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AÑO DEL DIÁLOGO Y RECONCILIACIÓN NACIONAL ESCUELA DE EDUCACION SUPERIOR TECNICO PROFESIONAL PNP IQUITOS

TRATAMIENTO Y PURIFICACIÓN DEL AGUA CONTAMINADA PARA LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA ALUMNOS PNP

: CHUMBE CURITIMA, MARCOS VASQUEZ PEREZ, BRYAN MATUTE SHAPIAMA, LUIS

CATEDRATICO

: CAP.SPNP FLORES HERNÁNDEZ, FELIPE

MAYO DE 2018

TRATAMIENTO Y PURIFICACIÓN DEL AGUA CONTAMINADA PARA LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA RESUMEN Actualmente existe un creciente interés por los contaminantes, ya que son compuestos de distinto origen y naturaleza química, cuya presencia en el medioambiente, o las posibles consecuencias de la misma, han pasado en gran medida inadvertidas, causando problemas ambientales y de riesgo para la salud. Estos compuestos se encuentran diseminados en el ambiente y se han detectado en fuentes de abastecimiento de agua, aguas subterráneas e incluso en agua potable. Son compuestos de los que relativamente se conoce poco, en cuanto a su presencia, impacto y tratamiento; en la mayoría de los casos son contaminantes no regulados, que pueden ser candidatos a regulación futura, dependiendo de investigaciones sobre sus efectos potenciales en la salud y los datos de monitoreo con respecto a su incidencia; Este trabajo revisa algunas de los principales contaminantes emergentes (pesticidas, productos farmacéuticos, drogas ilícitas, compuestos de “estilo de vida”, aseo personal y otros), el origen, uso y efectos nocivos; de igual manera analiza tratamientos y purificación del agua a fin de evitar el crecimiento continuo de la contaminación que tanto afecta a la salud, y a fin de aprovechar los procesos mencionados, para generar energía eléctrica.

IDENTIFICACIÓN DEL PROBLEMA La disponibilidad de agua adecuada y suficiente, es un problema que está afectando crecientemente a la sociedad. Las recientes normas indican cambios importantes en la gestión del agua, una gestión que irremediablemente debe avanzar hacia el desarrollo sostenible de este recurso. Nos encontramos en una nueva era, en la que debe implantarse una nueva cultura del agua, por lo que debemos depurar y reutilizar este elemento. En la actualidad existen equipos para tratar el agua de forma ecológica, sin ningún tipo de aporte energético. Ya que la generación de energía eléctrica en IQUITOS se realiza principalmente a través de las tradicionales centrales hidroeléctricas y termoeléctricas. Es por eso que nosotros proponemos una nueva alternativa del cómo tratar el agua contaminada y obtener energía eléctrica para ya no utilizar el agua de nuestros ríos como generadora de esta.

OBJETIVO GENERAL Crear una PLANTA purificadora de agua que además genere energía eléctrica a través del vapor de agua y de la radiación de la máquina.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Producción de energía eléctrica. 2. Obtención de agua purificada. 3. Evitar epidemiologias con la contaminación

MARCO REFERENCIAL Es un hecho que en la actualidad se derrocha muchísima agua y que el mayor desperdicio se da por su mal uso en los riegos agrícolas. Lo que es necesario para estos usos es que deben hacerse técnicas que contemplen el volumen que se debe ocupar para el crecimiento de las plantas agrícolas, así la humanidad ahorraría un 70% del agua que se desperdicia con su mal uso. Conjunto de las aguas que son contaminadas durante su empleo en actividades realizadas por las personas. Las labores domésticas contaminan el agua, sobre todo, con residuos fecales y detergentes. Los trabajos agrícolas y ganaderos pueden producir una contaminación muy grave de las aguas de los ríos y los acuíferos, debida sobre todo a los vertidos de aguas cargadas de residuos orgánicos, procedentes de las labores de transformación de productos vegetales, o de los excrementos de los animales. Otra fuente de contaminación de las aguas son las industrias. Muchas de ellas, como la papelera, química, textil y siderúrgica, necesitan agua para desarrollar su actividad. Las centrales térmicas también necesitan una gran cantidad de agua para ser operativas; en este caso el agua residual, que no presenta contaminantes orgánicos o inorgánicos, tiene una temperatura mucho más elevada que la de los cauces a los que va a parar, ocasionando graves trastornos en los ecosistemas acuáticos. Para evitar los problemas que pueden causar los contaminantes de las aguas residuales existen sistemas de depuración que sirven para devolverles las características físicas y químicas originales. (Dickson, 2002)

MARCO CONTEXTUAL El agua está compuesta por hidrógeno y oxígeno, y en estado puro no tiene color, ni olor, ni sabor (a veces el agua que bebemos tiene un poco de sabor porque ha sido tratada con distintas sustancias para poderla beber sin riesgos para nuestra salud). El agua líquida puede disolver muchas sustancias, como las sales minerales que necesitan las plantas y la mayoría de los organismos vivos; puede incluso disolver gases: el oxígeno que respiran los peces está disuelto en el agua del mar.

