Fenómenos de transporte y transferencia de masa: difusión, convección y equilibrio

Fenómenos de Transporte: Fundamentos y Mecanismos

Los fenómenos de transporte se dan en procesos de transferencia, en los que se establece el movimiento de una propiedad (masa, momentum o energía) en una o varias direcciones bajo la acción de una fuerza impulsora.

Propiedades de Transporte

• Cantidad de movimiento (Transferencia de Momentum)
• Cantidad de materia (Transferencia de Masa)
• Cantidad de calor (Transferencia de Energía)

Transferencia de Masa

La transferencia de masa es el movimiento neto de una sustancia debido a gradientes de concentración. Las moléculas migran espontáneamente desde zonas de alta concentración hacia zonas de baja concentración, buscando el equilibrio.

Ejemplos Industriales de Transferencia de Masa

• Destilación
• Absorción
• Evaporación
• Secado
• Extracción

Equilibrio en Transferencia de Masa

El equilibrio se alcanza cuando el flujo de masa entre fases es igual en ambas direcciones. En este estado, aunque las moléculas individuales continúan moviéndose, no hay un cambio neto en la cantidad de masa en cada fase.

Características del Equilibrio

• Las concentraciones en ambas fases permanecen constantes.
• La velocidad de transferencia en ambas direcciones se iguala.
• El sistema alcanza estabilidad termodinámica.

Tipos de Balances de Masa

• Estado Estacionario: La masa es constante en el tiempo. Ejemplo: reactor continuo.
• Estado Transitorio: La masa cambia con el tiempo. Ejemplo: tanque en llenado o vaciado.

Modos de Transferencia de Masa

Los principales modos por los cuales ocurre la transferencia de masa son:

• Difusión molecular
• Convección
• Migración

Transferencia de Masa por Difusión

La difusión implica el movimiento aleatorio de moléculas de alta a baja concentración.

Transferencia por Convección

• Natural: Causada por diferencias de densidad (debido a gradientes de temperatura o concentración).
• Forzada: Inducida por agitación, bombeo o cualquier fuerza externa.

Transferencia por Migración

Es el movimiento de iones bajo la influencia de un campo eléctrico. Ejemplos: electrodiálisis, baterías, membranas iónicas.

Cinética y Modelado en Transferencia de Masa

Cinética en Transferencia de Masa

Describe la rapidez del proceso. Los factores clave que la afectan son:

• Temperatura: Un aumento de T incrementa la constante cinética (k).
• Área de Contacto: Un aumento del área favorece una mejor transferencia.
• Naturaleza del Fluido: Propiedades como la viscosidad, la difusividad y la turbulencia son determinantes.

Ecuaciones de Gobierno

Son las expresiones matemáticas que describen cómo se mueve una sustancia dentro de un sistema físico (ya sea por difusión, convección o la combinación de ambas).

Condiciones de Frontera

Definen el comportamiento del sistema en sus límites:

• Dirichlet: Concentración fija en la frontera.
• Neumann: Flujo especificado en la frontera.
• Robin: Transferencia convectiva en la frontera.
• Ejemplo: En una pared impermeable, el gradiente de concentración es igual a cero.

La Difusión Molecular

La difusión es el movimiento espontáneo de partículas de mayor a menor concentración. Es un proceso fundamental que:

• Ocurre en gases, líquidos y sólidos.
• No requiere energía externa.
• Busca el equilibrio termodinámico.

Ejemplo: Rociar desodorante, donde el aroma se distribuye gradualmente en el ambiente.

Segunda Ley de Fick

Esta ley describe cómo la concentración cambia con el tiempo hasta alcanzar el equilibrio. Ejemplo: Una gota de colorante en agua que se distribuye uniformemente con el paso del tiempo.

Factores que Afectan la Difusión

• Temperatura: Aumenta el coeficiente de difusividad (D), siguiendo la relación de Arrhenius.
• Tamaño de Partículas: Un menor tamaño de partículas resulta en una mayor difusividad.
• Medio: La difusión es rápida en gases, intermedia en líquidos y lenta en sólidos.