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INSTITUTO TECNOLOGICO DE CIUDAD MADERO
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y BIOQUIMICA
LABORATORIO INTEGRAL 1
PRACTICA No. 11 EQUIPO: JUEVES C
DIFUSIVIDAD EN VASOS
INTEGRANTES/NO. CONTROL:
- HERNANDEZ ARELLANO LIZETH
- PALACIOS BENAVIDES GLORIA YARITZI
- PARDO GONZALEZ FATIMA JAQUELINE
REALIZACION: 26/05/
REPORTADA: 03/05/
Índice
- Objetivo……………………………………………………………………………..
- Teoría y desarrollo matemático……………………………………………………..
- 2.1 Difusión molecular………………………………………………………………
- 2.2 Difusión térmica ……..………………….……………………………………....
- 2.3 Difusión en gases ....……………. ………………………………………………
- Material y equipo empleado……………………………………………………….
- Procedimiento empleado…………………………………………………………..
- Datos experimentales……………………………………………………………...
- Resultados…………………………………………………………………………
- Gráficas.…………….……………………………………………………………..
- Discusión de resultados………………………………………………………........
- Comentarios……………………………………………………………………….
- 10.Cuestionario……………………………………………………………………….
- 10.1 ¿Cuándo se utiliza la ley de Fick?..…………………………………………….
- 10.2 ¿Cómo afecta la presión en la difusividad? ……………………………………
- 11.Bibliografía………………………………………………………………………..
- Apéndices…………………………………………………………………............
Medio: con más moléculas, hay una clara tendencia a que el soluto llene el recipiente de manera más y más uniforme. Parte inferior: con una enorme cantidad de moléculas de soluto, desaparece toda la aleatoriedad: el soluto parece moverse sin problemas y sistemáticamente desde áreas de alta concentración a áreas de baja concentración, siguiendo las leyes de Fick.
¿Cuáles son las aplicaciones de difusión molecular?
La difusión es de importancia fundamental en muchas disciplinas de la física, la química y la biología. Algunos ejemplos de aplicaciones de difusión:
- Sinterización para producir materiales sólidos (pulvimetalurgia, producción de cerámica).
- Diseño de reactor químico,
- Diseño de catalizadores en la industria química.
- El acero se puede difundir (por ejemplo, con carbono o nitrógeno) para modificar sus propiedades.
- Dopaje durante la producción de semiconductores. Biología
- En biología celular, la difusión es una forma principal de transporte para los materiales necesarios, como los aminoácidos dentro de las células.^1 La difusión de disolventes, como el agua, a través de una membrana semipermeable se clasifica como ósmosis.
- El metabolismo y la respiración dependen en parte de la difusión, además de los procesos activos o en masa. Por ejemplo, en los alvéolos de los pulmones de los mamíferos, debido a las diferencias en las presiones parciales en la membrana alveolar-capilar, el oxígeno se difunde en la sangre y el dióxido de carbono se difunde. Los pulmones contienen una gran área de superficie para facilitar este proceso de intercambio de gases. Representación esquemátca de la mezcla de dos sustancias por difusión.
Difusión del trazador, autodifusión y difusión química
Autodifusión, ejemplificada con un trazador isotópico de isótopo radioactivo Ejemplo de difusión química (clásica, de Fick o Fickian) de cloruro de sodio en agua Fundamentalmente, se distinguen dos tipos de difusión:
- Difusión del trazador y autodifusión , que es una mezcla espontánea de moléculas que tiene lugar en ausencia del gradiente de concentración (o potencial químico). Este tipo de difusión se puede seguir utilizando marcadores isotópicos, de ahí el nombre. Se suele suponer que la difusión del marcador es idéntica a la autodifusión (suponiendo que no hay un efecto isotópico significativo). Esta difusión puede tener lugar en equilibrio. Un método excelente para la medición de los coeficientes de autodifusión es el gradiente de campo pulsado (PFG) RMN, donde no se necesitan trazadores isotópicos. En un llamado experimento de resonancia magnética por eco RMN, esta técnica utiliza la fase de precesión de centrifugado nuclear, lo que permite distinguir especies química y físicamente completamente idénticas, por ejemplo, en la fase líquida, como por ejemplo las moléculas de agua dentro del agua líquida. El coeficiente de autodifusión del agua se ha determinado experimentalmente con alta precisión y, por lo tanto, sirve a menudo como valor de referencia para las mediciones en otros líquidos. El coeficiente de autodifusión del agua pura es: 2.299 · 10−9 m² · s−1 a 25 °C y 1.261 · 10 −9 m² · s−1 a 4 °C.