Debido a sus propiedades, utilizamos el agua como patrón para definir muchas unidades físicas, por ejemplo, para definir la caloría (la unidad de calor), el grado centígrado (la unidad de temperatura) o el gramo (la unidad de masa). EL AGUA EN ESTADO SÓLIDO El hielo tiene una densidad de 0,92 g/cm3 o g/ml, más baja que la del agua en estado líquido, que como sabes, es igual a 1 g/cm3. Esto hace que el hielo flote sobre el agua, y como es un mal conductor del calor, protege al agua líquida de las bajas temperaturas exteriores, impidiendo que se hiele por completo. Si fuera más denso, se hundiría y depositaría en el fondo de lagos, ríos y mares, hasta que se congelaran por completo: la mayoría de los seres vivos que viven en el agua no podrían sobrevivir. En los polos, hay unos inmensos casquetes de hielo, que flotan sobre el mar, de los que en épocas de deshielo (en primavera y verano) se desprenden grandes moles de hielo, llamadas iceberg, peligrosos para la navegación. El hielo ocupa un volumen mayor que el agua líquida, para una misma cantidad o masa de ambos. Esto hace, por ejemplo, que si queremos congelar agua en un recipiente cerrado, no podamos llenarlo del todo, porque si lo hiciéramos, al formarse el hielo el recipiente reventaría. EL AGUA EN ESTADO LÍQUIDO El agua pasa del estado sólido al líquido (o del líquido al sólido) a la temperatura de 0 grados centígrados. Precisamente para calibrar los termómetros, se toma como valor cero (0 ºC) el punto de congelación del agua. En estado líquido, el agua forma parte de los seres vivos, pura o mezclada con sales y otras sustancias. Las impurezas suspendidas y disueltas en el agua natural hacen que esta no sea adecuada, por ejemplo, para beber. Los materiales indeseables, orgánicos e inorgánicos, se extraen por métodos de criba y sedimentación que eliminan los materiales suspendidos.

Otro método de depurar el agua es tratarla con ciertos compuestos, como el carbón activado, que eliminan los sabores y olores desagradables. También se puede purificar el agua por filtración, o por cloración o irradiación (que matan los microorganismos infecciosos). EL AGUA EN ESTADO GASEOSO El agua líquida se transforma en gas a la temperatura de 100 grados centígrados. El segundo valor que se toma para calibrar los termómetros, el valor cien (100 ºC), se corresponde con el punto de ebullición del agua.

En estado gaseoso el agua está por todas partes, incluso en los desiertos. La evaporación y la condensación son procesos que forman un ciclo continuo, llamado ciclo del agua, que hace que esta se reparta por toda la biosfera terrestre. PROPIEDADES FÍSICAS DEL AGUA Estado físico: sólida, liquida y gaseosa Color: incolora Sabor: insípida Olor: inodoro Densidad: 1 g./c.c. a 4°C Punto de congelación: 0°C Punto de ebullición: 100°C Presión crítica: 217,5 atm. Temperatura crítica: 374°C PROPIEDADES MISCELÁNEAS DEL AGUA Viscosidad relativamente baja, fluye con facilidad Incoercible, relaciones presión - densidad no son importantes Disuelve muchas y variadas sustancias Dependencia de la solubilidad con la temperatura Las relaciones bioquímicas requieren de agua para su ocurrencia (no requieren de aire), el agua es rica en vida, el aire es pobre en organismos vivientes.

PROPIEDADES QUÍMICAS DEL AGUA 1) Reacciona con los óxidos ácidos 2) Reacciona con los óxidos básicos 3) Reacciona con los metales 4) Reacciona con los no metales 5) Se une en las sales formando hidratos 1) Los anhídridos u óxidos ácidos reaccionan con el agua y forman ácidos oxácidos. 2) Los óxidos de los metales u óxidos básicos reaccionan con el agua para formar Hidróxidos. Muchos óxidos no se disuelven en el agua, pero los óxidos de los metales activos se combinan con gran facilidad. 3) Algunos metales descomponen el agua en frío y otros lo hacían a temperatura elevada.

4) El agua reacciona con los no metales, sobre todo con los halógenos, por Ej.: Haciendo pasar carbón al rojo sobre el agua se descompone y se forma una mezcla de monóxido de carbono e hidrógeno (gas de agua). 5) El agua forma combinaciones complejas con algunas sales, denominándose hidratos.

En algunos casos los hidratos pierden agua de cristalización cambiando de aspecto, y se dice que son eflorescentes, como le sucede al sulfato cúprico, que cuando está hidratado es de color azul, pero por pérdida de agua se transforma en sulfato cúprico anhidro de color blanco.

LÍMITES PERMISIBLES DE CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y ORGANOLÉPTICAS Las características físicas y organolépticas deberán ajustarse a lo establecido en la siguiente Tabla. CARACTERISTICA LIMITE PERMISIBLE Color 20 unidades de color verdadero en la escala de platinocobalto. Olor y sabor Agradable (se aceptarán aquellos que sean tolerables para la mayoría de los consumidores, siempre que no sean resultados de condiciones objetables desde el punto de vista biológico o químico). Turbiedad 5 unidades de turbiedad nefelométricas (UTN) o su equivalente en otro método.

LÍMITES PERMISIBLES DE CARACTERÍSTICAS QUÍMICAS El contenido de constituyentes químicos deberá ajustarse a lo establecido en la siguiente tabla. Los límites se expresan en mg/l, excepto cuando se indique otra unidad. Los límites permisibles de metales se refieren a su concentración total en el agua, la cual incluye los suspendidos y los disueltos. CARACTERISTICA

Cadmio

LIMITE CARACTERISTICA LIMITE PERMISIBLE PERMISIBLE 0.2 Nitritos (como N) 0.05 0.05 Nitrógeno amoniacal 0.5 (como N) 0.7 pH (potencial de 6.5-8.5 hidrógeno) en unidades de pH 0.005 2,4 - D 50

Cianuros (como CN-) Cloro residual libre

0.07 0.2-1.50

Aluminio Arsénico Bario

Plomo Sodio

0.025 200

Cloruros (como Cl-)

250

Cobre Cromo total

2 0.05

Dureza total (como CaCO3) Fenoles o compuestos fenólicos Fierro Fluoruros (como F-) Manganeso

500

Mercurio Nitratos (como N)

0.001 10

Sólidos disueltos totales Sulfatos (como SO4=) Sustancias activas al azul de metileno (SAAM) Trihalometanos totales

1000 400 0.5

0.2

0.001 0.3 1.5 0.15

CALIDAD BIOLOGICA DEL AGUA Microorganismos y enfermedades Consideraciones diversas Los microorganismos son especies vivientes de tamaños diminutos No se consideran como plantas ni como animales. Sino más bien se los califica en un tercer reino llamado Protista. Microorganismos de tamaño promedio Tamaño: 10-6m = 1μm Peso < 10-12g Los microorganismos varían en tamaño, forma, habilidad para usar diferentes sustancias como fuentes de alimentos, métodos de reproducción y complejidad. Clasificación de microorganismos en grupos: Bacterias Virus Algas Protozoos Los anteriores importantes en la calidad del agua Rickettsias Hongos Células microbianas (a excepción de los virus) a) Eucarióticas: Poseen un núcleo verdadero (una estructura envuelta en una membrana que contiene un material hereditario) b) Procariotas: Carecen de un núcleo verdadero o bien definido

A

B

C

D

EFECTO JOULE Si en un conductor circula electricidad, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido al choque que sufren los electrones con las moléculas del conductor por el que circulan elevando la temperatura del mismo; este efecto es conocido como efecto Joule.

Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética (velocidad) que es cedida en forma de calor. Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente". Matemáticamente: Donde:

Q = Energía calorífica producida por la corriente expresada en Julios I = Intensidad de la corriente que circula R = Resistencia eléctrica del conductor t = Tiempo En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras, las calefacciones eléctricas, y algunos aparatos empleados industrialmente como soldadoras, etc. en los que el efecto útil buscado es precisamente el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente. En la mayoría de las aplicaciones, sin embargo, es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos (como el ordenador desde el que está leyendo esto) necesitan un ventilador que disipe el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos. TRASMISION DE CALOR La mayor parte de nuestro análisis se ha referido al calor que se transfiere por conducción, es decir mediante colisiones moleculares entre moléculas vecinas. Por ejemplo si sostenemos una barra de hierro por un extremo y la introducimos al fuego, al cabo de cierto tiempo el calor llegara hasta nuestra mano a causa de un proceso de conducción. El incremento de la actividad molecular en el externo calentando va pasando de una a otra molécula hasta que llega hasta nuestra mano. El proceso continua mientras haya una diferencia de temperatura a lo largo de barra. Conducción: es el proceso por el cual se transfiere energía térmica mediante colisiones de moléculas adyacentes a través de un medio material. El medio en si no se mueve. La aplicación más frecuente del principio de conducción es probablemente la tarea de cocinar; Por otra parte si colocamos la mano por encima del fuego, como se muestra en la figura 18-1b, podemos sentir la transferencia de calor al elevarse el aire caliente. El calor se transfiere mediante el movimiento de las masas en vez de ir pasando a través de las moléculas vecinas. Convención: es el proceso por el cual se transfiere calor por medio del movimiento real de la masa del fluido. Las corrientes de convención constituyen la base de los sistemas para calentar y enfriar la mayoría de las casas. Cuando mantenemos nuestra mano en el fuego la principal fuente de calor es la radiación térmica. La radiación implica ondas electromagnéticas que viajan ala velocidad de la luz y no requieren la presencia de ningún medio material para propagarse. Radiación: es el proceso mediante el cual el calor se transfiere por medio de ondas electromagnéticas. La fuente más evidente de energía radiante es nuestro sol. Ni la conducción ni la convención puede intervenir en el proceso de transferencia que hacen llegar su energía térmica. A través del espacio, hasta la tierra. La enorme cantidad de energía térmica que recibe la Tierra se transfiere por radiación electromagnética. Sin embargo, cuando

entra en juego un medio material, la transferencia de calor que se puede atribuir a la radiación generalmente es pequeña, en comparación con la cantidad que se transfiere por conducción y convicción. Por desgracia, hay gran número de factores que afectan la transferencia de energía térmica por tres métodos. La tarea de calcular la cantidad de energía térmica transferida en un proceso determinado es complicada. Las relaciones que se analizan en las secciones siguientes se basan en observaciones empíricas y se consideran condiciones ideales. El grado en que sea posible encontrar esas condiciones determina, en general, la exactitud de nuestras predicciones. TRANSMICION DE CALOR POR CONDUCCION. Cuando dos partes de un material se mantienen a diferentes temperaturas, la energía se transfiere por colisiones moleculares de la más alta a la más baja temperatura. Este proceso de conducción es favorecido también por el movimiento de electrones libres en el interior de la sustancia. Estos electrones se han disociado de su átomos de origen y tienen la libertad de moverse de uno a otro átomo cuando son estimulados ya sea térmica o eléctricamente. La mayoría de los materiales son eficientes conductores del calor porque tienen cierto número de electrones libres que pueden distribuir calor, además de los que se propagan por agitación molecular. En general, un buen conductor de la electricidad también es eficiente como conductor de calor. La ley fundamental de la conducción térmica es una generalización de resultados experimentales relacionados con el flujo de calor a través de un material en forma de placa. Consideramos una placa de espesor L y área A en la figura 18-2. Una cara se mantiene a una temperatura t y la otra a una temperatura t’.Se mide la cantidad de calor Q que fluye en dirección perpendicular a la cara durante un tiempo t. Si se repite el experimento para diversos materiales de diferentes espesores y áreas de la cara, estaremos en condiciones de hacer algunas condiciones de hacer algunas observaciones generales relacionadas con la conducción de calor: 1.- la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es directamente proporcional a la diferencia de temperatura (At = t´-t) entre las dos caras. 2.- la cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es directamente proporcional al área A de la placa. 3.- La cantidad de calor transferido por unidad de tiempo es inversamente proporcional al espesor L de la placa. Estos resultados se pueden expresar en forma de ecuación introduciéndola constante de proporcionalidad k. Así pues, escribimos H= Q/t = KA (T2-T1/L)

Donde H representa la velocidad con la cual se transfiere el calor. A un cuando la ecuación se estableció para un material en forma de placa, también se cumple para una barra de sección transversal A y la longitud L. La constante de proporcionalidad K es una propiedad de cada materia que se conoce como conductibilidad térmica. A partir de la ecuación anterior, se puede observar que las sustancias con alta conductibilidad térmica son buenas conductoras de calor, mientras que las sustancias con baja conductibilidad son conductoras pobres o aislantes.

