Principios De Conservación De La Masa

República Bolivariana de Venezuela

Ministerio Del Poder Popular para la Educación Superior

Instituto Universitario Politécnico Santiago Mariño

Barcelona, febrero del 2013

Introducción

"En toda reacción química, la masa se conserva, esto es, la masa total de los reactivos es igual a la masa total de los productos". En otras palabras, la materia no se crea ni se destruye durante un proceso químico sino que sólo se reorganiza.

Este principio es el corazón de la Ley de Lavoisier y uno de los pilares del surgimiento de la ecuación química junto con la nomenclatura moderna de los compuestos químicos. Recibe su nombre de Antoine Laurent Lavoisier, un químico francés que sólo vivió 51 años entre 1743 y 1794 pero cuyo trabajo fue tan importante que aún perdura como base de la química moderna.

Pero no eran solo los químicos el interés de este hombre de ciencias que también se mostraba muy activo en asuntos públicos. Fue así que, combinando ambas pasiones, dio origen a la ley que lleva su nombre en ocasión de estudiar el proceso de combustión, uno de los grandes enigmas científicos de su época, para mejorar el mecanismo de alumbrado de las calles parisinas. A través de sus experiencias, llegó a la conclusión de que el peso no variaba al pesar metales como el estaño y el plomo antes y después de ser calentados en recipientes cerrados con una cantidad limitada de aire. El peso que el material había ganado se debía al oxígeno que contribuía a su calcinación.

Proceso de Flujo Permanente

En ingeniería un gran número de dispositivos tales como turbinas, compresores y toberas operan durante largos periodos durante las mismas condiciones y se clasifican como dispositivos de flujo permanente.

Los procesos que implican dispositivos de flujo permanente son representados por un proceso un poco idealizado denominado proceso de flujo permanente. Es un proceso de este tipo de propiedades del fluido cambian de un punto a otro dentro del volumen de control. Pero en cualquier punto fijo permanecerá en iguales condiciones durante todo el proceso.

Un proceso de flujo permanente se caracteriza por lo siguiente:

1. -Ninguna propiedad (intensiva o extensiva) dentro del volumen de control cambia con el tiempo. De modo que el volumen, la masa y el contenido de energía total del volumen de control permanecen constantes durante el proceso de flujo permanente. Como resultado el trabajo de la frontera es cero en sistemas de flujo permanente (puesto que VVC =constante) y la masa total o energía que entra al volumen de control debe ser igual a la masa total o energía que sale de él (puesto que mVC =constante y EVC =constante). Estas observaciones simplifican considerablemente el análisis.

2. -Ninguna propiedad cambia en la frontera del volumen de control con le tiempo. Así, las propiedades del fluido en una entrada y en una salida permanecerán iguales durante todo el proceso. No obstante, las propiedades pueden ser diferentes en distintas aberturas (entradas y salidas. Incluso varían por toda la sección transversal de una entrada y una salida. Pero todas las propiedades, incluso la velocidad y la elevación, deben permanecer constantes con el tiempo en una fija. La conclusión es que la relación de flujo de masa del fluido en una abertura permanece constante durante un proceso de flujo permanente.

3. -Las interacciones de calor y trabajo entre un sistema de flujo permanente y sus alrededores no cambian con el tiempo. De modo que la potencia liberada por un sistema y la relación de transferencia de calor hacia o de un sistema permanecen constantes durante un proceso de flujo permanente.

Debido a lo anterior en este tipo de procesos una cantidad importante es la relación del flujo de masa o de flujo másico.

Dispositivos de ingeniería de flujo permanente

Toberas:

Una tobera de rociada o boquilla pulverizadora es un dispositivo empleado para dividir un liquido en gotitas. Las aplicaciones de estas toberas son numerosas y variadas, y en consecuencia, se emplea un gran número de modelos. Todas las toberas de rociada pueden clasificarse en alguno de los tipos siguientes:

• Toberas de presión

• Toberas giratorias o rotativas

• Toberas atomizadoras por gas

o Toberas de Presión:

En las que el liquido esta a presión y se divide por su inherente estabilidad y su choque con la atmósfera, o bien por su choque con otro chorro o con una placa fija.