- La difusión química se produce en presencia de un gradiente de concentración (o potencial químico) y da como resultado un transporte neto de masa. Este es el proceso descrito por la ecuación de difusión. Esta difusión es siempre un proceso de no equilibrio, aumenta la entropía del sistema y acerca el sistema al equilibrio. Los coeficientes de difusión para estos dos tipos de difusión son generalmente diferentes porque el coeficiente de difusión para la difusión química es binario e incluye los efectos debidos a la correlación del movimiento de las diferentes especies de difusión.
- El coeficiente de difusión D en la ecuación de difusión de partículas se vuelve dependiente de la concentración. Para una interacción atractiva entre partículas, el coeficiente de difusión tiende a disminuir a medida que aumenta la concentración. Para una interacción repulsiva entre partículas, el coeficiente de difusión tiende a aumentar a medida que aumenta la concentración.
- En el caso de una interacción atractiva entre partículas, las partículas exhiben una tendencia a unirse y formar agrupaciones si su concentración se encuentra por encima de un cierto umbral. Esto es equivalente a una reacción química de precipitación (y si las partículas en difusión consideradas son moléculas químicas en solución, entonces es una precipitación).
2.2 Difusividad Térmica
La difusividad térmica, en los problemas de transferencia de calor, es el valor obtenido al dividir la conductividad térmica de un cierto material dividida entre el producto del valor de su densidad y la capacidad calorífica específica del mismo. En unidades del sistema internacional se expresa como m²/s, siendo habitual emplear el cm²/s. Es un índice que expresa la velocidad de cambio, y flujo de temperaturas, en un material hasta que alcanza el equilibrio térmico. Es por esta razón que un material A, con difusividad térmica mayor que otro B, alcance el equilibrio en menor tiempo. La difusividad térmica es igualmente un parámetro que indica la relación entre la conducción del material respecto al calor que almacena, interpretándose sobre que tanto domina el fenómeno conductivo sobre el de almacenamiento. La difusividad térmica mide la velocidad a la que la temperatura cambia dentro de una sustancia. Dicho de otra forma, es la tasa de cambio con que un material aumenta de temperatura, al ser puesto en contacto con una fuente de calor.
Nombre Unidad Difusividad térmica m^2 / s Conductividad térmica W / (m K) Densidad kg / m^3 Calor específico a presión constante J / (kg K) O dicho de otra forma, la difusividad térmica es directamente proporcional a la conductividad térmica de un material, e inversamente proporcional a su densidad y calor específico. El denominador (producto de la densidad por la capacidad calorífica) puede ser considerado como la capacidad calorífica volumétrica. Por regla general los metales tienen un coeficiente de difusión térmica mucho mayor que los materiales aislantes. De igual forma los gases poseen una difusión térmica casi nula por su baja conductividad, pese a su escasa densidad. En cierta forma es una medida de la inercia térmica de un material. En un material con alta difusividad térmica el calor se propaga con rapidez y los cambios de temperatura se producen con dinámica elevada. Es por esta razón por la que aparece en uno de los términos de la ecuación del calor.
¿Cuál es su medida?
Se suele averiguar el cociente de la difusividad térmica mediante la técnica de Flash Láser (LFA). Uno de los métodos más clásicos consistía en calentar un hilo y comprobar la tasa de cambio de temperatura, y mediante la ecuación del calor comprobar el valor. Este método aparece en la literatura como el método del hilo caliente. Variantes del método empleando planchas calientes, en lugar de hilos, se popularizó en los años 80. El método más empleado actualmente en la industria es la técnica de Flash Láser (LFA), y consiste en la medida de cambio de temperatura en un material (generalmente una muestra cilíndrica) al ser expuesto a un pulso láser de gran intensidad.