La conductibilidad térmica de unas sustancias es una medida de su capacidad para conducir el calor y se define por medio de esta relación: K= QL / At (T1-T2)

El valor numérico para la conductibilidad térmica depende de las unidades elegidas para calor, espesor, área, tiempo y temperatura. Sustituyendo con las unidades del SI para cada una de estas cantidades obtenemos las siguientes unidades aceptadas: UNIDADES SI: J/s.m. °C o bien W/m.K

Como usted recordara, el joule por segundo (J/s) es la potencia en watts (W), y que los intervalos de temperatura kelvin y Celsius son iguales. Por desgracia, actualmente las unidades SI de la conductibilidad se usan poco en la industria. La elección de unidades se hace más a menudo sobre el criterio de la comodidad de la medición. Por ejemplo, en el SUEU, el calor se mide en Btu, el espesor en pulgadas, el área en pies cuadrados, el tiempo en horas, y el intervalo de temperatura en grados Fahrenheit. En consecuencia, las unidades de la conductibilidad térmica a partir de la ecuación (18-2) son SUEU: K= Btu. In/ ft2.h. °F

En el sistema métrico en el caso de la transferencia de calor se emplea más con frecuencia las calorías que el joule. Si un extremo de una barra metálica se colocara sobre una llama mientras el otro extremo se sujeta con la mano, se observara que esta parte de la barra se va calentando cada vez más, aunque no este en contacto directo con la llama. Decimos que el calor alcanza el extremo frió de la barra por conducción a lo largo o a través de la sustancia que la forma. Las moléculas del extremo caliente aumentan la violencia de su vibración si se eleva la temperatura de dicho extremo. Entonces, cuando chocan con sus vecinas que se mueven más lentamente, parte de su energía cinética es compartida con ellas, que la transmiten a su vez a las situadas más lejos de la llama. Por consiguiente, la energía de la agitación térmica se transmite a lo largo de la barra de una molécula a otra, si bien cada molécula permanece en su posición inicial. Es bien sabido que los metales son buenos conductores de la electricidad y así mismo del calor. La aptitud de los metales para conducir la corriente eléctrica es debida al hecho de que en su interior hay electrones llamadas libres, esto es, electrones, electrones que se han desprendido de los átomos de donde procedían. Los electrones libres toman parte en la propagación del calor y son causa de que tomen parte también de la propagación del calor son causa de que los metales sean tan buenos conductores de aquel; en efecto, lo mismo que las moléculas, participan en el proceso de transmitir la energía térmica de las partes mas calientes a las mas frías del metal.

La conducción del calor puede únicamente tener lugar cuando las distintas partes del cuerpo se encuentran a temperaturas diferentes, y la dirección del flujo calorífico es siempre de los puntos de mayor a los de menor temperatura. A veces la definición de igualdad y desigualdad de temperaturas se basa en el fenómeno del flujo calorífico; esto es, si el calor pasa de un cuerpo a otro cuando ambos se encuentran e contacto, la temperatura del primero es, por definición, mayor que la del segundo, y si no hay paso del calor del uno al otro, sus temperaturas son iguales.

T1

T2

TABLA CONDUCTIVIDADES TERMICAS Y VALORES CONDUCTIVIDADES SUSTANCIAS

K (cal.cm/seg.cm2. °C) 0.12 0.49 0.92 0.26 0.02 0.97 0.083

METALES

ACERO ALUMINIO COBRE LATON MERCURIO PLATA PLOMO

VARIOS SÓLIDOS (VALORES TIPICOS)

AMIANTO CORCHO FIELTRO HIELO HORMIGON LADRILLO AISLANTE LADRILLO REFRACTARIO LADRILLO ROJO MADERA VIDRIO

0.0001 0.0001 0.0001 0.004 0.002 0.00035

AIRE ARGON

0.000057 0.000039

0.0025 0.0015 0.003-0.001 0.002

GASES

HELIO HIDROGENO OXIGENO

0.00034 0.00033 0.000056

TRANSMICION DE CALOR POR CONVECCION La expresión conveccion se aplica a la propagación del calor de un lugar a otro por un movimiento real de la sustancia caliente. Son ejemplos de esto la estufa de aire caliente y el sistema de calefacción por agua caliente. Si la sustancia caliente es obligada a moverse por un ventilador o una bomba, el proceso se denomina conveccion forzada; si la sustancia se mueve a causa de diferencias de densidad, se denomina convección natural o libre. La dilatación anómala del agua, tiene una influencia importante en los procesos por el cual se hielan los lagos y estanques en invierno. Consideremos un estanque a una temperatura de 20°C, igual en todas partes, supongamos que la temperatura del aire que se encuentra sobre su superficie a -10°C. El agua de la superficie se enfría, p ejemplo; hasta 19°C. Como consecuencia, se contrae, se hace mas densa que el agua caliente que se encuentra debajo de ella, y se hunde en el agua menos densa, siendo ocupado su lugar por agua a 20°C. Al descender el agua más fría se origina un proceso de mezcla, que continúa hasta que toda el agua se enfría a 3°C, se dilata, es menos densa que el agua situada debajo y, por consiguiente flota a la superficie. La conveccion y la mezcla cesan. Y el resto del agua solo puede perder calor por conducción. Como el agua es un cuerpo muy mal conductor, el enfriamiento tiene lugar muy lentamente después de alcanzada la temperatura de 4°C, resultando que el estanque solo se hiela en su superficie. Después, puesto que la densidad del hielo es mas pequeña que la del agua a 0°C, el hielo flota sobre el agua que se encuentra debajo del y la solidificación solo puede tener lugar a partir de este instante, como resultado de la perdida de calor hacia arriba por conducción. La teoría matemática de la conveccion del calor es muy complicada y no existe ninguna ecuación sencilla para la convección, como la hay para la conducción. Esto es debido al hecho de que el calor ganado o perdido por una superficie a determinada temperatura, en contacto con un fluido a otra temperatura distinta, depende de muchas circunstancias, a saber: De que la superficie sea plana o curva. De que sea horizontal o vertical. De que el fluido en contacto con la superficie sea un líquido o un gas. De la densidad, viscosidad, calor especifico y conductividad térmica de un fluido. De que la velocidad del fluido sea suficientemente pequeña para producir un régimen laminar o lo bastante grande para originar un régimen turbulento. De si tiene lugar evaporación, condensación o formación de películas. El procedimiento adoptado en cálculos prácticos es definir primero un coeficiente de conveccion H por medio de la ecuación: H=hA (t2-t1)

