Variables y unidades fundamentales en ingeniería de procesos Universidad de Santiago de Chile Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Industrial Variables y unidades fundamentales en ingeniería de procesos Claudio Araya López claudio.araya714@gmail.com

Variables utilizadas en ingeniería Masa: Cantidad de materia en un cuerpo u objeto. En ausencia de reacciones nucleares, la masa total de un sistema es constante Peso: Es la fuerza gravitacional que ejerce la tierra sobre un objeto.

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Variables utilizadas en ingeniería Moles: Es la cantidad de sustancia que contiene 6,022x10^23 unidades elementales Porcentaje de masa: Es la relación porcentual que existe entre la masa de soluto y la masa de disolución Porcentaje volumen: Es la relación porcentual que existe entre el volumen de soluto y el volumen de disolución

Variables utilizadas en ingeniería Fracción molar: es la relación porcentual que existe entre los moles de soluto y los moles totales Composición másica: Es la cantidad másica expresada en porcentaje, que existe de un compuesto o elemento en una disolución, mezcla o conjunto de compuestos

Variables utilizadas en ingeniería Composición molar: Es la cantidad molar expresada en porcentaje, que existe de un compuesto o elemento en una disolución, mezcla o conjunto de compuestos Concentración másica: Es la masa de un componente por unidad de volumen de mezcla

Variables utilizadas en ingeniería Concentración molar: Es la cantidad de moles de un componente por unidad de volumen de mezcla ppm: se utiliza para expresar concentraciones de cantidades minúsculas o trazas en mezclas gaseosas o líquidas. Se puede expresar en razones másicas o razones molares

Variables utilizadas en ingeniería Masa molecular media: Es una masa molecular que representa a todas las especies presentes en una mezcla

Variables utilizadas en ingeniería Variables intensivas: Una variable intensiva es una cantidad que no depende de la cantidad masa o materia del sistema Variables extensivas: Una variable extensiva es una cantidad que depende de la cantidad de masa o materia del sistema ½ m ½ V ½ U u P T ρ ½ m ½ V ½ U u P T ρ

Variables de procesos, dimensión y unidades Variable: es una condición que se puede cambiar o manipular en el sistema para obtener una respuesta diferente Parámetro: es una condición fija que permanece constante e invariante en el sistema

Variables de procesos, dimensión y unidades Una Dimensión define cualitativamente una variable física, en cambio una Unidad expresa la magnitud de la dimensión Dimensiones y unidades primarias: Nombre Dimensión Unidades Masa M gr, kg, lbm, mol… Longitud L m, cm, ft, in… Tiempo θ s Temperatura T ºC, ºF, K, R… Fuerza F N, lbf, kgf

Variables de procesos, dimensión y unidades Temperatura: Es una magnitud física que está ligada a la energía interna de un cuerpo, que permite cuantificar la cantidad de energía rotacional, vibracional y traslacional de las moléculas o partículas.

Variables de procesos, dimensión y unidades Relación entre la temperatura inglesa y la del SI:

Variables de procesos, dimensión y unidades Termómetro de vidrio Pirómetro Termopar Termómetro de gas

Variables de procesos, dimensión y unidades Presión: Es la fuerza que se ejerce sobre un área puntual. Dimension: La presión que ejerce una masa de fluido en un punto está dada por la siguiente ecuación fundamental de hidrostática

Variables de procesos, dimensión y unidades Presión absoluta: Es la presión total en un sistema, está referenciada desde el vacío perfecto o presión 0. Presión manométrica: Es la presión ejercida en un sistema respecto a la atmosférica, Presión = 1 atm = 760mmHg = 101kPa Presión de vacío: Es la presión ejercida en un sistema respecto a la atmoférica y que se encuentra bajo ésta. Pabs >Patm Presión manométrica P=Patm Presión Vacío Pabs <Patm Presión absoluta P=0

Variables de procesos, dimensión y unidades Las ecuaciones que representan el diagrama anterior son:

