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Un reporte de laboratorio sobre fenómenos de transporte, específicamente la práctica de difusión de un líquido volátil al ambiente. El objetivo fue determinar experimentalmente el valor numérico de la difusividad en los sistemas agua-aire y etanol-aire. Se realizaron mediciones de temperatura, humedad, altura del menisco y se calcularon flujos molares, presiones parciales y coeficientes de difusión. Los resultados muestran diferencias significativas en los coeficientes de difusión entre las fases líquida y gaseosa, debido a las interacciones moleculares. El documento también hace referencia a estudios previos sobre transferencia de masa en ingeniería de alimentos. En general, este reporte proporciona una comprensión detallada del fenómeno de difusión molecular y su importancia en los procesos productivos.
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Reporte de Laboratorio de fenómenos de transporte Práctica No. 6: Difusión de un líquido volátil al ambiente Marian Castro Tarin, 203978. Santiago Ocaña Lopez, 205208. Introducción. La difusión molecular es un mecanismo causado por el movimiento de las partículas individuales a través de una sustancia debido a su energía térmica (Salazar, 2004). La difusión molecular puede ocurrir en cualquiera de los 3 estados de agregación de la materia (siendo su mecanismo de transporte muy diferente en cada uno de ellos) como resultado de un gradiente de concentración, temperatura, presión, o de la aplicación a la mezcla de un potencial eléctrico. En un líquido sus moléculas están más próximas unas de otras que en los gases, y debido a esto, las fuerzas de atracción entre ellas tienen un efecto importante sobre la difusión (Rodríguez, 2017). La siguiente práctica tuvo como objetivo determinar experimentalmente el valor numérico de la difusividad en los sistemas agua-aire y etanol-aire del ambiente en el laboratorio. Metodología Se tomaron 2 probetas de 25 ml cada una y se vertió en una de ellas 15 ml de alcohol etílico. En otra probeta los 15 ml de agua destilada. Se midió el diámetro interno de cada una de las probetas. Se colocaron las probetas en un espacio abierto procurando evitar las corrientes de aire. Se midió la temperatura y humedad del medio ambiente así como la altura que existe entre el menisco del líquido y el borde superior de la probeta, durante un periodo de tiempo de 7 días sin contar días no hábiles. Por último, se estimó la masa de líquido que se ha evaporado en función de la diferencia de alturas, diámetro de la probeta y la densidad del líquido a la temperatura del experimento. Resultados y discusión. Los datos calculados y recopilados se representan en las siguientes tablas: Tabla 1. Datos recopilados de la práctica Tabla 2. Flujos molares calculados por día Tabla 3. presiones parciales calculadas por día. Tabla 4. Coeficientes de difusión calculados del alcohol y del agua por día. Los datos utilizados de área transversal, moles, la constante de las gases ideales R y las constantes de la ecuación de Antoine se presentan en la siguiente tabla:
Tabla 5. Datos teóricos utilizados para el cálculo de coeficientes. Tabla 6. Constantes para la ecuación de Antoine. Muestra de cálculos realizados: Etanol día 1: PM = 46.07 g/mol Volumen = 15 ml Tiempo = 86400 Temperatura = 27 °C = 300.15 °K Densidad = 0.789 g/ml S = 0.01767 m^ 𝑚 = (0. 789 𝑔 𝑚𝑙 )(15 𝑚𝑙) = 11. 835 𝑔 𝑛 = 11.835 𝑔 46.07 (^) 𝑚𝑜𝑙𝑔
𝑛 𝑇𝑆 =^ 0.2589 𝑚𝑜𝑙 (86400 𝑠)(0.01767 𝑚^2 )
𝑚𝑜𝑙 𝑠 * 𝑚^2 𝑃𝐴2 = 10 𝐴− (^) 𝑐+𝑡𝐵 = 10 8.1122− (^) 226.1844+27 °𝐶1592. = 𝑃𝐴2 = (66. 202 𝑚𝑚𝐻𝑔)(0. 00131579) 𝑃 𝐴
𝐴
𝑁𝐴𝑅𝑇𝑍 𝑃𝑡𝑙𝑛 𝑃𝑡−𝑃𝐴 𝑃𝑡−𝑃𝐴
(0.000168266)(8.314)(27 °𝐶)(0.105) (1 𝑎𝑡𝑚)𝑙𝑛( 1−0.08710790711−0.942892093 ) 𝐷𝐴𝐵 =
2.349470024 = 0. 001688066^ 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑠 Agua Día 1: PM = 18,01528 g/mol Volumen = 15 ml Tiempo = 86400 Temperatura = 27 °C = 300.15 °K Densidad = 0.997 g/ml S = 0.01767 m^
𝑔 𝑚𝑙 )(15 𝑚𝑙) = 14. 955 𝑔 𝑛 = 14.955 𝑔 18.01528 (^) 𝑚𝑜𝑙𝑔
𝑛 𝑇𝑆 =^ 0.830128646 𝑚𝑜𝑙 (86400 𝑠)(0.01767 𝑚^2 )
𝑚𝑜𝑙 𝑠 * 𝑚^2 𝑃 𝐴
𝐴− (^) 𝑐+𝑡𝐵 = 10 8.0713− (^) 233.426+27 °𝐶1730. = 𝑃𝐴2 = (41. 6168055 𝑚𝑚𝐻𝑔)(0. 00131579) 𝑃𝐴2 = 0. 05475898 𝑎𝑡𝑚 𝑃 𝐴
𝑁𝐴𝑅𝑇𝑍 𝑃𝑡𝑙𝑛 𝑃𝑡−𝑃𝐴 𝑃𝑡−𝑃𝐴
(0.00054374)(8.314)(27 °𝐶)(0.103) (1 𝑎𝑡𝑚)𝑙𝑛( 1−0.054758981−0.94524102 ) 𝐷𝐴𝐵 =
2.98882149 = 0. 004206319^ 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑠 Vargas (2008) menciona que el coeficiente de difusión depende de la presión de la temperatura y de la composición del sistema. Como es de esperar, de acuerdo con la movilidad de las moléculas, los coeficientes de difusión presentan diferencias significativas dependiendo de la fase en que tenga lugar este mecanismo de transporte. En el caso de la práctica, se trata de una fase líquida. Como cualquier propiedad depende fuertemente de la naturaleza de las interacciones moleculares que tienen lugar, por esta razón se encuentra una diferencia tan grande en los valores de coeficiente de difusión de una fase a otra. En el estudio realizado por el Instituto de Investigación de la Fipa, por título “Principios de la transferencia de Masa en la Ingeniería de Alimentos” es posible observar el manejo claro de las constantes utilizadas anteriormente para deducir la difusión molecular de un ácido orgánico en el aire. Algunas de las variables implicadas en el informe final se encuentran en la tabla 7.