En la que “H” es la corriente calorífica de conveccion (calor ganado o perdido por conveccion por una superficie, por unidad de tiempo), “A” es la área de la superficie y “(t2-t1)” diferencia de temperaturas entre la superficie y la masa principal del fluido. El paso siguiente es la determinación de “h” que sean adecuados para el tipo dado de dispositivo.

T2

T1

La conveccion se ha definido por el proceso por el cual el calor es transferido por medio del movimiento real de la masa de un medio material. Una corriente de líquido o de gas que absorbe energía de un lugar y lo lleva a otro lugar donde lo libera a una porción mas fría del fluido recibe el nombre de corriente de conveccion. Una demostración de laboratorio acerca de las corrientes de conveccion es una secuencia rectangular de tubería de vidrio que se llena de agua y se calienta en una de las esquinas inferiores. El agua que esta cerca de la flama se calienta y se dilata volviéndose menos densa que el agua mas fría que esta sobre ella. A medida que el agua caliente se eleva es remplazada por agua mas fría del tubo inferior. Este proceso continua hasta que una corriente de conveccion contraria al movimiento de las agujas del reloj circula por la tubería. La existencia de dicha corriente se demuestra en forma ostensible dejando caer gotas de tinta por la parte superior abierta. La tinta es transportada por la corriente de conveccion hasta que finalmente regresa a la parte de arriba proveniente de la sección derecha de la tubería. Si el movimiento de un fluido es causado por una diferencia de densidad que acompaña a un cambio en la temperatura, la corriente producida se conoce como conveccion natural. El agua que fluye por la tubería de vidrio Del ejemplo anterior representa una corriente de conveccion natural. Cuando un fluido es obligado a moverse por la acción de una bomba o aspas la corriente producida se conoce como conveccion forzada. Muchas casa se calientan por medio de ventiladores para forzar el aire caliente a desplazarse desde un horno hasta las habitaciones.

Cuando se calienta una habitación utilizado un radiador se producen tanto corrientes de conveccion forzadas como naturales. Una bomba de agua hace circular alo largo de una tubería que va hasta el radiador y de ahí la regresa al calentador del horno. El calor que proviene del agua se conduce a través de las paredes del radiador y de allí al aire que esta en contacto con el. El aire caliente se eleva y se desplaza al aire mas frió por lo cual se establece una corriente de conveccion natural que atraviesa toda la habitación. A un cuado algo del calentamiento se realiza por el proceso de radiación los procesos de conducción y conveccion son mas importantes. Por lo tanto el nombre de radiador es inadecuado. Muchas de las propiedades físicas de un fluido dependen de la temperatura y la presión por eso en la mayor parte de los casos solo se puede hacer en cálculo aproximado del proceso. El coeficiente e conveccion no es una propiedad del sólido o del fluido, si no que dependen de muchos parámetros del sistema.

TRANSMISIÓN DE CALOR POR RADIACIÓN La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas (véase Radiación electromagnética). Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas (véase Movimiento ondulatorio), pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. En 1905, Albert Einstein sugirió que la radiación presenta a veces un comportamiento cuantiado: en el efecto fotoeléctrico, la radiación se comporta como minúsculos proyectiles llamados fotones y no como ondas. La naturaleza cuántica de la energía radiante se había postulado antes de la aparición del artículo de Einstein, y en 1900 el físico alemán Max Planck empleó la teoría cuántica y el formalismo matemático de la mecánica estadística para derivar una ley fundamental de la radiación. La expresión matemática de esta ley, llamada distribución de Planck, relaciona la intensidad de la energía radiante que emite un cuerpo en una longitud de onda determinada con la temperatura del cuerpo. Para cada temperatura y cada longitud de onda existe un máximo de energía radiante. Sólo un cuerpo ideal (cuerpo negro) emite radiación ajustándose exactamente a la ley de Planck. Los cuerpos reales emiten con una intensidad algo menor. CAMBIOS DE FASE Se sabe que la materia puede existir en estado sólido líquido y gaseoso. Así, la sustancia química H2O existe en estado sólido (hielo), liquido (agua) y en estado gaseoso (vapor). Siempre que no se descompongan a elevadas temperaturas, todas las sustancias pueden existir en cualquiera de los tres estados cuando se encuentran en condiciones adecuadas de presión y temperatura. Los cambios de un estado a otro van acompañados de absorción o desprendimiento de calor y, ordinariamente, de cambios de volumen.

Como ejemplo, supongamos que se toma hielo de un frigorífico, dentro del cual la temperatura es de -25°C, se tritura rápidamente, se coloca en un recipiente y se introduce un termómetro dentro de esta masa de hielo. Imaginemos que se rodea el recipiente con una espiral de calefacción que le suministra calor a ritmo constante, y supongamos que el hielo no recibe calor por otro procedimiento. Se observara que la temperatura del hielo aumenta. Tan pronto como se haya fundido la ultima porción de hielo, la temperatura comienza a elevarse de nuevo a ritmo constante, cuando se haya alcanzado la temperatura de 100°C comenzaran a escapar de la superficie liquida burbujas de vapor, o sea, el agua empieza a hervir. La temperatura permanecerá constante en 100°C hasta que toda el agua haya desaparecido. Ha tenido lugar otro cambio de estado pasando de líquido a gaseoso. Si se hubiese recogido todo el vapor, no permitiendo le difundirse, el proceso de calentamiento podría continuar y gas hubiera recibido el nombre de vapor recalentado.