Las toberas de presión son e general relativamente sencillas, pequeñas y poco costosas y consumen por lo general menos potencia que otros tipos. Pueden emplearse con todos los líquidos que contengan una viscosidad menor que unos 300 a 500 seg. Saybolt y que no contengan partículas sólidas mayores que los pasajes de la tobera.

o Toberas de cono hueco:

Las toberas de presión tienen un campo de aplicación muy vasto y se encuentran en el comercio en una gran variedad de modelos y tamaños. La más común es la llamada de cono hueco y en ella se alimenta el líquido a una cámara por pasajes tangenciales o por una espiral fija, de modo que adquieran rápido movimiento de rotación. El orificio está colocado en el eje de la cámara de remolinos y el líquido sale en una lámina con forma de cono hueco que luego se divide en gotas. Dichas toberas se construyen con orificios de 0.5 mm (0.02'') a 51 mm (2'') de diámetro, con gastos de derrame correspondientes de 0.038 a más de 760 l/min. Los tamaños mayores se emplean para los estanques de enfriamiento, para lavar grava y arena, airear agua, etc., y suelen trabajar a presiones relativamente bajas. Las toberas más pequeñas se emplean para el secado por pulverización, los lavadores y los humidificadores de aire, los quemadores de petróleo, la absorción de gases, etc., y suelen funcionar con presiones algo más altas. Como en las toberas de presión la capacidad de una tobera dad es casi proporcional a la raíz cuadrada de la presión, salvo a presiones extremadamente altas a las cuales los rozamientos limitan la descarga o derrame. Las presiones de trabajo no suelen ser superiores a 21 kg. /cm.2, salvo en casos especiales, como la pulverización de leche, en la que se emplean presiones de 70 a 490 kg./cm2. Para un diseño dado de tobera, la descarga a presión constante es aproximadamente proporcional al área del orificio, aunque en este no corra el liquido llenándolo totalmente. La descarga o derrame no varía mucho con la viscosidad del fluido, hasta que esta sea mayor de 10 veces la del agua. El ángulo comprendido en el cono de rociada suele aumentar con la presión lentamente hasta un máximo y luego disminuye, pero depende en gran parte de las proporciones de la tobera. Una espiral con un paso corto, produce una rociada de cono ancho, mientras que inversamente, una espiral de paso grande da una de cono cerrado. El ángulo puede ser de 15 a 135 grados, pero no siempre resulta posible la obtención de toberas comerciales que nos den el ángulo deseado cuando la presión y el gasto de derrame son también fijos. Las toberas de cono cerrado tienden a la producción de un cono macizo más bien que uno hueco.

o Toberas de cono macizo:

Esta tobera es una modificación de la de cono hueco y se emplea cuando se desea abarcar por completo una superficie fija. Se emplea en ciertas aplicaciones de lavado, para enfriar y airear agua, y para otros fines en que resulte ventajosa la distribución especial más que uniforme. La división del líquido se debe en gran parte a este choque y a la turbulencia resultante. El fluido parece salir del orificio en forma de gotas mientras que en la de cono hueco suele observarse por lo general una lámina cónica corta que luego se rompe en gotitas fuera del orificio. Para obtener una distribución espacial uniforme es necesario diseñar la tobera de modo que exista una proporción adecuada entre la cantidad de líquido alimentado al chorro central, la cantidad del que se hace girar y el tamaño del orificio. Normalmente, es mayor la cantidad de liquido que se puede hacer girar que la del chorro axial. Puede conectarse una tubería independiente de alimentación para el chorro central, de modo que puedan mezclarse íntimamente dos líquidos o un líquido y un gas. Esto frecuentemente resulta útil en ciertas aplicaciones químicas.

El ángulo comprendido en el cono macizo es función del diseño de la boquilla y es casi independiente de la presión. Varias toberas comerciales de cono macizo producen conos con ángulos comprendidos que van de 30 a 100 grados. Con un diseño especial puede conseguirse una rociada de cono macizo sin chorro central con ángulo comprendido tan grande como 100 grados.

Las toberas de cono macizo no suelen encontrarse en el comercio en tamaños tan pequeños como las del cono hueco, pero los tamaños corrientes tienen gastos de derrame que van desde menos de 3.8 l/min. hasta varios centenares de litros por minuto.

o Toberas de abanico:

Un tercer modelo de tobera de presión es la llamada de abanico. Por medio de cortes fresados o canales en la cara posterior de la placa del orificio, y a veces de un orificio alargado, o por medio de dos chorros inclinados, se hace que el fluido salga en lamina de forma de abanico que luego se rompe en gotitas. Debido a la tensión superficial, los bordes de la lámina están por lo general limitados por corrientes macizas o cuernos, en particular en los tamaños más

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