocurre a una temperatura de 90 .

Las ollas de presin se equipan con una vlvula que permite escapar al gas cuando la presin dentro de la olla excede un cierto valor fijo. Esta vlvula tiene comnmente un valor fijo de 15 psi, que significa que el vapor de agua dentro de la olla debe alcanzar una presin de 2 atmsferas antes de que pueda escaparse. Ya que el agua no alcanza una presin de vapor de 2 atmsferas hasta que alcanza la temperatura de 120 , la temperatura de ebullicin dentro del recipiente es de 120

Dilatacin en lquidos

Como la forma de un fluido no est definida, solamente tiene sentido hablar del cambio del volumen con la temperatura. La respuesta de los gases a los cambios de temperatura o de presin es muy notable, en tanto que el cambio en el volumen de un lquido, para cambios en la temperatura o la presin, es muy pequeo. representa el coeficiente de dilatacin volumtrica de un lquido,

[3.15]

Los lquidos se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatacin volumtrica unas diez veces mayor que la de los slidos.

Sin embargo, el lquido ms comn, el agua, no se comporta como los otros lquidos. En la figura F, se muestra la curva de dilatacin del agua. Se puede notar que, entre 0 y 4C el agua lquida se contrae al ser calentada, y se dilata por encima de los 4C, aunque no linealmente. Sin embargo, si la temperatura decrece de 4 a 0C, el agua se dilata en lugar de contraerse. Dicha dilatacin al decrecer la temperatura no se observa en ningn otro lquido comn; se ha observado en ciertas sustancias del tipo de la goma y en ciertos slidos cristalinos en intervalos de temperatura muy limitados, un fenmeno similar. La densidad del agua tiene un mximo a 4C, donde su valor* es de 1 000 kg/m3. A cualquier otra temperatura su densidad es menor. Este comportamiento del agua es la razn por la que en los lagos se congela primero la superficie, y es en definitiva lo que hace posible la vida subacutica.

figura 3.7

Esta propiedad es importante en la ingeniera, recordemos que los dos fluidos ms importantes para un ingeniero son el agua y el aire, el primero prcticamente incompresible y el segundo sensiblemente compresible.

Como el lquido carece de forma propia, solo puede tener sentido hablar de dilatacin cbica, pues sus dimensiones dependen del recipiente que lo contiene, observndose un ascenso del nivel del fluido debido a que en general, los lquidos se dilatan ms que los slidas y en particular, que el vidrio.-

En consecuencia. Para determinar la dilatacin absoluta o verdadera de un lquido se deber considerar la dilatacin que experimenta el recipiente que lo contiene. Si Vo es el volumen que ocupa el fluido a la temperatura de 0 C, es evidente que deber ser Vo o Vro, si se aumenta la temperatura en t C, el volumen verdadero del lquido a esa temperatura, ser:

Vt = Vo ( 1 + r.t ), volumen verdadero del lquido

Vrt = Vro ( 1 + r. t), volumen del recipiente dilatado

Vrt Vt = Vro.r. t = Vr, diferencia de volumen

Como el volumen aparente es menor que el volumen verdadero que ocupa el lquido debido a que el recipiente se ensancha al dilatarse, por lo tanto el nivel del liquido disminuye, el volumen verdadero del lquido a temperatura t ser la suma del volumen aparente medido mas el aumento del volumen que experimenta el recipiente.

Vt = Vot + Vr [3.16]

Si reemplazo en cada trmino de esta igualdad sus correspondiente expresiones equivalentes, tendremos:

Vo ( 1 + r.t ) = Vao ( 1 + a.t ) + Vro ( 1 + r.t )

Como los volmenes iniciales a 0 C son iguales al del recipiente Voo = Vao = Vro, simplificando Vo , la unidad y la temperatura, se tendr:

v = a + r [3.17]

o sea el coeficiente de dilatacin cbica absoluto o verdadero de un lquido es igual a la suma de los coeficientes aparente y del recipiente que lo contiene

Mtodo para determinar el valor de VAnteriormente concluimos que: Vt = Vo ( 1 + .t) , y considerando el volumen como la relacin de la masa sobre la densidad V = m / , reemplazando en la expresin anterior:

(m/)t = (m/)o(1 + .t) t = o/ (1 + .t) aplicando el principio fundamental de la hidrosttica:t. ht = o.ho = 1/t.( ho/ht 1 )

expresin que me permite calcular el coeficiente de dilatacin cbica de un liquido independientemente de la dilatacin del recipiente que lo contiene

DILATACIN DE LOS LQUIDOS

DILATACIN DE LO LQUIDOS: Si se calienta un recipiente lleno de un lquido, luego de un cierto tiempo se observa que el lquido se derrama, lo cual nos indica que el lquido se ha dilatado.