140 120 100 80 60 40 20 0

C1

-20 -40 hielo

SUSTANCIA AGUA ALCOHOL ETILICO AZUFRE MERCURIO NITROGENO OXIGENO PLATA PLATINO PLOMO

agua

vapor

PUNTO NORMAL DE FUSION °C °F 0 32 -114 -174 119 246 -39 -38 -210 -346 -219 -363 961 1762 1775 3232 327 621

vapor recalentado

CALOR DE FUSION cal/g Btu/lb. 79.7 144 24.9 44.8 13.2 23.8 2.82 5.08 6.09 10.95 3.3 5.95 21.1 38 27.2 49 5.86 10.59

PUNTO NORMAL DE EBULLICION °C °F 100 212 78 172 444 831 357 675 -196 321 -183 297

CALOR DE VAPORIZACION cal/g Btu/Lb. 539 970 204 368 65 48 51

117 87 92

Vaporización Hay tres formas en las que puede ocurrir este cambio;(1) revaporización, (2) ebullición y (3) sublimación. Durante la revaporización en la superficie de un líquido mientras las moléculas con más energía abandonan la superficie. En el proceso de ebullición, el proceso de vaporización se presenta en un seno del líquido. La sublimación tiene lugar cuando un sólido se evapora sin pasar por la fase liquida. En cada uno de esos casos, el líquido o el sólido deben perder una cantidad de energía igual al calor latente de revaporización o sublimación. La teoría molecular de la materia supone que un líquido esta formado por moléculas agrupadas muy cerca una de otras. Estas moléculas tienen una energía cinética media que está relacionada con la temperatura del líquido. Sin embargo debido a las colisiones que se producen al azar o al movimiento vibratorio, no todas las moléculas se mueven con la misma rapidez; algunas se mueven más rápidamente que otras. Por el hecho de que las moléculas están muy cercanas entre si, las fuerzas entre ellas son relativamente grandes. A medida de que una molécula se aproxima a la superficie del líquido, experimenta una fuerza resultante que la empuja hacia abajo. La fuerza neta surge del hecho de que no existen moléculas del liquido enzima de la superficie, que equilibren la atracción hacia debajo de la superficie. Únicamente las partículas que se mueven con mayor rapidez pueden llegar a la superficie con la energía suficiente para sobre pasar las fuerzas de oposición. Se dicen que estas moléculas se evaporan debido a que, al abandonar el líquido, se convierten en partículas de gas típicas. No han cambiado químicamente; la única diferencia de un líquido y su propio vapor es la distancia que separa las moléculas. En vista que solo las moléculas con mayor energía son capaces de separarse de la superficie, la energía cinético media de las partículas que permanecen en liquido se reduce. Por lo tanto, la revaporización es un proceso de enfriamiento. La rapidez de revaporización es afectada por la temperatura del liquido, el numero de moléculas por encima del liquido (la presión), el área de la superficie es expuesta y el grado de ventilación presente.

Presión de vapor Se llena parcialmente en un recipiente de agua. La presión que ejerce las moléculas por arriba de la superficie del agua se miden por medio de un manómetro de mercurio de tubo abierto. Cuando una molécula del líquido con alta energía se desprende de la superficie, se transforma en una molécula de aire que se encuentra encima del líquido. Estas moléculas de vapor chocan con las moléculas de aire, con las moléculas de vapor y contra las paredes del recipiente las moléculas adicionales de vapor son la causa de que se eleve la presión dentro del recipiente. Las moléculas de vapor también pueden rebotar contra el líquido, y allí son retenidas con moléculas en estado líquido. Este proceso recibe el nombre de condensación. Al cavo de cierto tiempo, la rapidez de evaporización llega hacer igual a la rapidez de condensación y se produce una condición de equilibrio. En estas condiciones se dice que el espacio situado arriba del líquido esta saturado. A la presión ejercida por vapor saturado contra las paredes del recipiente además, de que la ejercen las moléculas de aire se le conoce como vapor saturado. Esta presión es característica de cada sustancia y depende de la temperatura, pero es independiente del volumen del vapor. La presión del vapor saturado de una sustancia es la presión adicional ejercida por las moléculas de vapor sobre la sustancia y sus alrededores en condiciones de saturación. Una vez obtenida la condición de saturación para una sustancia y su vapor a una temperatura determinada, la presión de vapor permanece esencialmente constante. Si la temperatura se incrementa, las moléculas del líquido adquieren mas energía y la evaporación se produce con mayor rapidez. La condición de equilibrio persiste hasta que la rapidez de condensación se equilibra de nuevo con la evaporización. Por lo tanto, la presiona de vapor saturado de una sustancia aumenta al elevarse la temperatura. Cuando un líquido hierve se puede ver como se elevan las burbujas de su vapor desde el interior del líquido hacia la superficie. El hecho de que dichas burbujas sean estables y no se desintegren indica que la presión del interior de la burbuja es igual a la presión que existe fuera de ella. La presión del interior de la burbuja es presión de vapor a esa temperatura; la presión de afuera es la presión que existe a esa profundidad del líquido. En esta condición de equilibrio, la vaporización se realiza libremente en todo el líquido, dando lugar a una agitación del líquido. La ebullición se define como la vaporización dentro de un líquido cuando su presión de vapor es igual a la presión en el líquido. Si la presión en la superficie del líquido es de un 1atm, como lo seria en un recipiente abierto, la temperatura a la cual ocurre la ebullición se conoce como punto de ebullición normal para ese liquido. El punto de ebullición del agua es 100 grados centígrados por el hecho de que esa es la temperatura a la cual la presión de vapor del agua es 1atm (760ml de mercurio). Si la presión de la superficie de cualquier líquido es menor que 1 atm., se alcanzara la ebullición a una temperatura inferior al punto de ebullición normal. Si la presión externa es mayor que 1 atm. La evicción se iniciara a una temperatura más alta.

