FENOMENOS-DE-TRANSPORTE-I

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PROYECTO EDUCATIVO 
PROGRAMA DE INGENIERÍA QUÍMICA 
 
 
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UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 
ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA 
INGENIERÍA QUÍMICA 
Nombre de la asignatura: FENÓMENOS DE TRANSPORTE I 
Código: Semestre: 5 Requisitos: ECUACIONES 
DIFERENCIALES; 
ESTEQUIOMETRÍA 
Intensidad horaria semanal : 12 
TAD: 4 TI: 8 Número de créditos: 4 
 
JUSTIFICACIÓN: 
 
Este curso sentará las bases del conocimiento científico y tecnológico del futuro Ingeniero Químico junto a otras 
asignaturas como son las matemáticas, los balances macroscópicos de materia y energía, y termodinámica. De otro lado, 
una de las principales razones de ser, del Ingeniero Químico es la transformación de la materia en nuevos productos con 
mayor valor y que redunden en el bienestar de la sociedad. Para esto, el Ing. Químico se basa en diferentes Operaciones 
Unitarias como la destilación, absorción, secado, etc., las cuales por si solas cumplen pequeños objetivos dentro de un 
proceso, pero que juntas se pueden ver como el engranaje necesario para transformar nuestro entorno. 
 
Con base en lo expuesto, este curso es necesario e importante porque da los fundamentos de los fenómenos de 
transferencia de momento, masa y energía que, a su vez, son la piedra angular del diseño y el manejo eficiente de 
equipos usados en la transformación física y química de la materia. Adicionalmente, este curso enseña a relacionar 
fenómenos físicos y químicos con el lenguaje matemático, lo que permitirá al estudiante y futuro ingeniero plantear 
modelos que describan situaciones como operaciones y procesos, simular comportamientos, diseñar, tomar decisiones 
sobre bases fundamentadas en la concepción de “Hacer con fundamento en el saber”. 
 
Desde esta perspectiva dentro del curso se estudian conjuntamente los fenómenos de transporte de tres entidades o 
magnitudes (cantidad de movimiento, masa y energía) por mecanismo molecular y convectivo, para dar al estudiante una 
visión global de su efecto en diferentes situaciones, usando una aproximación diferencial. 
 
Dentro del currículo de la carrera, este curso es dado a estudiantes de 5to semestre que tengan apropiados 
conceptos de balances de materia y energía desde una aproximación macroscópica y que tenga conocimiento de 
la solución de ecuaciones diferenciales. Con estos requerimientos cumplidos, al final del curso el estudiante tendrá los 
conceptos necesarios sobre los cuales se diseñará en los curso operaciones unitarias (OPUS) I y II. 
 
La metodología corresponderá a las clases magistrales con participación de los estudiantes a través de preguntas y 
respuestas de problemáticas específicas, lecturas relevantes a los temas en cuestión y ocasionalmente ayuda 
audiovisuales como películas. 
 
 
PROPÓSITO DE LA ASIGNATURA: 
 
 Ofrecer experiencias que permita a los estudiantes identificar los fenómenos de transporte como fundamento de 
los procesos físico-químicos y/o las operaciones unitarias. 
 Promover en los estudiantes la aplicación de conceptos sobre mecanismos y cinética de los fenómenos de 
transferencia de masa, calor y cantidad de movimiento. 
 Favorecer la construcción de modelos matemáticos que describan situaciones (operaciones o procesos) en los que 
ocurra fenómenos de transporte (cantidad de movimiento, energía y/o masa) en sistemas homogéneos, en estado 
estacionario o no estacionario, en régimen laminar o turbulento. 
 
OBJETIVOS DE APRENDIZAJE: 
 
Al finalizar el curso el estudiante estará en capacidad de: 
 
