Anar al contingut

Fenomens de transport

De L'Enciclopèdia, la wikipedia en valencià

En ingenieria, física i química, l'estudi dels fenomens de transport es referix a l'intercanvi de massa, energia, càrrega, moment llineal i moment angular entre sistemes observats i estudiats.[1] Si be es basa en camps tan diversos com la mecànica contínua i la termodinàmica, posa un gran émfasis en els punts en comú entre els temes tractats. El transport de massa, moment i calor compartixen un marc matemàtic molt similar, i els paralelismes entre ells s'exploten en l'estudi dels fenomens de transport per a establir conexions matemàtiques profundes que a sovint proporcionen ferramentes molt útils en l'anàlisis d'un camp que es deriva directament dels demés.[2]

Els anàlisis fonamentals en els tres subcampos de transferència de massa, calor i moment a sovint es basen en el simple principi de que la suma total de les cantitats estudiades deu ser conservada pel sistema i el seu entorn. Per lo tant, els diferents fenomens que conduïxen al transport es consideren individualment en el coneiximent de que la suma de les seues contribucions deu ser igual a zero.[3] Este principi és útil per a calcular moltes cantitats rellevants. Per eixemple, en la mecànica de decorreguts, un us comú de l'anàlisis de transport és determinar el perfil de velocitat d'un decorregut que fluïx a través d'un volum rígit.[4]

Els fenomens de transport estan presents en totes les disciplines de l'ingenieria. Alguns dels eixemples més comuns d'anàlisis de transport en ingenieria es veuen en els camps d'ingenieria de processos, química, biològica[5] i mecànica, pero l'assignatura és un component fonamental del currículum en totes les disciplines involucrades de qualsevol manera en la mecànica de decorreguts, la transferència de calor i la transferència de massa. Ara es considera que forma part de la disciplina de l'ingenieria tant com la termodinàmica, la mecànica i l'electromagnetisme.[6]


Els fenomens de transport comprenen tots els agents de canvi físic en l'univers. Ademés, es consideren elements fonamentals que varen desenrollar l'univers i que són responsables de l'èxit de tota la vida en la Terra. No obstant, l'alcanç ací es llimita a la relació entre els fenomens de transport i els sistemes d'ingenieria artificials.[7]

Visió general

[editar | editar còdic]

En física, els fenomens de transport són tots processos irreversibles de naturalea estadística derivats del moviment aleatori continu de les molècules, principalment observats en els decorreguts.[8] Cada aspecte dels fenomens de transport es basa en dos conceptes primaris: les lleis de conservació i les equacions constitutives. Les lleis de conservació, que en el context dels fenomens de transport es formulen com equacions de continuïtat, descriuen cóm es deu conservar la cantitat que s'està estudiant. Les equacions constitutives descriuen cóm la cantitat en qüestió respon a diversos estímuls a través del transport.[9] Entre els eixemples destacats s'inclouen la Llei de Conducció de Calor de Fourier i les equacions de Navier-Stokes, que descriuen, respectivament, la resposta del fluix de calor als gradient de temperatura i la relació entre el fluix de decorregut i les forces aplicades al decorregut. Estes equacions també demostren la conexió profunda entre els fenomens de transport i la termodinàmica, una conexió que explica per qué els fenomens de transport són irreversibles. Casi tots estos fenomens físics involucren sistemes que busquen el seu estat d'energia més baixa d'acort en el principi d'energia mínima. A mida que s'aproximen a este estat, tendixen a conseguir un verdader equilibri termodinàmic, moment en el que ya no hi ha forces impulsores en el sistema i el transport cessa.[10] Els diversos aspectes de dit equilibri estan directament conectats a un transport específic: la transferència de calor és l'intent del sistema per conseguir l'equilibri tèrmic en el seu entorn, de la mateixa manera que el transport de massa i de moment mou el sistema cap a l'equilibri químic i mecànic.[11]