FRICCION Siempre que la superficie de un cuerpo desliza sobre la de otro, cada cuerpo ejerce sobre el otro una fuerza de rozamiento paralela a la superficie. La fuerza sobre cada cuerpo es opuesta al sentido de su movimiento respecto al otro. Así, cuando un bloque desliza de derecha a izquierda a lo largo de la superficie de una mesa, actúa sobre el bloque una fuerza de rozamiento hacia la derecha, y una fuerza igual actúa hacia la izquierda sobre la mesa. Las fuerzas de rozamiento pueden ejercerse también cuando hay un movimiento relativo. Una fuerza horizontal actuando sobre una pesada caja de embalaje, que se encuentra en reposo sobre el suelo, puede no ser suficiente para no poner la caja en movimiento, por ser compensada la fuerza aplicada por una fuerza de rozamiento igual ejercida por el suelo sobre la caja. Las causas de estas fuerzas de rozamiento no esta totalmente clara, y su estudio ofrece un campo interesante de investigación. Cuando un metal no lubricado desliza sobre otro parece haber una soldadura momentánea de ambos en las partes salientes que toman contacto. La fuerza de rozamiento observada es la fuerza requerida para romper estas finas soldaduras. El mecanismo de la fuerza de dos bloques de madera, o entre dos ladrillos, debe ser de tipo muy distinto. También actúan fuerzas de rozamiento sobre un cuerpo que se mueve a través de un fluido, se dice que el fluido presenta viscosidad. El movimiento de un cuerpo al rodar sobre otro es obstaculizado por una fuerza que se llama rozamiento de rodadura que se origina por deformación de ambos cuerpos cuando se ponen en contacto. Para dos superficies dadas, el valor máximo de Fs, es proporcional, aproximadamente, a la fuerza normal N. La fuerza normal de rozamiento estático puede tener por consiguiente, cualquier valor comprendido entre cero (cuando no hay una fuerza aplicada a la superficie) y un valor máximo a la fuerza proporcional a la fuerza normal N, o sea que es igual a MsN. El factor Ms se denomina coeficiente estático de rozamiento. Así, F

s

MsN

El signo de igualdad solo es valido cuando la fuerza aplicada T, paralela a la superficie tiene un valor tal que el movimiento esta pronto a iniciarse. Cuando T es menor que este valor es valido el signo de desigualdad, y el valor de la fuerza de rozamiento ha de calcularse mediante las condiciones de equilibrio. Tan pronto como el deslizamiento comienza, se observa que la fuerza de rozamiento disminuye. Para las dos superficies dadas, esta nueva fuerza de rozamiento es también directamente proporcional a la normal N. el coeficiente de proporcionalidad, Mk, se denomina coeficiente de rozamiento por deslizamiento o coeficiente cinético de rozamiento. Así cuando el bloque esta en movimiento la fuerza de rozamiento por deslizamiento esta dada por; Fk=MkN

Los coeficientes estático y cinético de rozamiento dependen principalmente de la naturaleza de ambas superficies en contacto, siendo relativamente grande si las superficies son ásperas y pequeño si son pulidas. El coeficiente cinético por deslizamiento depende un poco de la velocidad relativa.

COEFICIENTES DE FRICCION APROXIMADOS Madera sobre madera Acero sobre acero Metal sobre cuero Madera sobre cuero Caucho sobre concreto seco Caucho sobre concreto mojado

Ms 0.7 0.15 0.6 0.5 0.9 0.7

Mk 0.4 0.09 0.5 0.4 0.7 0.57

POTENCIA MECÁNICA En la definición del trabajo no se especifica cuánto tiempo toma realizarlo. Cuando subes las escaleras con una carga haces el mismo trabajo ya sea que subas lentamente o corriendo. ¿Entonces por qué te sientes más fatigado cuando corres escalera arriba durante unos cuantos segundos que cuando subes tranquilamente durante unos minutos? Para entender esta diferencia es menester referirse a la rapidez con que se hace el trabajo, es decir, a la potencia. La potencia es la razón de cambio a la que se realiza el trabajo. Es igual al cociente del trabajo realizado entre el intervalo de tiempo que toma Realizarlo: Un motor de alta potencia realiza trabajo con rapidez. Un motor de automóvil cuya potencia es el doble de la del otro no produce necesariamente el doble de trabajo o el doble de rapidez que el motor menos potente. Decir que tiene el doble de potencia significa que puede realizar la misma cantidad de trabajo en la mitad del tiempo. La ventaja de un motor potente es la aceleración que produce.

Se puede considerar la potencia de la siguiente manera: un litro de gasolina puede realizar una cantidad de trabajo dada, pero la potencia que produce puede tener cualquier valor, dependiendo de qué tan aprisa se consuma. Como puedes notar tanto el trabajo T como el tiempo t son magnitudes escalares, por lo que la potencia también es un escalar. Si la fuerza que efectúa trabajo es constante y desplaza el cuerpo una distancia d en la misma dirección y sentido, se tiene que el trabajo es: T = F.d; dando lugar que; donde d/t mide el valor de la rapidez media del cuerpo, por lo que la potencia se puede escribir como P= F.v Así por lo tanto, la potencia se puede medir mediante el producto de la velocidad por la magnitud de la fuerza que actúa a lo largo de la dirección de la fuerza. La unidad de potencia es el joule por segundo, también llamado watio (En honor a James Watt, quién desarrolló la máquina de vapor a fines del siglo XVIII). Se gasta un Watio (W) de potencia cuando se realiza un joule de trabajo en un segundo. Un Kilowatio (Kw.) es igual a 1000 Watios. Es de uso común en los recibos de luz la unidad kilowatio-hora (Kw.-h), la cual es una unidad de energía o trabajo y se deriva de T = P.t., donde P se mide en Kw. y el tiempo en horas.