 Explicar el concepto físico de los coeficientes de transporte (viscosidad, conductividad térmica y coeficiente de 
difusión) desde un punto de vista macroscópico a partir de sus ecuaciones constitutivas y desde el punto de vista 
molecular por medio de la teoría cinética de gases. 
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 Calcular valores estimados de los coeficientes de transporte a través de relaciones apropiadas. 
 Distinguir el orden de magnitud de los coeficientes de transporte según el estado de la materia: sólido, líquido o 
gaseoso. 
 Diferenciar entre transporte convectivo y molecular y las expresiones matemáticas que definen cada uno de estos. 
 Describir el significado físico de cada uno de los términos que componen las ecuaciones de balance de cantidad de 
movimiento, energía térmica para fluidos puros y de balance de especies químicas (mezclas diluidas) con sus 
respectivas condiciones de frontera. 
 Proponer y resolver modelos matemáticos unidireccionales de operaciones unitarias identificando su rango de 
aplicación. 
 Distinguir entre fluidos newtonianos y no newtonianos y su implicación en la resolución de problemas de flujo que 
involucren la ecuación de cantidad de movimiento. 
 Reconocer las diferencias entre la ecuación de energía para fluidos puros y mezclas multicomponentes. 
 Plantear modelos matemáticos a partir de las respectivas ecuaciones de balance para problemas acoplados de 
cantidad de movimiento-transferencia de masa y cantidad de movimiento y energía. 
 Distinguir entre fenómenos de convección natural y forzada y su implicación en la solución de problemas. 
 Comprender el concepto de regímenes de flujo laminar y turbulento y la diferencia que existe en su planteamiento 
matemático. 
 
 
 
 
 
 
CONTENIDOS: 
 
(Los capítulos corresponden a la referencia 1 de la bibliografía) 
 
1. CONCEPTOS BÁSICOS 
 
1.1. Fenómenos de transporte y operaciones Unitarias. 
1.2. Mecanismo molecular de transporte de cantidad de movimiento, energía y masa. Propiedades de transporte. 
Analogías y diferencias. 
1.2.1. Ecuaciones de Fourier, Newton y Fick. Comparar con ley de Ohm, Hooke, Poiseuille. 
1.3. Mecanismo convectivo de transporte de cantidad de movimiento, energía y masa. Propiedades de transporte. 
Analogías y diferencias. Estimación de propiedades de transporte. 
 
Capítulo1: Ley de Newton de la viscosidad. Definición de Viscosidad cinemática. Unidades de viscosidad. 
Capítulo 9: Ley de Fourier de la conducción de calor. 
Definición de conductividad térmica. Difusividad térmica y el Número de Prandtl. Unidades de la conductividad térmica. 
Orden de magnitud de la conductividad térmica y número de Prandtl para gases líquidos y sólidos. 
Capítulo 17: Ley de Fick para difusión de sistemas binarios. Definición de difusión de especies. Unidades de los 
coeficientes de difusión de especies. Números adimensionales. Concentraciones molar y de masa. Velocidad promedio 
molar y másica. 
 Expresiones para la estimación de propiedades de transporte en gases de baja densidad. 
Capítulos 1, 9 y 17: Expresiones para la estimación de propiedades de transporte en gases de alta y baja densidad, 
líquidos suspensiones diluidas. 
 
Primer Examen Parcial (Fecha probable: Cuarta semana del Semestre) 
 
2. TRANSPORTE EN FLUJO LAMINAR, FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS 
 
2.1. Concepto de balance diferencial. Distribuciones de velocidad y temperatura. 
2.2. Ecuaciones de cambio de moméntum y energía para fluidos puros. 
2.3. Ejercicios y aplicaciones en sistemas unidimensionales 
2.4. Reología. 
2.4.1. Conceptos. Viscosidad no Newtoniana 
2.4.2. Ecuaciones reológicas o modelos sencillos en estado estable y transitorio. Fluidos viscoelásticos. 
 
Capítulo 2: Número de Reynolds, hipótesis del continuo. 
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Ecuación de continuidad. Ecuación de movimiento. La ecuación de cambio en términos de la derivada sustancial. 
Aplicaciones. 
Capítulo 10: La ecuación de energía. Diferentes formas de la ecuación de energía. La ecuación de energía mecánica y 
de energía calorífica. La ecuación de movimiento de Boussinesq para convección libre. Problemas típicos. 
Capítulo 8: Introducción a la reología. 
 
Segundo Examen Parcial (fecha probable: Octava semana del semestre) 
 
3. TRANSPORTE EN FLUJO LAMINAR, FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS 
 
3.1. Concepto de balance diferencial. Distribuciones de composición3.2. Ecuación moméntum y energía para sistemas multicomponentes. 
3.3. Ejercicios y aplicaciones en sistemas para transporte de moméntum, energía y especies en dos dimensiones. 
3.4. Problemas de masa y energía acoplados. 
3.5. Problemas de transporte en estado transitorio. 
 