3. Material y equipo empleado
- 4 vasos de precipitados con diferentes diámetros.
- Calibre vernier.
- Báscula.
- Éter dietilico anhidro.
4. Procedimiento empleado
- Tomar el diámetro de los 4 vasos de precipitado con el vernier.
- Llenar cada vaso con al menos 2/3 de ETER DIETILICO ANHIDRO.
- Medir la temperatura del líquido.
- Pesar cada vaso de precipitado en la balanza analítica.
- Dejar evaporar la sustancia durante 20 minutos.
- Tomar nuevamente los pesos de cada vaso de precipitado.
- Realizar los cálculos y obtener la difusividad de cada uno de los vasos de precipitado.
5. Datos experimentales
Vaso (ml) m (gr) m (gr)
D
(cm) 100 86 79.6 4. 50 53 51.2 4 25 36 32.6 3 10 16 14.1 2. Constantes de Antoine para el tetracloruro de carbono A=14.0572 B= 2914.23 .C= 232.
6. Resultados
𝑫𝒂−𝒃𝑷𝒓𝒐𝒎𝒆𝒅𝒊𝒐 𝑫𝒂−𝒃𝑻𝒆𝒐𝒓𝒊𝒄𝒂 %Error
- 6225 × 10 −^6 𝑚^2 𝑠
- 98701 × 10 −^6 𝑚^2 𝑠
7. Graficas
Gráfica 7.1 Dab Promedio contra Dab Teórica
8. Discusion de resultados
Con los resultados obtenidos en esta práctica notamos que se comprueba la relación entre el área con la difusividad de la sustancia que se trabajó en esta práctica que es CCl4. En la gráfica 1 podemos observar la comparativa entre la difusividad promedio y la teórica con valores 8.6225X10-6 m^2 /s y 7.9801X10-6 m^2 /s, respectivamente, donde la Dab promedio es mayor que la teórica obteniendo un error de 7.96%. Con esto podemos concluir que mientras que el área sea mayor tendremos menor flujo molar.
9. Comentarios
A pesar de ser una práctica virtual, en base del apoyo del video visto en clase y las exposiciones de nuestros compañeros, notamos de manera más clara la diferencia que hay entre la difusividad de un líquido con la difusividad de un vapor. Si el reactivo se encuentra a temperatura ambiente la difusividad será más notoria, y otro de los factores que también influyen son los diámetros de los vasos sea diferentes, también tendrán una difusividad distinta respectivamente.
7.60E- 7.80E- 8.00E- 8.20E- 8.40E- 8.60E- 8.80E-
Dab Promedio Vs Dab Teórica
Dab Prom Dab Teorica
Los modelos dependen de la presión a la que se encuentra el gas. La determinación del coeficiente de difusión es esencial para una descripción creíble del proceso de trasferencia de masa el cual se describe en la Ley de Fick (Vasić, Grbavčić, & Radojević, 2012). Este coeficiente es función de la temperatura y presión, como lo son otros términos de trasferencia (Wilson, 2016). La difusión en la fase líquida posee un movimiento atómico más lento en comparación al descrito por la fase gaseosa. En la fase sólida, los movimientos descritos están restringidos, debido a los enlaces atómicos (Duque, 2016). Uno de los mecanismos principales de la difusión atómica es el mecanismo por vacancia. En esté, si hay la suficiente energía de activación, los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra. A medida que aumenta la temperatura, se produce más vacancia y habrá más energía térmica disponible, por lo tanto la velocidad de difusión aumenta (Feliú Jarpa, 2015; A. Fritz & Mario, 2012; Jones, 2010; Voisin, 2010).
11. Bibliografias
- Bird, R., Stewart, W. and Lightfoot, E., n.d. Fenómenos de transportes. 1st ed. Barcelona, España: John Wiley Et Sons., pp. https://fenomenosdetransporte.files.wordpress.com/2008/05/bird.pdf. Pág: 551,555,556.
