Los fenómenos de transporte: transferencias de cantidad de movimiento, calor y masa.

La mayoría de las operaciones o procesos unitarios de la industria tales como la destilación, extracción, evaporación, cristalización entre otros; están basados en fenómenos naturales relacionados con los transportes de calor, masa y cantidad de movimiento. Por lo tanto, para entender las operaciones unitarias se debe conocer sobre los tres fenómenos de transporte. En la transferencia de fluidos, se estudia el transporte de cantidad de movimiento; en la transferencia de calor, se estudia el transporte de energía; y en la transferencia de masa, se aprende sobre el transporte de materia de varias especies químicas. En la mayoría de las operaciones unitarias las tres transferencias pueden ocurrir simultáneamente; la más lenta de las tres es considerada la controlante.

De forma general, los fenómenos de transporte hacen referencia a la velocidad en que una cantidad de alguna de las propiedades extensivas – calor, masa y cantidad de movimiento – se transfiere por unidad de tiempo y de superficie. Este movimiento se produce debido a un gradiente de la concentración de la propiedad extensiva donde el sistema tenderá de manera natural a equilibrarse y tanto calor, masa y cantidad de movimiento irán del lugar de mayor concentración al de menor concentración. También ocurrirá transporte de las propiedades extensivas si el medio en el que se encuentran está en movimiento, este movimiento se realiza independientemente a que exista o no un gradiente de concentración. Los transportes pueden trabajar en régimen laminar – transporte molecular, lento y ordenado o régimen turbulento, rápido y caótico.

Los tres fenómenos de transporte están relacionados y existen analogías entre ellos; sin embargo, se debe considerar que las analogías no son perfectas debido a dos causas: 1) la concentración de la cantidad de movimiento es una magnitud vectorial a diferencia de las concentraciones de calor y masa que son escalares y 2) El transporte de materia necesita de al menos dos componentes, a diferencia de los otros dos transportes que pueden producirse en un sistema de un solo componente.

Mecánica de fluidos, transferencia de fluidos hace referencia al transporte de cantidad de movimiento de un punto a otro. El fluido puede ser newtoniano si su viscosidad (resistencia a fluir) permanece constante a una presión y temperatura dada y no newtoniano si su viscosidad varía con la temperatura y con la tensión cortante que se le aplica. El movimiento se transfiere de dos maneras, de forma viscosa cuando la transferencia es perpendicular al movimiento del fluido y de forma cinética si la transferencia es paralela al movimiento del fluido.

Transferencia de calor hace referencia al transporte de calor de un punto a otro hasta que los cuerpos y su entorno alcancen el equilibrio térmico. El mecanismo de transferencia de calor a escala atómica se produce debido a los choques entre moléculas, dónde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas. La transferencia de calor siempre ocurre desde un cuerpo más caliente a uno más frío, como resultado de la Segunda Ley de la Termodinámica. La transferencia de calor se da por conducción, convección o radiación. La conducción se produce únicamente entre sólidos y sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del medio conductor. La convección se da por el intercambio de moléculas frías y calientes; se produce únicamente en líquidos y gases ya que sus átomos y moléculas son libres de moverse en el medio. La convección puede ser natural debido a la diferencia de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es forzada al movimiento. La radiación es independiente de la materia para su propagación; se debe a la energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, esta se produce directamente desde la fuente hacia afuera en todas las direcciones. La transferencia de calor ocurre en operaciones unitarias como la destilación, evaporación y secado.

La transferencia de masa se da por la propensión de uno o más componentes de una mezcla al trasladarse desde la zona de mayor concentración hacia la zona de menor concentración. La transferencia cesa cuando se llega al equilibrio entre las fases debido a que ya no existe la fuerza impulsora. Este transporte puede ocurrir por difusión debido, generalmente, a un gradiente de concentración – másico (densidad o fracción másica) o molar (concentración o fracción molar) – que actúa como fuerza impulsora. También puede ocurrir por convección debido al movimiento del fluido. La transferencia de masa se da en operaciones unitarias como la destilación, absorción, evaporación, secado, lixiviación, filtración por membrana, etc. (I)