Capítulo 18: Ecuaciones de continuidad para un componente en mezclas multicomponentes y sus simplificaciones. 
Aplicaciones con y sin reacción química 
Capítulos 3, 11 y 19 
 
Tercer examen parcial ( fecha probable: Doceava semana del semestre) 
 
4. RÉGIMEN TURBULENTO 
 
4.1. Conceptos y Analogías. 
4.2. Distribución de velocidad. 
4.3. Distribución de temperatura 
4.4. Distribución de concentración 
4.5. Factor de Fricción y diagrama de Moody. 
 
Capítulo 5: Ecuaciones de cambio suavizadas en el tiempo o de tiempo ajustado. Perfiles de velocidad suavizados en el 
tiempo. Expresiones empíricas para expresar para densidades de flujo de cantidad de movimiento turbulento. 
 Perfil universal de velocidad. 
Capítulo 13: Ecuaciones de cambio suavizadas en el tiempo para flujo No-isotérmico. Expresiones empíricas para 
densidades de flujo de energía turbulento. Aplicaciones. 
Capítulo 21: Ecuación de continuidad para una especie suavizada en el tiempo. Expresiones empíricas para densidades 
de flujo de masa turbulento. 
Aplicaciones. 
Cuarto examen parcial ( Según calendario de la universidad ) 
 
ESTRATEGIAS DE ENSEÑANZA Y APRENDIZAJE: 
 
El estudiante será el responsable de su propio aprendizaje, desarrollará habilidades de buscar, seleccionar analizar y 
evaluar la información, asumiendo un papel activo en la construcción de su propio conocimiento. Interactuará con el 
profesor, con sus compañeros en subgrupos y con el grupo total. Específicamente el estudiante desarrollará las 
siguientes actividades: 
 
 Lectura individual previa a cada sesión y durante la sección de los diferentes temas del curso. 
 Análisis y discusión de diferentes artículos científicos relacionados con el curso. 
 Asignaciones periódicas de exposiciones ensayos y talleres. 
 
 
 
SISTEMA DE EVALUACIÓN: 
 
Indicadores de Aprendizaje 
 
 Reduce las ecuaciones de balance a otras de menor dificultad justificando adecuadamente las simplificaciones 
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realizadas 
 Identifica adecuadamente situaciones donde puede usar aproximaciones de cuasi estado estacionario, resistencias 
en serie, relaciones de simetría o razones de tamaño. 
 Selecciona las condiciones de frontera adecuadas para un problema particular 
 Resuelve problemas de transporte de momento, energía y masa unidimensionales y plantea el modelo matemático 
de procesos de transporte acoplados 
 Extrae la información relevante y realiza ensayos críticos de artículos de literatura científica 
 Propone experimentos o procesos donde usa los conceptos de fenómenos de transporte 
 
Estrategias de Evaluación 
 
 Asignación de problemas y demostraciones que requieran el uso de conceptos básicos del cálculo vectorial y 
solución de ecuaciones diferenciales ordinarias 
 Asignación de problemas conducentes a adquirir habilidad para la identificación de diferentes procesos de 
transporte de momento, energía y masa de los mecanismos por los cuales se lleva a acabo el transporte. 
 Discusión en clase de modelos matemáticos rigurosos de masa y energía, versus modelos simplificados usando 
conceptos de simetría, resistencias en serie y escalas de tiempo. 
 Desarrollo de talleres, clase donde se discuta literatura científica acerca de problemas de transporte con 
transferencia de masa y energía a través de una interfase y/o problemas donde se acoplen dos o tres de estos 
fenómenos. 
 Presentación de videos de tópicos especiales en mecánica de fluidos (derivada material y reología) 
 
Equivalencia Cuantitativa. 
 
 Tareas, exposiciones, y talleres: 20% de la nota final del curso. 
 Cinco exámenes de contenidos teóricos con valor de 20% de la nota final del curso para cada uno. 
 
BIBLIOGRAFÍA: 
 
1. Morton M. Deen, Process fluid mechanics. Prentice-Hall. 
2. Modeling in transport phenomena. A conceptual approach. Tosun I., Elsevier. 2007. 
3. Incropera, De. Introduction to Heat transfer. Wiley. 
4. Hines A., Maddox R. Mass transfer Fundamentals and applications. Prentice Hall 
5. Treybal R.E. Operaciones Unitarias de transferencia de masa, McGraw-Hill. 
6. M. M. Denn. Process Fluid Mechanics. Prentice-Hall. 
7. Bird, Steward y Lightfoot, (BSL) Transport Phenomena, Second Edition, John Wiley & Sons. 2002 
8. Hershey, H.C., Transport Phenomena, A. Unified Approach, McGraw Hill Book Co., 1988