DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE DIFUSIÓN DE SUSTANCIAS PURAS EN AIRE MEDIANTE EL MÉTODO DE TUBOS DE ESTEFAN

Resumen— Se propone un experimento que permite el estudio de la difusión del vapor de un líquido volátil en el aire, se implementó un sistema el cual constaba de tres capilares que contenían sustancias liquidas volátiles diferentes (etanol, Alcohol isopropílico, acetona), se usó la técnica del tubo de evaporación a temperaturas que iban desde los 50 °C hasta 60 °C.  

Palabras clave: coeficiente de difusión, ley de Fick, tubo de Stefan, transporte molecular.

Abstract— An experiment is proposed that allows the study of the diffusion of the vapor of a volatile liquid in the air, a system was implemented which consisted of three capillaries containing different volatile liquid substances (ethanol, isopropyl alcohol, acetone), was used the evaporation tube technique at temperatures ranging from 50 ° C to 60 °C.

Keywords: diffusion coefficient, Fick law, Stefan tube, molecular transport.

1. Introducción

Los fenómenos de transporte (masa, momento o energía) tienen lugar en aquellos procesos, conocidos como procesos de transferencia en una o varias direcciones bajo la acción de una fuerza impulsora [1]. El modelo matemático que describe la transferencia molecular de masa es conocido como Ley de Fick, en unos sistemas o proceso puede ocurrir solo difusión o bien, difusión más convección. La transferencia de masa cambia la composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no implican necesariamente reacciones químicas y se caracteriza por transferir una sustancia a través de otra u otras a escala molecular. La principal causa de la difusión es la existencia de un gradiente de concentración del componente que difunde. Cuando en un sistema termodinámico multicomponente hay un gradiente de concentraciones, se origina un flujo irreversible de materia, desde las altas concentraciones a las bajas. A este flujo se le llama difusión [2]. La difusión tiende a devolver al sistema a su estado de equilibrio, de concentración constante. La ley de Fick nos dice que el flujo difusivo que atraviesa una superficie (J en mol cm-2 s -1) es directamente proporcional al gradiente de concentración. El coeficiente de proporcionalidad se llama coeficiente de difusión (D, en cm2 s -1). En el presente trabajo se pretende calcular el coeficiente de difusión del (etanol, alcohol isopropílico, acetona) en aire, experimentalmente mediante la técnica del tubo de evaporación. Los valores del coeficiente de difusión fueron comparados con los reportados en la literatura.

1. Ley de Fick

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De acuerdo con la ley de Fick, el flujo  JA (masa de vapor que atraviesa la sección A del tubo en la unidad de tiempo) es proporcional al gradiente de concentración. La constante de proporcionalidad se denomina coeficiente de difusión D.

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La masa de vapor que atraviesa la sección A del tubo en la unidad de tiempo JA, será igual a la masa de líquido evaporado en la unidad de tiempo. Si A·dh es el volumen evaporado en el tiempo dt y ρ es la densidad del líquido

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Llegamos a la ecuación

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Integramos con las condiciones iniciales siguiente: en el instante t=0, h=0, que da

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La concentración de vapor saturado  se puede determinar a partir de los datos de la presión de vapor saturado  que suministran las tablas. Suponiendo que el vapor saturado se comporta como un gas ideal[pic 7][pic 8]

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Siendo m la masa (en gramos) del gas y V su volumen (en litros), la concentración  en . La presión de vapor  se suele dar en mm de mercurio (torr), 1/760 de una atmósfera y la temperatura en Kelvin, de modo que la concentración de vapor  se calcula mediante la siguiente fórmula [pic 10][pic 11][pic 12][pic 13]

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Con el objetivo de hallar el coeficiente de difusión

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1. Metodología

Sustancias empleadas:

• Etanol (C2H5OH) con 96% pureza.
• Alcohol isopropílico (C3H8O) con 90% pureza.
• Acetona (C6H14O2) con 90% pureza.

Instrumentos

• 3 capilares de 2 mm de diámetro y 10 cm de largo-
• Secadora (fuente emisiva de flujo de aire).
• Caja del sistema

Para la determinación del coeficiente de difusión se utilizó el modelo del tubo de Stefan un método sencillo el cual consiste en hacer pasar una corriente de gas (aire) por la boca del tubo capilar que contiene el líquido a difundir, para esto se tuvo 3 tubos capilares de 2 mm de diámetro y 10 cm de largo cada uno se llenó con líquidos A (etanol, alcohol isopropílico, acetato de amilo) seguido a esto se puso en contacto cada uno de ellos con un gas B (aire) de una secadora.

Se tomó la altura inicial de cada líquido en el capilar, a medida que el líquido se evapora desciende la columna del líquido en el capilar y se mide esta distancia h, que es desde el extremo superior del tubo hasta la parte inferior del menisco en un determinado intervalo de tiempo.

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Figura 1. Esquema general de un tubo de Stefan.

El proceso de difusión se da siempre que se establezca un gradiente de concentración.

1. Resultados y discusión

B. Datos experimentales

1. Medidas con flujo de aire a 50 °C

Tabla 1. Medidas del etanol.

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