- https://es.slideshare.net/josebarboza032/eric-brito?next_slideshow=
- http://repobib.ubiobio.cl/jspui/bitstream/123456789/3457/1/Besnier_Besnier_Marianne _Evelyn_Andrea.pdf
- Difusividad Térmica. (s/f). NETZSCH - Analysing and testing. Leading Thermal analysis, rheology and firetesting. Recuperado el 20 de mayo de 2022, de https://analyzing-testing.netzsch.com/es/training-know-how/glosario/difusividadtermica
12. Apéndice
Datos experimentales
Temperatura ambiente = 25 Presión = 101.7 kPa Tiempo = 1200 s Densidad: 0. 𝑔 𝑐𝑚^3
Cálculos
𝑨− 𝑩
𝑻+𝑪 = 𝒆𝟐.𝟕𝟐𝟒𝟑−^ = 𝟏𝟓, 𝟐𝟒𝟔 𝑲𝒑𝒂
Calcular área de contacto:
= 15. 9043 𝑐𝑚^2 = 0. 00159043 𝑚^2
= 12. 5664 𝑐𝑚^2 = 0. 00125664 𝑚^2
= 7. 0686 𝑐𝑚^2 = 0. 00070686 𝑚^2
= 3. 9761 𝑐𝑚^2 = 0. 00039761 𝑚^2
Vaso (ml) m (g) m (g)
D
(cm) ∆m (g) 100 86 79.6 4.5 6. 50 53 51.2 4 1. 25 36 32.6 3 3. 10 16 14.1 2.25 1.
𝐷𝑎𝑏 3 =
- 60587 × 10 −^5 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑚^2 𝑠 ∗ 8. 314472 𝑘𝑃𝑎. 𝑚^3 𝑘𝑚𝑜𝑙. 𝐾 ∗^298.^15 𝐾^ ∗^ (^0.^00303 𝑚)
- 7 𝐾𝑝𝑎 + ln (
- 7 𝐾𝑝𝑎
- 454 𝐾𝑝𝑎) = 9. 4103 × 10 −^6 𝑚^2 𝑠 𝐷𝑎𝑏 1 =
- 5884 × 10 −^5 𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑚^2 𝑠 ∗ 8. 314472 𝑘𝑃𝑎. 𝑚^3 𝑘𝑚𝑜𝑙. 𝐾 ∗^298.^15 𝐾^ ∗^ (^0.^00301 𝑚)
- 7 𝐾𝑝𝑎 + ln (
- 7 𝐾𝑝𝑎
- 454 𝐾𝑝𝑎) = 9. 34819 × 10 −^6 𝑚^2 𝑠
Calculando Dpromedio:
𝐷𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 =
- 27778 × 10 −^6 𝑚^2 𝑠 +^7.^45371 ×^10 − 6 𝑚 2 𝑠 +^9.^4103 ×^10 − 6 𝑚 2 𝑠 +^9.^34819 ×^10 − 6 𝑚 2 𝑠 4 = 𝐷𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 8. 6225 × 10 −^6 𝑚^2 𝑠
Calculando Da-b teórica:
𝐷𝑎𝑏 = 1 ∗ 10 −^7 𝑇^1.^75 √( 1 𝑀𝐴 +^ 1 𝑀𝐵) 𝑃(𝜀𝑉 𝐴 1 3
- 𝜀𝑉 𝐵 1 3 )^2 𝐷𝑎𝑏 = 1 ∗ 10 −^7 ∗ 298. 15 𝐾^1.^75 √( 1
- 82 𝑔 𝑚𝑜𝑙
1
- 97 𝑔 𝑚𝑜𝑙 )
- 0067 𝑎𝑡𝑚[( 99. 9 ) 1 (^3) + ( 19. 7 ) 1 (^3) )^2 = 7. 98701 × 10 −^6 𝑚^2 𝑠
Cálculo del error:
% 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝐷𝑎𝑏𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 − 𝐷𝑎𝑏𝐸𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 𝐷𝑎𝑏𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 × 100 % 𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 =
- 98701 × 10 −^6 𝑚^2 𝑠 −^8.^6225 ×^10 − 6 𝑚 2 𝑠
- 98701 × 10 −^6 𝑚^2 𝑠 × 100 = 7 .96%
