CENTRO DE INVESTIGACIN Y DE ESTUDIOS AVANZADOS DEL INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL Unidad Saltillo

Carrera: Maestra en Ingeniera Metalrgica

Materia: Fenmenos de Transporte en Ingeniera Metalrgica

rea del Conocimiento: Ciencias de la Ingeniera

Datos generales de la Materia:

Nombre:

Nivel: Carrera:

Frecuencia (h/semana): Teora: Problemas: Total horas:

Fenmenos de Transporte en Ingeniera Metalrgica Maestra en Ciencias Maestra en Ciencias en Ingeniera Metalrgica

3 1 64 - Octubre 2013

Prerrequisitos: Haber aprobado el curso de prerrequisitos de Matemticas.

Recomendaciones para cursarla: Es obligatoria puesto que es vital para abordar de manera cuantitativa estudios orientados a Metalurgia Extractiva, Fsica y Mecnica y fusionar su conocimiento dentro del rea de la Metalurgia de Procesos.

Objetivo general: Desarrollar la habilidad de los estudiantes para cuantificar de manera analtica la rapidez con la que ocurren procesos que impliquen la transferencia de masa, energa y momentum.

Objetivos especficos: Conceptuales (conocimientos):

Al finalizar el curso el estudiante deber:

Conocer los principios de conservacin de masa, energa y momentum aplicados a sistemas abiertos y expresados como ecuaciones diferenciales parciales.

Conocer y seleccionar las condiciones iniciales y a la frontera pertinentes a

cada problema particular.

Conocer e identificar los mecanismos de transporte de masa, energa y

momentum.

Conocer los mtodos ms comunes para determinar los coeficientes de

transporte.

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Procedimentales (habilidades): El estudiante ser capaz de:

Plantear ecuaciones algebraicas o diferenciales de conservacin de masa, energa y momentum en sistemas abiertos.

Resolver ecuaciones de conservacin de masa, calor y momentum unidimensionales, en condiciones estacionarias o transitorias, aplicando las respectivas condiciones iniciales y de frontera.

Identificar aquellos problemas que deben tratarse en 2 y 3 dimensiones.

Evaluar coeficientes de transporte requeridos para los sistemas comunes en el procesamiento de metales.

Calcular flujos de masa, energa y momentum a partir de las soluciones de las ecuaciones de conservacin respectivas.

Comunicarse en el tema con ingenieros de otras especialidades. Analizar crticamente tanto sus propios resultados como los reportados en la

literatura de la especialidad.

Actitudinales (actitudes): Desarrollar en el estudiante:

Disposicin para el anlisis cuantitativo de los fenmenos, la bsqueda y el anlisis de la informacin relevante.

Responsabilidad en el cumplimiento de las actividades y tareas asignadas.

Honestidad en el desarrollo de sus actividades de aprendizaje.

Actitud de superacin basada en el trabajo.

Disposicin para trabajo tanto individual como en equipo.

Descripcin sinttica (mximo 350 palabras): La clase consta de 16 sesiones de 4 horas de duracin cada una de ellas, incluyendo 1 hora para resolucin de problemas. Al trmino de las primeras 8 sesiones se aplica el examen de medio trmino y al finalizar las 16 sesiones el examen final. En el transcurso de cada sesin los estudiantes resuelven problemas en el aula asistidos por el titular y problemas extra-clase para reafirmar los conceptos importantes de cada unidad. La solucin de los problemas se efecta de manera manual para que se comprenda perfectamente la metodologa de solucin. Ocasionalmente se implementarn soluciones exactas en hoja de clculo.

Aportacin de la asignatura al Perfil del Egresado: Proporcionar a los estudiantes una herramienta analtica para la comprensin cuantitativa de los fenmenos de transporte de masa, energa y momentum, que les permita planear su trabajo en planta o en laboratorio de manera eficiente y les despierte el inters por procurar evaluar sus resultados de forma rigurosa.

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Contenido y descripcin de las unidades de los temas:

Descripcin detallada del contenido de las Unidades:

Actividades:

Unidad 1 INTRODUCCION

Objetivo: Introducir al estudiante a los fenmenos de transporte aplicados al procesamiento de metales.

Descripcin detallada: 1.1 Aplicaciones de

transferencia de calor, masa y momentum en el procesamiento de metales.

1.2 Principio de conservacin aplicado a sistemas abiertos.

1.3 Mecanismos de transporte: ley de Fourier para la conduccin, 1ra ley de Fick para la difusin, ley de Newton de la viscosidad, conveccin de masa y energa, y radiacin.

1.4 Determinacin de los coeficientes de transporte: conductividad trmica, coeficiente de difusin y viscosidad.

Actividad 1: Presentacin de ejemplos de la aplicacin exitosa de los fenmenos de transporte al entendimiento de procesos metalrgicos. Actividad 2: Presentacin del principio de conservacin expresado como una ecuacin de balance. Actividad 3: Presentacin de los mecanismos de transporte. Ecuaciones, unidades y ejemplos.

Unidad 2 CONDUCCION DE CALOR Objetivo: Que el estudiante plantee la ecuacin de conduccin de calor y la resuelva analticamente para casos especficos identificando las condiciones a la frontera e inicial pertinentes.

Descripcin detallada: 2.1Ecuacin de energa. 2.2 Ecuacin de

conduccin de calor. 2.3 Ejemplos de

conduccin en estado estable. Condiciones a la frontera. Coeficiente de transferencia de calor.

