BALANCE MÁSICO Y ENERGÉTICO DE PROBLEMAS AMBIENTALES

Transcripción

1 BALANCE MÁSICO Y ENERGÉTICO DE PROBLEMAS AMBIENTALES Cálculos en Ingeniería, procesos y variables de procesos. Temperatura y presión

2 Temperatura y presión La presión se define como la cantidad d fuerza que es ejercida sobre una unidad de área de alguna sustancia. En el siglo XVIII Blas Pascal, científico francés describió dos principios importantes acerca de la presión (leyes de Pascal); El primer principio advierte que la presión es capaz de actuar en todas las direcciones de un volumen pequeño de fluido de forma uniforme, por otro lado, El segundo principio enuncia que un fluido confinado por fronteras sólidas, donde la presión actúa de manera perpendicular a la pared, en la figura 1 se ilustran estos dos principios Cuando se conoce la cantidad de fuerza que se ejerce sobre un área dada, es posible calcular la magnitud de la presión del fluido, utilizando la presión que representa la segunda ley de Pascal. P = F A

3 Figura 1. Representación de la presión actuando sobre un volumen pequeño de fluido de manera uniforme y por todas las paredes (a) y dirección de la presión del fluido sobre las fronteras (b) (a) (b) Fuente: Mott, (2006)

4 La presión, al igual que la temperatura, se pueden expresar en escalas absolutas o relativas, los instrumentos que miden la presión absoluta o relativa solo depende de la naturaleza de este, Por ejemplo, un manómetro de extremo abierto (fig 2) mide la presión relativa (presión manométrica) debido a que la diferencia es la presión de la atmosfera sobre el extremo abierto del manómetro. Sin embargo si se cierra el extremo de este manómetro (figura 2), y se crea un vacío en el extremo de este, estaremos midiendo contra un vacío perfecto, o contra ausencia de presión, a esta medición se le conoce como Presión absoluta, debido a que la presión absoluta se basa en un vacío perfecto, es decir, un punto de referencia que no cambia con el lugar, la temperatura, el clima u otros factores, la presión absoluta establece un valor preciso e invariable que se puede fácilmente identificar, de esta manera el punto cero de una escala de presión absoluta corresponde a un vacío perfecto, mientras que el punto cero de una escala de presión relativa por lo general corresponde a la presión del aire que nos rodea en todo momento.

5 Figura 2: Manómetro de extremo abierto y extremo cerrado Fuente: Mott, (2006)

6 Si se realiza una medición con una columna de mercurio como se ilustra en la figura 3, con el recipiente abierto a la atmosfera, el dispositivo se llama barómetro, y la lectura de la presión atmosférica recibe el nombre de presión barométrica. Figura 3: Barómetro: Fuente: Mott, (2006)

7 En todos los dispositivos para medir la presión representados en las figuras 2 y 3, el fluido esta en equilibrio; es decir, se alcanza un estado de balance hidrostático en el que el fluido del manómetro se estabiliza, y la presión ejercida sobre el fondo del tubo en U en la parte del tubo abierta a la atmosfera o al vacío contrarresta exactamente la presión ejercida sobre el fondo del tubo en U en la parte del tubo conectada al tanque de N2. El agua y el mercurio son fluidos indicadores que se usan comúnmente en los manómetros, de modo que las lecturas se pueden expresar en centímetros o pulgadas de agua, centímetros o pulgadas de mercurio, etc. Otro de los instrumentos comunes para la medición de presiones es el manómetro de Bourdon, que normalmente (pero no siempre) indica una presión en cero cuando se encuentra abierto a la atmosfera. El elemento sensor de presión del manómetro de Bourdon es un tubo metálico delgado con sección transversal elíptica cerrado en un extremo y doblado para formar un arco. De tal forma que a medida que se incrementa la presión en el extremo abierto del tubo, este trata de enderezarse, y su movimiento se convierte por medio de engranes y palancas el movimiento de un puntero sobre una caratula.