Els eixemples de processos de transport inclouen la conducció de calor (transferència d'energia), el fluix de decorregut (transferència de moment), la difusió molecular (transferència de massa), la radiació i la transferència de càrrega elèctrica en els semiconductors.[12][13][14][15]

Els fenomens de transport tenen àmplia aplicació. Per eixemple, en la física de l'estat sòlit, el moviment i l'interacció dels electrons, els forats i els fonones s'estudien en "fenomens de transport".[16] Un atre eixemple és en ingenieria biomèdica, a on alguns fenomens de transport d'interés són la termorregulación, la perfusión i la microfluídica.[17] En ingenieria química, els fenomens de transport s'estudien en el disseny de reactors, l'anàlisis de mecanismes de transport moleculars o difusivos i la metalúrgia.[18]

El transport de massa, energia i moment pot vore's afectat per la presència de fonts externes:[3]

  • Una olor es dissipa més llentament (i pot intensificar-se) quan la font de l'olor permaneix present.
  • La velocitat de refredat d'un sòlit que conduïx calor depén de si s'aplica una font de calor.
  • La força gravitacional que actua sobre una gota de pluja contrarresta la resistència o l'arrastre de l'aire circumdant.[4]

Similituts entre els fenomens

[editar | editar còdic]

Un principi important en l'estudi dels fenomens de transport és l'analogia entre els fenomens.[1]

Difusió

[editar | editar còdic]

Hi ha algunes similituts notables en les equacions per al moment, l'energia i la transferència de massa[19] que poden ser transportades per difusió, com s'ilustra en els següents eixemples:


  • Massa: la propagació i malbarat d'olors en l'aire és un eixemple de difusió másica.[20]
  • Energia: la conducció de calor en un material sòlit és un eixemple de difusió de calor.[21]
  • Moment: l'arrastre experimentat per una gota de pluja quan cau en l'atmòsfera és un eixemple de difusió de moment (la gota de pluja pert moment en l'aire circumdant a través de tensions viscoses i desaccelera).[4]

Les equacions de transferència molecular de la llei de Newton per al moment decorregut, la llei de Fourier per a la calor i la llei de Fick per a la massa són molt similars. Es pot convertir d'un coeficient de transferència a un atre per a comparar els tres fenomens de transport diferents.[22]

Comparació dels fenomens de difusió
Cantitat transportada Fenomen físic Equació
Moment Viscosidad
(Decorregut newtoniano) 		τ=−ν∂ρυ∂x
Energia Conducció de calor
(Llei de Fourier) 		qA=−kdTdx
Massa Difusió molecular
(Llei de Fick) 		J=−D∂C∂x

(Les definicions d'estes fòrmules es donen a continuació).

En la lliteratura s'ha dedicat molt esforç al desenroll de analogia entre estos tres processos de transport per a la transferència turbulenta a fi de permetre la predicció d'un a partir dels atres. L'analogia de Reynolds supon que les difusividades turbulentas són totes iguals i que les difusividades moleculars de moment (μ/ρ) i massa (DAB) són insignificants en comparació a les difusividades turbulentas. Quan hi ha líquits presents i/o la resistència està present, l'analogia no és vàlida. Atres analogia, com les de von Kármán i Prandtl, generalment resulten en relacions deficients.[23]

L'analogia més exitosa i més utilisada és l'analogia del factor J de Chilton i Colburn.[24][19] Esta analogia es basa en senyes experimentals per a gasos i líquits en els règims tant laminar com turbulento. Encara que es basa en senyes experimentals, es pot demostrar que satisfà la solució exacta derivada del fluix laminar sobre una placa plana. Tota esta informació s'utilisa per a predir la transferència de massa.[1]

Relacions recíproques de Onsager

[editar | editar còdic]

