Se cree que, durante el periodo Paleolítico, el hombre comienza a desarrollar la habilidad de crear herramientas que le faciliten sus tareas en un proceso de adaptación de la fase nómada a la fase sedentaria. Este cambio en la forma de vida hace que el hombre desarrolle su intelecto y su ingenio para crear herramientas y recipientes; conforme transcurre el tiempo, lo que lo lleva a crear recipientes para almacenarlas. Al dejarla reposar se da cuenta de que el agua cristalina queda en la parte superior del recipiente y en el fondo hay residuos arenosos (dos fases) y así van identificando las formas de separación. Conforme avanza en sus descubrimientos se da cuenta de que algunos procesos requieren el uso del calor para procesar los alimentos y que los recipientes deben tener características muy diferentes a los que utiliza para almacenar las cosas; es aquí donde surgen las bases del diseño y la ingeniería, al tratar de establecer la relación entre las propiedades físicas de los recipientes, la facilidad o dificultad con que se realiza el intercambio de calor, la forma que debe tener el recipiente con la finalidad de realizar alguna de las operaciones unitarias.
En este tema descubrirás, los diferentes equipos utilizados para la realización de las operaciones unitarias ambientales y la relación que existe con los procesos de transferencia de calor.
Aprenderás a reconocer los mecanismos que se realizan dentro de cada uno de los equipos y los aplicaras como futuro ingeniero en tecnología ambiental, para mejorar la calidad de vida de todos los integrantes de tu comunidad y del país.
Para abordar está tarea se comenzará con el estudio de los procesos en los que interviene el calor. El estudio del calor es muy importante ya que es un agente impulso de cambio, ayuda a realizar cambios de fase, cambios de propiedades en las sustancias y debe estar dirigido hacia el objeto de cambio. Un ejemplo de la aplicación de calor es una sustancia es cuando asamos un bistec; las propiedades químicas del bistec cambian (cambio de estructura molecular) y son irreversibles, ya que después de asado no puede regresar a su estado original (crudo), pero si el calor lo utilizamos para generar un cambio de fase, el proceso es reversible, para ello se hablará del agua.
Como sanes el agua se puede encontrar en tres estados diferentes: sólido, líquido y vapor.
Ilustración 1. Fases del agua.
¿Cómo se puede pasar de un estado a otro?
Primero para derretir el hielo y convertirlo en agua se debe aplicar calor, pero si el agua está fría debe calentarse incrementando su temperatura de 0ºC a 100ºC, y, sobre todo, para conseguir que se evapore hay que aplicar más calor hasta que la temperatura supere los 100ºC.
¿Sabes como se llama cada cantidad de calor que se aplica?
A este proceso se le conoce como calor latente de fusión, en donde un sólido se convierte en líquido, después se aplica calor específico solo para cambiar la temperatura y, posteriormente, aplicar el calor latente de vaporización.
¿Cuál calor es de mayor magnitud?
Para responder la pregunta consulta la tabla siguiente:
Tabla 1. Calores para cambios de fase del agua.
| Temperatura | Cambio de estado | Nombre del calor | Energía necesaria |
| Menor a 0ºC | Fase de hielo Sigue siendo hielo | Calor específico del hielo | 0.5 cal/g |
| 0ºC | Fase de hielo a agua Cambio de fase | Calor latente de fusión | 79.95 cal/g |
| 0ºC a 100ºC | Fase agua caliente Sigue siendo agua | Calor específico del agua | 1 cal/g |
| 100ºC | Fase agua a vapor Cambio de fase | Calor latente de evaporación | 540.5 cal/g |
Como puedes observar, los cambios de fase requieren una mayor transferencia de calor y por tal motivo se debe realizar un diseño diferente de los equipos para soportarlos.
El hombre siempre ha tratado de encontrar la forma de aprovechar al 100% la energía, pero no lo ha logrado, en esos intentos ha diseñado mecanismos para aprovecharla al máximo, por ejemplo: cuando se efectúa una reacción química exotérmica se desprende una gran cantidad de calor.
¿Se podría aprovechar una parte del?
La respuesta es si
¿Cómo?
Una de las formas es envolver al recipiente en el que se realiza la reacción con una tubería para que circule por ella un líquido que absorba una parte del calor que se desprende y ese líquido que ahora está caliente, ceda su calor en otros procesos hasta perder todo el calor ganado para retornar otra vez a su punto de partida.
Ilustración 2. Intercambiador de calor de casco y tubos.
En la imagen anterior se muestra un intercambiador de calor típico, si te das cuenta consiste en una serie de tubos de diámetro pequeño por la que se de hacer circular un fluido el cual tendrá la finalidad de aumentar o disminuir la temperatura del fluido que entra por la carcasa externa. La transferencia de calor en el que se puede realizar en dos formas como se muestra en las siguientes figuras:
Ilustración 3. Corrientes en paralelo.
Ilustración 4. Contracorriente.
La forma en la que se realiza el intercambio de calor depende de los requerimientos de temperatura de cada uno de los fluidos que circulan por los tubos.
Es importante que recuerdes que el calor fluye del cuerpo más caliente al menos caliente.
En este tema te diste cuenta de la complejidad que representa la transferencia de calor a través de los diferentes equipos que se utilizan a para llevar a cabio una operación unitaria que necesite un intercambio de calor para propiciar el cambio de fase que ayudará a realizar una transferencia de masa y purificar las mezclas que se consideran contaminadas en el ambiente.
Industrialmente, los equipos de transferencia de calor se utilizan como auxiliares para propiciar la purificación de sustancias, por ejemplo: para obtener agua destilada (libre de sales) se debe aplicar una destilación y el calor lo utilizaras por un lado en el calentamiento directo del agua con sales para evaporarla. Por otro lado, una vez que se formo el agua (libre de sales) deberás condensarlo aplicando un intercambiador de calor que opera con flujos en contra corriente. Asimismo, aprendiste que hay que tener presentes las propiedades físicas de las mezclas, lo cual permitirá inferir el agente de cambio que se necesita para propiciar un cambio de fase. Una vez identificado este aspecto establecerás el tipo de intercambiador de calor que se necesita para propiciar el cambio en un proceso de purificación ambiental.