8 En cuanto a las unidades de presión, debemos tener presente tres sistemas comunes: libras (fuerza) por pulgada cuadrada (psi), pulgadas de mercurio (pulg Hg) y pascales. Las libras por pulgada cuadrada absolutas normalmente se abrevian psia, en tanto que psig se refiere a libras por pulgada cuadrada manométricas, dos unidades que usualmente son utilizadas para expresar la presión; en el caso de las demás unidades, se debe tener cuidado de especificar claramente si son manométricas o absolutas. Hay otros sistemas para expresar la presión; entre los sistemas de uso más comunes esta: Milímetros de mercurio (mmhg) Pies de agua (ft H 2 O) Atmosferas (atm) Bares (bar) : 100kpa= 1bar Kilogramos (fuerza) por centímetro cuadrado (Kg.f/cm 2 ), una medida común pero teóricamente prohibida en el SI.

9 Es importante tener en cuenta que no se debe confundir la atmosfera estándar con la presión atmosférica. La atmosfera estándar se define como la presión equivalente a 1 atm o 760 mmhg a 0 C u otro valor equivalente, en tanto que la presión atmosférica es variable y debe obtenerse de un barómetro cada vez que se necesita. Es posible que la atmosfera estándar no sea igual a la presión barométrica en ningún lugar del mundo, excepto quizá al nivel del mar en ciertos días, pero esto resulta extremadamente útil para realizar cualquier tipo de conversión de cualquier sistema de presión a otro.

10 La temperatura La temperatura tiene varios significados, en general se define como una propiedad de la materia que se relaciona con cualquier sensación de calor o frio, cuando se toca un cuerpo que está a menor temperatura que el mismo se experimenta una sensación de frio y lo contrario de calor, sin embargo aunque los términos puedan tener una estrecha relación, no se debe confundir la temperatura con el calor. Cuando dos cuerpos son encontrados a distinta temperatura, y estos son puestos en contacto, se produce una transferencia de energía, en forma de calor, desde el cuerpo caliente al frio, esto se presenta hasta que la temperatura de ambos cuerpos sea igual, de hecho, la temperatura es una propiedad física que determina la dirección del flujo del calor.

11 Las escalas de temperatura que se utilizan por lo general en estudios científicos son Celsius y Kelvin. La escala Celsius también es la escala cotidiana de temperatura en la mayoría de los países del mundo, originalmente este se basó en la asignación de 0 C al punto de congelación del agua y de 100 C a su punto de ebullición en el nivel del mar. La escala Kelvin es la escala de temperatura del sistema internacional, con el tiempo la escala Kelvin se basó en las propiedades de los gases, en esta escala el cero es la temperatura más baja que puede alcanzarme, C, una temperatura a la que se le llama el cero absoluto. Tanto al escala Celsius como la escala Kelvin tiene unidades del mismo tamaño, es decir, un Kelvin tienen el mismo tamaño que un grado Celsius. De esta manera las escalas Celsius y Kelvin se relacionan de la siguiente manera: K = C

12 El punto de congelación del agua, 0 C es K, sin dejarlo a un lado, la escálala común de temperatura en Estados Unidos es la escala Fahrenheit, la cual no es utilizada generalmente en estudios científicos, sin embargo, en esta escala el agua se congela a 32 F, y hierve a 212 F, de esta manera la escala Celsius y Fahrenheit se relacionan de la siguiente manera: C = 5/9 ( F -32) o F= 9/5 ( C) + 32 Es por ello que cualquier tipo de proceso térmico se puede expresar a cualquier escala de temperatura, según como sea necesario. Por ejemplo el punto de congelación y de ebullición del agua, así como la temperatura normal del cuerpo humano se puede expresar en cada una de las escalas así:

13 Figura 4: Punto de ebullición y congelación para tres escalas diferentes de temperatura Fuente. Brown, (2009) Para profundizar en el tema de temperatura siga este enlace.

14 Fuentes Documentales Asimov, I. (2006). Breve historia de la química. Madrid, Alianza Editorial. Brown, T. (2004). Química, la ciencia central. México D. F., Pearson Educación. Chang, R. (2010). Química. México D. F., McGraw Hill. Mott, R. L. (2006). Mecánica de fluidos. Pearson Educacion.