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Variables de procesos, dimensión y unidades Manómetro en U Manómetro de Bourdon Vacuómetro Barómetro

Variables de procesos, dimensión y unidades Volumen: Es la región en el espacio que es ocupada por un objeto, es una magnitud derivada de la longitud, al ser una extensión tridimensional de ésta Dimensión: Ejemplo: El primer dirigible totalmente operativo a cielo abierto fue construido para el ejército francés por C. Renard y A. Krebs en 1884, El vehículo, denominado "La France" tenía 1872 m³ de volumen ¿A cuánto equivale este volumen en ft3?

Variables de procesos, dimensión y unidades Capacidad calorífica o calor específico: Es la cantidad de energía que se necesita para aumentar en un grado ºC o K un cuerpo de 1kg Dimensiones =

Variables de procesos, dimensión y unidades EnergÍa: Es la capacidad de realizar cambios o capacidad para producir trabajo Dimensiones: Ejemplo: Una persona necesita consumir en promedio 2200 cal ¿A cuánto equivale este consumo energético en BTU?

Variables de procesos, dimensión y unidades Potencia: Es el flujo de energÍa, o la cantidad de energÍa suministrada por unidad de tiempo Dimensiones: Ejemplo: Un compresor de un sistema de aire condicionado posee una potencia de 5,2 hp ¿A cuánto equivale esta potencia en kW?

Variables de procesos, dimensión y unidades Densidad: Es la relación que existe entre la masa de un compuesto y el volumen que ocupa; ésta es una función de la presión y la temperatura, siendo esta última la más importante Dimensiones: Valores típicos

Variables de procesos, dimensión y unidades Ejemplo: La sangre humana tiene una densidad promedio de 1055 kg/m3 ¿A cuánto equivale esta densidad en g/cm3?. Si una persona dona 500 ml de sangre ¿A cuánto equivale este volumen en gramos?.

Variables de procesos, dimensión y unidades Densidad relativa: Se compara la densidad de un compuesto respecto a una de referencia Dimensión: adimensional Flujo másico: Es la cantidad de masa que se transporta por unidad de tiempo Dimensión: 𝑚 = 𝑚 𝑡

Variables de procesos, dimensión y unidades Flujo volumétrico o caudal: Es la cantidad de volumen que se transporta por unidad de tiempo Dimensión: Relación entre el caudal y la velocidad: 𝑄=𝑣∙𝐴=𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑∙Á𝑟𝑒𝑎 𝑄= 𝑉 𝑡

Variables de procesos, dimensión y unidades Viscosidad: Es la fuerza con que los fluidos se oponen al movimiento Dimensiones: Existen los fluidos newtonianos y los no newtonianos Newtonianos: Son fluidos que se rigen por la ecuación anterior; es decir, existe una relación lineal. Ejemplos comunes son el agua No-newtonianos: Son fluidos que se rigen por otro mecanismo, dado que no tienen un comportamiento lineal. Existen modelos tales como el de Bingham, Ostwald. Ejemplos comunes son la maizena, sangre, ketchup.

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Variables de procesos, dimensión y unidades Presión de vapor: Es la fuerza que ejercen las moléculas de un líquido o sólido para escapar al ambiente. La presión de vapor es una función únicamente de la temperatura, siendo correlacionada por la ecuación de Antoine Donde A, B y C son constantes encontradas en literatura

3 leyes importantes Ley de dalton: La suma de las presiones parciales en una mezcla de gases es igual a la presión total Ley de Raoult: En una solución ideal, la presión parcial de un gas es igual a la presión de vapor del compuesto multiplicado por su fracción molar en el líquido Ley de Henry: La cantidad de gas disuelto en una solución es directamente proporcional a su presión parcial. Es válida para soluciones diluidas

Ley de los gases ideales o gas perfecto La ley de los gases ideales estable la relación de 3 variables de estado en un sistema termodinámico; Presión, Temperatura y Volumen