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Materia y energía

Una de las tareas en las que utiliza más tiempo el ingeniero consiste en la acumulación de datos de las propiedades físicas, que son necesarias para estimar la velocidad de los procesos de transportes de cantidad de movimiento, transmisión de calor, transferencia de materia, cinética de las reacciones químicas, así como equilibrios físicos y químicos.

La cantidad de datos necesarios para el estudio de los procesos varía según la exactitud de los resultados que se desee y el tiempo disponible por el ingeniero. En ocasiones vasta conocer su presión de vapor, temperatura normal de ebullición, calor específico, etc. Para facilitar esto existen en un gran número de fuentes donde se pueden obtener "Equivalencias de la Conductividad Calorífica", por dar un ejemplo.

La masa es una variable dependiente fundamental de interés, y sus variables características se determinan fácilmente, ya que es común y evidente, como se de la masa total o la masa de un componente en particular. Por lo que no se hablara mucho de ella. En los problemas en que la energía es la variable dependiente fundamental, la selección de las variables características no se

hace tan rápidamente, por lo tanto, es necesario que la primero se estudiado las diversas clases de energía

Y considerar las variables características que se emplean para medir la energía de un sistema.

Conservación de la Masa

Una de las leyes de básicas de la física es la ley de la conservación de la masa. Esta expresa en forma simple que la masa no puede crearse ni destruirse solo transformarse, por consiguiente la masa total de todos los materiales que entran en un proceso debe ser igual a la masa total de todos los materiales que salen del mismo, más la masa de los materiales que se acumulan o permanecen en el proceso.

Entradas = Salidas + Acumulación

Expresado en otras palabras, “lo que entra debe de salir”. A este tipo de sistema se le llama proceso de estado estable.

Para resolver un problema de balance de materiales es aconsejable proceder mediante una serie de etapas definidas, tales como:

Trácese un diagrama simple del proceso. Este puede ser un diagrama de bloques que muestre simplemente la corriente de entrada con una flecha apuntando hacia dentro y la corriente de salida con una apuntando hacia fuera. Inclúyase en cada flecha composiciones, cantidades, temperaturas, y otros detalles de la corriente. Todos los datos pertinentes deben quedar incluidos en este diagrama.

Seleccione una base parapara el cálculo. En la mayoría de los casos, el problema concierne a la cantidad específica de una de las corrientes del proceso, que es la que se selecciona como base.

Procédase al balance de materiales. Las flechas hacia dentro del proceso significaran entradas y las que van hacia fuera salidas. El balance puede ser un balance total de materiales o un balance de cada componente presente (cuando no se verifican reacciones químicas).

Energía Interna

Como ya mencionamos la masa es una cantidad de la que se tiene conocimiento a partir de la experiencia diaria. De la energía es necesario identificar y definir las diferentes clases de está. Algunas clases de energía se conocieron a partir de los estudios de mecánica; la más común es la energía potencial (EP). La energía potencial pro unidad de masa (EP) de una sustancia puede expresarse fácilmente en función de variables que pueden medirse, dado que esta se define como el trabajo necesario para elevar cierta masa a determinada altura:

mgh EP=

La energía cinética (EC) es otro tipo de energía de la que se tiene un conocimiento razonable. Se define como el trabajo requerido para acelerar una masa constante a partir del reposo hasta una velocidad v. La energía cinética por unidad de masa (EC) puede expresarse como:

2 0 2 2 1 2 1 mv mV EC = _f −

Las unidades de cada una va a depender según la métrica que se esté usando, y se puede trabajar igualmente bien con unidades del sistema métrico que con otro.

Las energías cinética y potencial se definen según la cantidad de trabajo que debe efectuarse para que el material alcance determinada altura o cierta velocidad. La experiencia con el mundo físico indica que si se efectúa un trabajo sobre un sistema, se pueden determinar cambios bajo determinadas condiciones cuando las energías cinética y potencial permanecen constantes. Además deberá identificar otro tipo de cambio de energía que, de alguna manera, tenga relación con la temperatura y la presión del sistema. Tal energía se denomina Energía Interna del sistema. Al igual que con la energía cinética y la potencial, el cambio en un valor de la energía interna, depende solamente de los estados final e inicial de un sistema y no de los medios para lograrlo.

La razón física para definir la energía interna fue proporcionada por una serie de experimentos efectuados por Joule durante el siglo XIX. En estos experimentos, se mantenía agua perfectamente aislada en un tanque y se efectuaba un trabajo sobre el sistema. En el caso más conocido se sumergía una paleta en el agua y se le hacía girar mediante una serie de poleas accionadas por un determinado peso. El trabajo efectuado al caer el peso se podía calcular fácilmente. Se podía observar que la temperatura del agua se incrementaba como resultado del trabajo realizado. Otros experimentos en los que se usaron diferentes medios para efectuar el trabajo son:

Se efectuaba trabajo mecánico para comprimir un gas en un cilindro sumergido en un recipiente bien aislado, conteniendo agua.

Se efectuaba trabajo mecánico sobre dos piezas de hierro que se frotaba entre sí debajo de la superficie del agua se generaba una corriente eléctrica

mediante trabajo mecánico y se sumergía en agua una bobina que conducía la corriente.

En términos de termodinámica, tal sistema se denomina diabático, y se puede hacer el siguiente enunciado, basándose en los primeros experimentos que han sido verificados desde entonces frecuentemente:

El cambio de un cuerpo dentro de un ambiente adiabático a partir de un de un estado inicial determinado para llegar a un estado final, también determinado, comprende la misma cantidad de trabajo cualesquiera que sean los medios de desarrollo del proceso.