AP

En els sistemes de decorreguts descrits en térmens de temperatura, densitat de matèria i pressió, se sap que les diferències de temperatura conduïxen a fluix de calor des de les parts més càlides a les més fredes del sistema; de manera similar, les diferències de pressió conduiran al fluix de matèria des de les regions d'alta pressió a les de baixa pressió (una "relació recíproca"). Lo que és sorprenent és l'observació de que, quan varien tant la pressió com la temperatura, les diferències de temperatura a pressió constant poden causar fluix de matèria (com en la convecció) i les diferències de pressió a temperatura constant poden causar fluix de calor. Potser sorprenentment, el fluix de calor per unitat de diferència de pressió i el fluix de densitat (matèria) per unitat de diferència de temperatura són iguals.[25][26]

Lars Onsager va demostrar que esta igualtat era necessària utilisant la mecànica estadística com a conseqüència de la reversibilidad temporal de la dinàmica microscòpica. La teoria desenrollada per Onsager és molt més general que este eixemple i és capaç de tractar més de dos forces termodinàmiques al mateix temps.[25][27]


Referències

[editar | editar còdic]
  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Bird, R. Byron; Stewart, {{{nom2}}}; Lightfoot, {{{nom3}}} (2006). «Chapter 1: Viscosity and the Mechanisms of Momentum Transport», Transport Phenomena, 2.ª edició, New York: John Wiley & Sons, pp. 1-15. ISBN 978-0-470-11539-8.
  2. ↑ Slattery, John C. (1999). «Chapter 1: Kinematics and Conservation of Mass», Advanced Transport Phenomena, Cambridge: Cambridge University Press, pp. 3-20. ISBN 978-0521635653.
  3. ↑ 3,0 3,1 Whitaker, Stephen (1999). «Chapter 1: Introduction», The Method of Volume Averaging, Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, pp. 1-35. ISBN 978-0792354864.
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 Batchelor, George K. (2000). «Chapter 2: The Equations of Fluïu Motion», An Introduction to Fluïu Dynamics, Cambridge: Cambridge University Press, pp. 40-65. ISBN 978-0-521-66396-0.
  5. ↑ Truskey, George A.; Yuan, {{{nom2}}}; Katz, {{{nom3}}} (2015). «Chapter 1: Introduction to Biological Transport», Transport Phenomena in Biological Systems, 2.ª edició, Upper Saddle River, NJ: Pearson, pp. 1-30. ISBN 978-0-13-156988-1.
  6. ↑ Froment, G. F.; Bischoff, {{{nom2}}} (2010). «Chapter 3: Transport Effects in Heterogeneous Reactions», Chemical Reactor Analysis and Design, 3.ª edició, Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, pp. 50-80. ISBN 978-0-470-88994-7.
  7. ↑ Plawsky, Joel L. (2001). «Chapter 1: The Subject of Transport Phenomena», Transport Phenomena Fundamentals, CRC Press, pp. 1-25. ISBN 978-0-8247-0500-8.
  8. ↑ Prigogine, Ilya (1968). «Chapter 3: Coupled Flows», Introduction to Thermodynamics of Irreversible Processes, 3.ª edició, New York: Interscience Publishers, pp. 20-45. ISBN 978-0-470-69910-2.
  9. ↑ Truesdell, Clifford (1977). «Chapter 5: Constitutive Equations», A First Course in Rational Continuum Mechanics, New York: Academic Press, pp. 100-130. ISBN 978-0-12-701301-5.
  10. ↑ Kondepudi, Dilip; Prigogine, {{{nom2}}} (2014). «Chapter 8: Irreversible Processes», Modern Thermodynamics: From Heat Engines to Dissipative Structures, 2.ª edició, Chichester: John Wiley & Sons, pp. 150-175. ISBN 978-1-118-37181-7.
