FENOMENOS DE TRANSPORTE
Luis Zárate
La palabra transporte podría llevarnos por lugares in imaginados, desde algún lugar de nuestra tierra a cualquier rincón de la galaxia más lejana, y no solo por el significado que fácilmente nos induce a pensar en el movimiento y transferencia de personas u objetos; sin embargo ¿la transferencia de alguna manifestación perceptible por un sujeto? ¿el transporte de algún fenómeno? podría conducirnos al relato y a la novela del más puro surrealismo, no queda en la obviedad el transporte de cantidades tales como la energía, el movimiento y la masa, no obstante en ingeniería química, existe ya una tradición en el transporte de dichas cantidades.
El trabajo de muchos ingenieros en la industria implica el desarrollo de procesos y el diseño y explotación de plantas. Desarrollo de un proceso es una expresión utilizada por los ingenieros para describir la búsqueda del equipo y condiciones óptimas para el proceso. Los pasos que constituyen el proceso son normalmente conocidos. La misión del ingeniero químico en el diseño consiste generalmente en determinar ciertas características generales y dimensiones del equipo. En todas estas tareas ha sido posible clasificar una serie de etapas individuales y diferentes llamadas operaciones unitarias (secado, evaporación, destilación, extracción, lixiviación, separaciones mecánico-físicas). Muchas de estas operaciones unitarias comparten ciertos principios básicos o fundamentales (transferencia de calor, de momento y de masa). Estos fenómenos son denominados por los ingenieros como fenómenos de transporte); dicho de otra forma, el estudio de los fundamentos de las llamadas operaciones unitarias, resulta ser un estudio del transporte de energía, de la masa o de momento.
Transferencia de momento
Se ocupa del estudio de ?la cantidad de movimiento? que se presenta en los materiales que se desplazan, tal como sucede en las operaciones unitarias de mezclado, sedimentación, flujo de fluidos. Por otra parte su aplicación también se encuentra en los sistemas típicos de conversión de energía (turbinas de vapor, centrales hidroeléctricas, molinos de viento), así como en equipos auxiliares tales como bombas, compresores, sistemas de tuberías, etc.
Transferencia de calor
Uno de los principales fenómenos que se presentan en diversas operaciones unitarias es el transporte de calor, presente de una forma clara en operaciones tales como la evaporación, el secado y la destilación.
Transferencia de masa
Proceso fundamental en el que se observa el transporte de masa de una fase a otra fase diferente. En diversas operaciones unitarias es necesario este transporte: destilación, absorción, extracción, lixiviación.
Por otra parte, cualquier análisis de los problemas de transferencia o transporte de las propiedades antes mencionadas, deben ser consistentes con las leyes fundamentales que rigen en la naturaleza:
Ley de la conservación de la masa
Leyes del movimiento de Newton
Leyes de la termodinámica
Dichas leyes son aplicadas a sistemas o volúmenes de control.
SISTEMA, VOLUMEN DE CONTROL Y BALANCES
Se denomina sistema a un conjunto de materia constante elegido arbitrariamente para su análisis, puede variar de forma, pero la masa contenida en él no. En la figura 1.1 se representa por las líneas punteadas. Todo lo externo al sistema constituye el entorno y el sistema está separado de su entorno por su fronterao contorno.
En la mayoría de problemas en los que interviene un fluido en movimiento resulta complicado identificar los sistemas. Además, si lo que se pretende es cuantificar en un instante determinado una propiedad del sistema, como la masa, la energía, la presión etc. o bien las posibles variaciones de esta propiedad con respecto al tiempo en  una posición determinada del espacio cuando un fluido circula a través del sistema, es preferible hacer el análisis empleando el concepto de volumen de control.
Se denominavolumende control a una región constante del espacio a través de la cual pasa una propiedad (materia, energía o cantidad de movimiento). Esta región puede ser fija o estar en movimiento, y dicho movimiento puede ser uniforme (inercial) o acelerado (no inercial). La frontera que delimita este volumen, definida por las líneas continuas, recibe el nombre de superficie de control.
Figura 1.1
Nótese que ambos (sistema y volumen de control) pueden ser infinitesimalmente pequeños (diferenciales) o finitos (integral).
La diferencia entre sistema y volumen de control consiste en que, mientras el volumen del sistema puede variar de forma siempre que la cantidad de masa en su interior se conserve, el volumen de control no modifica su forma pero si lo hace la masa contenida en él, la cual puede atravesar el mencionado volumen por las superficies de control.
Como ya se ha dicho, en problemas de flujo suele preferirse el concepto de volumen de control, por lo que en este curso nos enfocaremos por esta descripción.
Al utilizar para el análisis el enfoque de volumen de control, se tiene la opción de optar  por un estudio del flujo en puntos fijos que nos conducirá a la obtención de ecuaciones diferenciales (volumen de control infinitesimal) o bien optar en un estudio de volúmenes fijos que lleven a la obtención de ecuaciones integrales (volumen de control finito). Una vez obtenidas las ecuaciones diferenciales, las integrales pueden obtenerse con facilidad, y viceversa. La mejor opción dependerá de la información que se tenga y de lo que se requiera saber, es decir, ambas opciones tienen ventajas e inconvenientes. En la tabla 1.1 se comparan ambas opciones.
Tabla 1.1 Comparación entre las formulaciones   diferencial y de volumen de control finito
Ventajas Desventajas
Volumen de   control
Se obtienen ecuaciones diferenciales que con frecuencia son difíciles   de resolver.
Diferencial
Muestra todos los detalles del flujo de la propiedad
La resolución numérica del problema es casi siempre más cercana a la   realidad, además de más práctica que la resolución analítica, y por tanto,   requiere del uso de computadora
Obliga a los flujos que atraviesan el sistema a cumplir las leyes   fundamentales en todos los puntos del mismo.
Puede proporcionar más  información de la que realmente se necesita.
Resuelve el problema con un mínimo de información inicial.
Finito
Las herramientas matemáticas que se requieren son más sencillas.
No muestra todos los detalles del flujo de la propiedad que se   estudia.
No obliga al flujo que atraviesa el sistema a cumplir las leyes   fundamentales en todos los puntos del mismo.
Las hipótesis y aproximaciones son menos sensibles y frecuentemente   se obtienen aproximaciones útiles con suposiciones  simples.
Con frecuencia sólo proporciona la información que realmente es   necesaria.
Con frecuencia se obtienen solamente respuestas aproximadas.
Requiere más información de inicial.
Con frecuencia no proporciona toda la información necesaria.
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