Un Megawatio (MW) es igual a un millón de Watios. Un motor de 100 W es el que consume 100 joules en un segundo. Otras unidades de uso frecuente son el caballo de fuerza (Horse Power, HP) y el caballo de vapor (CV) 1HP = 746 W 1 CV = 735 W ENERGÍA MECÁNICA Es la energía que se debe a la posición o al movimiento de un objeto. Cuando el agua de una represa se desprende, la energía potencial se convierte en energía cinética y la suma de ambas conforma la energía mecánica. Cuando se realiza trabajo para dar cuerda a un mecanismo de resorte, el resorte adquiere la capacidad de realizar trabajo sobre los engranajes de un reloj, de un timbre o de una alarma. En cada uno de estos casos se ha adquirido algo. Este “algo” que adquiere un objeto le permite hacer trabajo. Puede darse en la forma de una comprensión de los átomos del material de un objeto; puede ser la separación física de cuerpos que se atraen; puede tratarse de un reordenamiento de cargas eléctricas en las moléculas de una sustancia. Ese “algo” que permite a un objeto realizar trabajo es energía. Igual que el trabajo, la energía se mide en joules.

TRABAJO Y TEOREMA DE TRABAJO-ENERGIA CINETICA Sabemos ya que una fuerza es capaz de modificar el estado de movimiento de un cuerpo. Si recordamos algunos casos podemos llegar a conclusiones interesantes. Por ejemplo, si se tiene una partícula con velocidad inicial en dirección al eje x positivo y se aplica una fuerza constante en esta misma dirección, observamos que la magnitud de la velocidad de la partícula está aumentando continuamente. Por otro lado, en el caso del movimiento circular uniforme, la magnitud de la velocidad de la partícula se mantiene constante, mientras que la fuerza aplicada esta ahora en dirección siempre perpendicular al movimiento. De acuerdo con estos ejemplos, parecería ser que es de la componente de la fuerza en la dirección del movimiento la que es capaz de modificar la magnitud de la velocidad de una partícula. Para investigar esta proposición observemos que de acuerdo a la segunda ley de newton, si F es la fuerza total sobre una partícula entonces V . Mdv / Dt= V.F y por otro lado V.Dv /Dt= Vx DVx / Dt + Vy DVy / Dt = D (½ Vx2) / Dr + D (½ Vy2) / Dt = Dv2/ Dt, obteniendo por lo tanto: D / DT (½ MV2) = F.V = F (cos) v

Esta ecuación nos dice que en efecto, es la componente de la fuerza en la dirección del movimiento (F cos) la que influye en la variable de V2. De la ecuación anterior podemos obtener otras conclusiones de considerable importancia. Si en esa ecuación observamos que V= Dr / Dt y además multiplicamos la ecuación por Dt, obtenemos:

D (½ Mv2)= F.Dr= F II Dr II cos

Es decir si la partícula ha seguido una cierta trayectoria en el espacio y fijamos nuestra atención a cualesquiera dos instantes t1 y t2 obtenemos:

D (½ Mv2)

=

F. Dr.

Trayectoria

Trayectoria

De t1 a t2

de t1 a t2

Y como en el término de la izquierda se tiene una diferencial exacta se tiene: Pero es interesante, que según el resultado, si se conoce previamente la forma de la trayectoria del cuerpo podemos calcular la velocidad cualquier punto “P” conociendo la velocidad en el punto “P”. Para esto bastaría con poder calcular la integral que esta en el lado derecho de la desigualdad. Y lo importante es que esta integral se podrá calcular de manera sencilla en muchos casos, se llama el trabajo efectuado por la fuerza “F”, generalmente se denota un trabajo con la letra “W”. A la cantidad (½) Mv2 se la llama energía cinética. Se le denomina generalmente con la letra “T”. Con la nomenclatura el resultado anterior simplemente establece que: El cambio de la energía cinética de una partícula es igual al trabajo efectuado sobre ella. Debido a su uso frecuente es útil hacer una observación de que: el trabajo de la fuerza resultante es la suma de los trabajos hechos por cada una de las fuerzas aplicadas a las partículas. Esto se debe a que si Fr= F1 + F2 + entonces Ft. Dr= F1. Dr + F2 .Dr. Las unidades del trabajo son las mismas que las de la energía cinética y se les llama unidades de energía. Así pues energía=fuerza. Distancia= masa. Longitud2. Tiempo-2. En el SI. De unidades la unidad de energía es el joule o julio: JOULE= J = Kg. M2. S-2

Una consideración que nos será útil en varios casos, es que si la partícula se mueve en una trayectoria perpendicular en todo punto a la fuerza normal N según nuestro SI. ; Entonces N.Dr = 0 por lo que concluimos que la normal no hace trabajo.

ENERGIA POTENCIAL Hemos visto que el trabajo hecho por la gravedad sobre una partícula de masa M solo depende del cambio de alturas: Wg = -Mg (H2 – H1)

Y no de la trayectoria especifica seguida. Si la única fuerza que hace trabajo es la gravedad tenemos entonces: ½ Mv2 + Mgh = ½ Mv + Mgh

O sea, en estos casos la suma de energía cinética y “Mgh” se mantiene constante durante todo el movimiento de la partícula. Observemos que este resultado solo ha usado esencialmente el hecho de poder expresar al trabajo de P a P’ como una diferencia: algo – algo. Decimos que un campo de fuerzas F sobre M que tiene esta propiedad es conservativo. Es decir: Si dado el campo de fuerzas F aplicado sobre M, existe alguna función U de la posición de M tal que, para cualquier trayectoria de P a P’ el trabajo W vale (U’-U), entonces F es un campo conservativo. Una condición necesaria para que F sea conservativa se puede obtener al considerar una trayectoria que vaya de P al mismo punto P. en este caso debido a que P’ = P tenemos U’ = U por lo que concluimos que: Es necesario para que F sea conservativa. En el caso de una fuerza de rozamiento, es claro que QW