  11. ↑ Bejan, Adrian (2013). «Chapter 1: Basic Concepts», Convection Heat Transfer, 4.ª edició, Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, pp. 1-18. ISBN 978-1-118-33051-7.
  12. ↑ Plawsky, Joel L. (2014). «Chapter 1: The Subject of Transport Phenomena», Transport Phenomena Fundamentals, 2.ª edició, Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 1-40. ISBN 9780429112140.
  13. ↑ Alonso, Marcelo; Finn, {{{nom2}}} (1992). «Chapter 18: Transport Phenomena», Física, Reading, MA: Addison-Wesley, pp. 350-380. ISBN 978-0201565188.
  14. ↑ Deen, William M. (2012). «Chapter 1: Introduction», Analysis of Transport Phenomena, 2.ª edició, New York: Oxford University Press, pp. 1-25. ISBN 978-0-19-974701-6.
  15. ↑ Ziman, John M. (1960). «Chapter 5: Transport Phenomena», Electrons and Phonons: The Theory of Transport Phenomena in Solids, Oxford: Oxford University Press, pp. 100-150. ISBN 978-0-19-850733-8.
  16. ↑ Ashcroft, Neil W.; Mermin, {{{nom2}}} (1976). «Chapter 13: Electrical and Thermal Conduction in Metals», Solid State Physics, New York: Holt, Rinehart and Winston, pp. 220-260. ISBN 978-0-03-083993-1.
  17. ↑ Fournier, Ronald L. (2012). «Chapter 1: Introduction to Transport Phenomena», Basic Transport Phenomena in Biomedical Engineering, 3.ª edició, Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 1-30. ISBN 978-1-4398-9767-0.
  18. ↑ Davis, Mark E.; Davis, {{{nom2}}} (2003). «Chapter 5: Transport Effects», Fundamentals of Chemical Reaction Engineering, New York: McGraw-Hill, pp. 100-130. ISBN 978-0-07-245241-9.
  19. ↑ 19,0 19,1 Welty, James R.; Wicks, Charles E.; Wilson, {{{nom3}}} (1976). «Chapter 1: The Fundamentals», Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer, 2.ª edició, New York: John Wiley & Sons, pp. 1-15. ISBN 978-0-471-93365-6.
  20. ↑ Cussler, E. L. (2009). «Chapter 1: Fundamentals of Diffusion», Diffusion: Mass Transfer in Fluïu Systems, 3.ª edició, Cambridge: Cambridge University Press, pp. 1-30. ISBN 978-0-521-87121-1.
  21. ↑ Incropera, Frank P.; DeWitt, {{{nom2}}}; Bergman, {{{nom3}}}; Lavine, {{{nom4}}} (2011). «Chapter 1: Introduction», Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 7.ª edició, Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, pp. 1-15. ISBN 978-0-470-50197-9.
  22. ↑ Thomas, William J. (2000). «Chapter 3: Transport Coefficients», Introduction to Transport Phenomena, Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, pp. 50-75. ISBN 9780134548289.
  23. ↑ Tennekes, Hendrik; Lumley, {{{nom2}}} (1972). «Chapter 5: Turbulent Transport», A First Course in Turbulence, Cambridge, MA: MIT Press, pp. 100-130. ISBN 978-0-262-20019-6.
  24. ↑ (1934).Industrial & Engineering Chemistry.26(11)
    1183-1187.doi:10.1021/ie50299a012.
  25. ↑ 25,0 25,1 (1931).Physical Review.37(4)
    405-426.doi:10.1103/PhysRev.37.405.
  26. ↑ (1931).Physical Review.38(12)
    2265-2279.doi:10.1103/PhysRev.38.2265.
  27. ↑ de Groot, S. R.; Mazur, {{{nom2}}} (1962). «Chapter 4: The Onsager Relations», Senar-Equilibrium Thermodynamics, Amsterdam: North-Holland Publishing, pp. 20-50. ISBN 978-0-486-64741-8.
Obtingut de «https://www.lenciclopedia.org/w/index.php?title=Fenomens_de_transport&oldid=770668»