2.4 Ejemplos de conduccin en estado inestable. Condicin inicial. Nmeros de Fourier y Biot.

2.5 Enfriamiento y calentamiento Newtoniano.

Actividad 1: Derivacin de la ecuacin de conservacin de energa. Actividad 2: Derivacin de la ecuacin de conduccin de calor a partir de la ecuacin de energa. Actividad 3: Resolucin de ejemplos de conduccin de calor en estado estable e inestable.

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Unidad 3 DIFUSION

Objetivo: Que el estudiante plantee la ecuacin de difusin y la resuelva analticamente para casos especficos identificando las condiciones a la frontera e inicial pertinentes.

Descripcin detallada: 3.1Ecuacin de

continuidad. 3.2 Contradifusin

(experimento de Kirkendall).

3.3 Ecuacin general de difusin y caso particular sin contradifusin (leyes de Fick).

3.4 Ejemplos de difusin en estado estable. Condiciones a la frontera.

3.5 Ejemplos de difusin en estado transitorio. Condicin inicial.

Actividad 1: Derivacin de la ecuacin de continuidad para una especie en una mezcla y para un fluido puro.

Actividad 2: Presentacin del concepto de contradifusin ejemplificado con el experimento de Kirkendall.

Actividad 3: Presentacin de la Primera ley de Fick (con y sin contradifusin). Derivacin de la Segunda ley de Fick a partir de la ecuacin de continuidad para una especie.

Unidad 4 DINAMICA DE FLUIDOS Objetivo: Que el estudiante plantee la ecuacin de movimiento para un fluido y la resuelva analticamente para casos especficos identificando las condiciones inicial y a la frontera pertinentes.

Descripcin detallada:

4.1 Ecuacin de

movimiento. 4.2 Ecuacin de Navier-

Stokes. 4.3 Ejemplos de flujo de

fluidos en estado estable.

4.4 Ejemplos de flujo de fluidos en estado inestable.

4.5 Ecuacin de flujo ideal.

4.6 Ecuacin de movimiento en flujo turbulento. Viscosidad turbulenta. Nmero de Reynolds.

Actividad 1: Derivacin de la ecuacin de movimiento de fluidos. Actividad 2: Derivacin de la ecuacin de Navier-Stokes a partir de la ecuacin de movimiento. Actividad 3: Resolucin de la dinmica de fluidos de casos especficos en condiciones estacionarias y transitorias.

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Unidad 5 CONVECCION DE CALOR Objetivo: Que el estudiante plantee la ecuacin de transporte de energa en un fluido y la resuelva analticamente para casos especficos. Que determine el coeficiente de transferencia de calor a partir de una derivacin analtica o de correlaciones empricas.

Descripcin detallada: 5.1 Conveccin forzada

en un tubo. 5.2 Conveccin natural

en una pared vertical.

5.3 Coeficiente de transferencia de calor. Nmeros de Nusselt, Reynolds, Grashoff y Prandtl. Correlaciones empricas.

Actividad 1: Obtencin de las ecuaciones de transferencia de calor por conveccin forzada en un tubo.

Actividad 2: Clculo de la transferencia de calor por conveccin natural en una pared plana.

Actividad 3: Determinacin analtica y emprica del coeficiente de transferencia de calor.

Unidad 6 TRANSFERENCIA DE MASA EN FLUIDOS Objetivo: Que el estudiante plantee la ecuacin de transporte de masa en un fluido y la resuelva analticamente para casos especficos. Que determine el coeficiente de transferencia de masa a partir de una derivacin analtica o de correlaciones empricas.

Descripcin detallada: 6.1 Difusin en una

pelcula de gas estancado.

6.3 Difusin en una corriente de gas.

6.4 Difusin en una pelcula de lquido descendente.

6.5 Coeficiente de transferencia de masa. Nmeros de Sherwood, Reynolds, y Schmidt. Correlaciones empricas.

6.6 Conveccin forzada sobre una placa plana.

Actividad 1: Solucin de la ecuacin de continuidad para un componente en una pelcula de gas estancado.

Actividad 2: Solucin de la ecuacin de continuidad para un componente en una corriente de gas.

Actividad 3: Solucin de la ecuacin de continuidad para un componente en una pelcula de lquido descendente.

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Evaluacin del Curso:

Tipo de evaluacin

Desarrollo del Conocimiento, Habilidades y Actitudes Examen de medio trmino

Examen Final

Tareas y proyectos

Participacin en el

aula

TOTAL

Porcentaje

40

40

10 10

100

Referencias bibliogrficas:

D.R. Poirier and G.H. Geiger, Transport Phenomena in Materials Processing, TMS Publications, 1994.

J. Szekely and N.J. Themelis, Rate Phenomena in Process Metallurgy, Wiley-Interscience, 1970.

R.I.L. Guthrie, Engineering in Process Metallurgy, Oxford Science Publications, 1989.

D.R. Gaskell, An Introduction to Transport Phenomena in Materials Engineering, Macmillan, 1992.

R.B. Bird, W.E. Stewart, E.N. Lightfoot. Trad. Fidel Mato V. Fenmenos de Transporte. Ed. Revert, Barcelona 1980.

N.J. Themelis. Transport and Chemical Rate Phenomena. Taylor and Francis,

1995 1995.

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Porcentaje

40

40

10 10

Software utilizado: Hoja de clculo, Excel.