[

]

w=− −

U es la energía interna, el subíndice A indica el estado inicial y B el estado final. Por convención w es el trabajo efectuado por el sistema. Si el sistema efectúa el trabajo, entonces U final es menor que U inicial y w es positivo (Para las unidades una caloría es igual a 4.184 joules).

A partir de los experimentos iniciales se sabe que el trabajo es una forma de transferencia de energía. Pero la experiencia indica que también se puede elevar la temperatura de un cuerpo si se pone dicho cuerpo en contacto con otro de mayor temperatura. Por lo tanto, deberá postular se otra forma de transferencia de energía diferente a la del trabajo, que se denomina calor y se presenta por el símbolo q. (El tipo negrita es para distinguir el símbolo de calor del de velocidad de flujo volumétrico). Si se efectúa un experimento planeado, y se considera un proceso intermitente donde un cuerpo absorbe calor y efectúa trabajo, entonces, el cambio de energía interna puede expresarse según se indica:

w q U

U_B − _A = −

Esta ecuación es la representación simbólica de la primera ley de la termodinámica y establece el cambio de la energía interna, U, de un sistema intermitente es la suma algebraica del calor y de los efectos del trabajo (“En cualquier proceso termodinámico, un sistema es igual a la suma del equivalente térmico del trabajo realizado por el sistema y el cambio de la energía interna del mismo”). El sistema intermitente deberá estar perfectamente aislado, de tal manera que no haya transferencia de calor hacia fuera del sistema, ni desde afuera hacia él.

Ley de la conservación de la energía calorífica: “Cuando se unen dos cuerpos o más con diferentes temperaturas hay entre ellos un intercambio de energía en forma de calor hasta que llega a una temperatura de equilibrio. El calor total cedido por los cuerpos es igual al calor total absorbido por los otros.”

El diseño experimental

Es una técnica estadística que permite identificar y cuantificar las causas de un efecto dentro de un estudio experimental. En un diseño experimental se manipulan deliberadamente una o más variables, vinculadas a las causas, para medir el efecto que tienen en otra variable de interés. El diseño experimental prescribe una serie de pautas relativas qué variables hay que manipular, de qué manera, cuántas veces hay que repetir el experimento y en qué orden para poder establecer con un grado de confianza predefinido la necesidad de una presunta relación de causa-efecto.

El diseño experimental encuentra aplicaciones en la industria, la agricultura, la mercadotecnia, la medicina, las ciencias de la conducta, etc. constituyendo una fase esencial en el desarrollo de un estudio experimental.

Ronald Fisher es considerado el padre del diseño experimental en sus estudios de agronomía en el primer tercio del siglo XX. A la lista de los pioneros de su uso hay que añadir los de Frank Yates, W.G. Cochran y G.E.P. Box. Muchas de las aplicaciones originarias del diseño experimental estuvieron relacionadas con la agricultura y la biología, disciplinas de las que procede parte de la terminología propia de dicha técnica del pico.

Las aplicaciones a la industria textil comenzaron en la década de 1930 en Inglaterra y se popularizaron y extendieron a las industrias química y manufacturera de Europa y EE. UU. tras la II Guerra Mundial. Es de notar su uso actual en la industria de la electrónica y los semiconductores.

Descripción de la evaporación

La velocidad de evaporación de un solvente es una de las dudas más comunes y más difíciles de resolver por los restauradores y químicos. Esta velocidad de evaporación depende de un gran número de factores a veces contradictorios entre sí.

Presión o tensión de vapor de saturación

Un líquido ubicado en un recipiente abierto o extendido en una superficie, se evapora progresivamente hasta que todas las moléculas en estado líquido hallan pasado al estado vapor.

Si se cierra herméticamente el recipiente, se establece un equilibrio entre el líquido y su vapor. Después de cierto tiempo, el vapor alcanza una presión característica para cada líquido a una temperatura determinada: Es la presión de vapor de saturación, que corresponde al número de moléculas que pasa

del estado vapor al estado líquido e inversamente se equilibran para mantener esta presión constante a temperatura determinada.

Mientras más elevada es la presión de vapor de saturación, más moléculas en estado de vapor existirán en un recipiente cerrado. En un recipiente abierto, el líquido se evaporará por lo tanto mucho más rápido.

Ebullición

La presión (o tensión) de vapor aumenta con la temperatura.

Así la temperatura de ebullición de un líquido corresponde al valor de la tensión de vapor, que es igual a la presión exterior sobre este líquido, cual sea el valor de esta presión.

La ebullición es en efecto, una forma particular de evaporación que se produce en el interior de un líquido.

Figura Nº7 Ebullición

Tenemos una burbuja de aire a profundidad h dentro de un líquido. Esta burbuja existe porque la presión existente al interior compensa la presión exterior, cuya parte más importante es la presión atmosférica H.

Cuando se calienta, la presión al interior de la burbuja aumenta. En el momento donde alcanza el valor de la presión atmosférica, sube a la superficie donde revienta suficiente aire para que así se formen otras burbujas: Es la ebullición.

CAPÍTULO III METODOLOGÍA

3.1 Aspectos metodológicos del estudio

El estudio se realizará en dos etapas la primera será la obtención del colorante de la col morada y caracterizar o identificar su naturaleza y la segunda etapa comprenderá la aplicación del mismo en un alimento lácteo, en un yogurt, y posterior evaluación de su estabilidad mediante cataciones en base a un plan de encuestas pre-establecidas.