El recipiente slido tambin se ha dilatado, pero el derrame que se produce nos demuestra que los lquidos se dilatan ms que los slidos.

En general se puede decir que los lquidos se dilatan unas cien veces ms que los slidos.

Dilatacin aparente: En realidad, cuando se calienta el lquido contenido en un recipiente, tambin se dilata el recipiente, de modo que a la dilatacin que observamos es la dilatacin aparente del lquido.

Dilatacin verdadera: Es la suma de la dilatacin aparente ms la del recipiente.

hace 1 ao

DILATACIN DE LO LQUIDOS: Si se calienta un recipiente lleno de un lquido, luego de un cierto tiempo se observa que el lquido se derrama, lo cual nos indica que el lquido se ha dilatado.

El recipiente slido tambin se ha dilatado, pero el derrame que se produce nos demuestra que los lquidos se dilatan ms que los slidos.

En general se puede decir que los lquidos se dilatan unas cien veces ms que los slidos.

DILATACIN DE LOS LQUIDOSEn el caso de los lquidos, salvo casos excepcionales, hablaremos exclusivamente de dilatacin cbica, por cuanto, an en los tubos capilares de los termmetros, es necesario considerar que la dilatacin en el sentido transversal influye en la dilatacin lineal observada.Por otra parte, es prcticamente imposible independizar po completo la dilatacin del lquido de la experimentada por el recipiente que lo contiene, de tal modo que se hace necesario distinguir entre dilatacin aparente y dilatacin absoluta o verdadera del lquido.Dilatacin aparente es la dilatacin que se observa en el lquido, influenciada por la que experimenta el recipiente que lo contiene.Dilatacin absoluta es la dilatacin verdadera del lquido, que observaramos si el recipiente no se dilatara. Resulta evidente que la dilatacin absoluta de un lquido equivale a la dilatacin aparente observada ms la que experimenta el recipiente.O sea: D absoluta = D aparente + D recipiente Y como se trata, en cada caso, de dilatacin cbica, se tiene que el coeficiente de dilatacin absoluta del lquido es igual al coeficiente de dilatacin aparente ms del de dilatacin cbica del recipiente.Luego, basta determinar el coeficiente de dilatacin aparente, en la forma como se procedi para los slidos, para que s etenga el de dilatacin absoluta y, con ello, sea posible aplicar a los lquidos las mismas frmulas de dilatacin cbica que a los slidos.A continuacin se indican algunos coeficientes d edilatacin absoluta, expresados en (C)-1 Liquido coeficiente de dilatacin absoluta Alcohol 0,00112Mercurio 0,00018Petrleo 0,00096Agua 0,00021En cuanto a la significacin de estos coeficientes, ella puede darse, como la de cualquier coeficiente de dilatacin cbica en forma anloga a la indicada para los coeficientes de dilatacin lineal.DILATACIN DEL AGUA Estudiaremos aparte el caso del agua, dado que representa caractersticas que hacen de su dilatacin un caso muy especial.Se ha podido comprobar, haciendo mediciones experimentales, que el agua, al aumentar su temperatura entre 0C y 4C se contrae en lugar de dilatarse. Cuando la temperatura sube gradualmente, desde los 4C, el agua empieza a dilatarse con mayor regularidad.Este compartimiento extraordinario del agua, que algunos llaman anomala, tiene consecuencias tan importantes como las siguientes:a) el agua tiene su menor volumen y por consiguiente su mayor densidad a 4C. esto explica que para ciertas definiciones o experiencias se hable de agua destilada a 4C.b) la temperatura del agua en el fondo de los grandes ros, lagos y mares se mantiene siempre prxima a los 4C, lo que explica el normal desarrollo de la vida animal y vegetal en ellos en la pocas de los grandes fros, en que se produce la solidificacin del agua la solidificacin del agua desde la superficie slo hasta cierta profundidad muy relativa.El proceso de enfriamiento del agua hasta la solidificacin de la superficie es el siguiente: el agua de la superficie se enfra hasta los 4C y entonces baja hacia el fondo, por su mayo densidad, mientras otra ms clida ocupa su lugar. Con sta se produce lo mismo y luego con la que sigue y as sucesivamente hasta que toda la masa del lquido est a 4C. al continuar enfrindose, el agua de la superficie ya no baja, pues ahora aumenta de volumen y, por lo tanto, se hace menos densa y permanece en su lugar hasta su solidificacin. DILATACINLos efectos ms comunes que ocasionan las variaciones de temperatura en los cuerpos o sustancias, son los cambios de sus dimensiones y los cambios de fase. Nos referiremos a los cambios de dimensiones de los cuerpos sin que se produzcan cambios de fase.Llamamos dilatacin al cambio de dimensiones que experimentan los slidos, lquidos y gases cuando se vara la temperatura, permaneciendo la presin constante. La mayora de los sistemas aumentan sus dimensiones cuando se aumenta la temperatura.La experiencia demuestra que el coeficiente de dilatacin lineal depende de la temperatura. Se puede definir el coeficiente de dilatacin lineal medio t, como "el aumento que experimenta la unidad de longitud inicial, que se encuentra a una temperatura t cualquiera, cuando se aumenta en un grado dicha temperatura, por eso este coeficiente de dilatacin medio, depender del incremento de temperatura. El coeficiente de dilatacin lineal medio a una temperatura t , puede ser deducido a partir de la ecuacin (1) Donde:(ot = f(t) coeficiente de dilatacin o expansin lineal L = Lo + (ot. Lo.tCoeficiente de dilatacinSe denomina coeficiente de dilatacin al cociente que mide el cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo slido o un fluido dentro de un recipiente experimenta un cambio de temperatura experimentando una dilatacin trmica.Coeficientes de dilatacinDe forma general, durante una transferencia de calor, la energa que est almacenada en los enlaces intermoleculares entre 2 tomos cambia. Cuando la energa almacenada aumenta, tambin lo hace la longitud de estos enlaces. As, los slidos normalmente* se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse; este comportamiento de respuesta ante la temperatura se expresa mediante el coeficiente de dilatacin trmica (unidades: C-1):Aplicacin El conocimiento del coeficiente de dilatacin (lineal) adquiere una gran importancia tcnica en muchas reas del diseo industrial. Un buen ejemplo son los rieles del ferrocarril; estos van soldados unos con otros, por lo que pueden llegar a tener una longitud de varios centenares de metros. Si la temperatura aumenta mucho la va frrea se desplazara por efecto de la dilatacin, deformando completamente el trazado. Para evitar esto, se estira el carril artificialmente, tantos centmetros como si fuese una dilatacin natural y se corta el sobrante, para volver a soldarlo. A este proceso se le conoce como neutralizacin de tensiones.Para ello, cogeremos la temperatura media en la zona y le restaremos la que tengamos en ese momento en el carril; el resultado lo multiplicaremos por el coeficiente de dilatacin del acero y por la longitud de la va a neutralizar.DILATACIN EN LQUIDOSComo la forma de un fluido no est definida, solamente tiene sentido hablar del cambio del volumen con la temperatura. La respuesta de los gases a los cambios de temperatura o de presin es muy notable, en tanto que el cambio en el volumen de un lquido, para cambios en la temperatura o la presin, es muy pequeo. ( Representa el coeficiente de dilatacin volumtrica de un lquido, ( ( 1/V.((V((t) Los lquidos se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatacin volumtrica unas diez veces mayor que la de los slidos.Sin embargo, el lquido ms comn, el agua, no se comporta como los otros lquidos. En la figura F, se muestra la curva de dilatacin del agua. Se puede notar que, entre 0 y 4C el agua lquida se contrae al ser calentada, y se dilata por encima de los 4C, aunque no linealmente. Sin embargo, si la temperatura decrece de 4 a 0C, el agua se dilata en lugar de contraerse. Dicha dilatacin al decrecer la temperatura no se observa en ningn otro lquido comn; se ha observado en ciertas sustancias del tipo de la goma y en ciertos slidos cristalinos en intervalos de temperatura muy limitados, un fenmeno similar. La densidad del agua tiene un mximo a 4C, donde su valor* es de 1 000 kg/m3. A cualquier otra temperatura su densidad es menor. Este comportamiento del agua es la razn por la que en los lagos se congela primero la superficie, y es en definitiva lo que hace posible la vida subacutica.Los cambios de temperatura afectan el tamao de los cuerpos, pues la mayora de ellos se dilatan al calentarse y se contraen si se enfran. Los gases se dilatan mucho ms que los lquid

Presión de Vapor

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