La respuesta local de un sistema a un estímulo (tal como la ... - DePa
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MODELADO FÍSICO DE PROCESOS METALÚRGICOS Y DE MATERIALES<br />
SEMESTRE 2013-1<br />
DR. BERNARDO HERNÁNDEZ MORALES<br />
TIEMPO DE MEZCLADO LOCAL EN UN MODELO FÍSICO DE PEQUEÑA ESCALA<br />
GUION DE TRABAJO EXPERIMENTAL<br />
INFORMACIÓN<br />
<strong>La</strong> <strong>respuesta</strong> <strong>local</strong> <strong>de</strong> <strong>un</strong> <strong>sistema</strong> a <strong>un</strong> <strong>estímulo</strong> (<strong>tal</strong> <strong>como</strong> <strong>la</strong> adición <strong>de</strong> <strong>un</strong> trazador<br />
físico) pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>terminarse midiendo <strong>la</strong> variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> concentración <strong>de</strong>l trazador en <strong>un</strong><br />
p<strong>un</strong>to distinto al p<strong>un</strong>to <strong>de</strong> adición. Esta información se utiliza para <strong>de</strong>terminar el tiempo <strong>de</strong><br />
mezc<strong>la</strong>do <strong>local</strong>. <strong>La</strong> técnica se aplica usualmente en experimentos en los que se adiciona,<br />
en pulso, <strong>un</strong>a disolución acuosa ácida (o básica) <strong>como</strong> trazador y se mi<strong>de</strong> <strong>la</strong> variación<br />
<strong>local</strong> <strong>de</strong>l pH.<br />
En este guion se trabajará con <strong>un</strong> mo<strong>de</strong>lo físico <strong>de</strong> pequeña esca<strong>la</strong>, con el fin <strong>de</strong><br />
que el estudiante se familiarice con esta técnica <strong>de</strong> medición.<br />
OBJETIVO<br />
¿Cuál es el nivel <strong>de</strong> agitación requerido para obtener <strong>un</strong> tiempo <strong>de</strong> mezc<strong>la</strong>do <strong>local</strong><br />
<strong>de</strong> 25 s (para <strong>un</strong>a pareja <strong>de</strong> p<strong>un</strong>tos <strong>de</strong> inyección y <strong>de</strong> medición <strong>de</strong>l trazador<br />
colocados cerca <strong>de</strong> <strong>la</strong>s caras angostas <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo físico, a 1 cm <strong>de</strong> prof<strong>un</strong>didad)<br />
en <strong>un</strong> mo<strong>de</strong>lo físico <strong>de</strong> 22 cm (<strong>la</strong>rgo) x 14 cm (altura) x 11 cm (prof<strong>un</strong>didad),<br />
cuando se utiliza <strong>un</strong> baño <strong>de</strong> agua <strong>de</strong> 9 cm <strong>de</strong> prof<strong>un</strong>didad?
MATERIALES Y EQUIPO<br />
Mo<strong>de</strong>lo físico: contenedor <strong>de</strong> vidrio <strong>de</strong> 22 cm (<strong>la</strong>rgo) x 14 cm (alto) x 11 cm<br />
(prof<strong>un</strong>didad)<br />
Trazador: 15 mL <strong>de</strong> <strong>un</strong>a disolución acuosa 2M <strong>de</strong> H2SO4<br />
20 mL <strong>de</strong> solución buffer <strong>de</strong> pH 4<br />
20 mL <strong>de</strong> solución buffer <strong>de</strong> pH 7<br />
30 mL <strong>de</strong> <strong>un</strong>a disolución acuosa 2M <strong>de</strong> NaOH<br />
42 L <strong>de</strong> agua<br />
Dos jeringas <strong>de</strong> 1 mL<br />
Pizeta con agua <strong>de</strong>sti<strong>la</strong>da<br />
Frascos <strong>de</strong> vidrio<br />
Vaso <strong>de</strong> precipitados<br />
P<strong>la</strong>to agitador con barra magnética<br />
Dos soportes <strong>un</strong>iversales<br />
Dos pinzas para soporte <strong>un</strong>iversal<br />
pH-metro (con puerto <strong>de</strong> com<strong>un</strong>icación y compensación por temperatura)<br />
<strong>La</strong>ptop<br />
Software <strong>de</strong> adquisición <strong>de</strong> datos para el pH-metro
PARTE I<br />
PROCEDIMIENTO<br />
1. Calibra el pH-metro <strong>de</strong> acuerdo al instructivo <strong>de</strong>l equipo.<br />
2. Coloca el mo<strong>de</strong>lo físico, centrado, sobre el p<strong>la</strong>to agitador.<br />
3. Vacía agua en el mo<strong>de</strong>lo físico hasta <strong>un</strong>a altura <strong>de</strong> 9 cm.<br />
4. Coloca los sensores <strong>de</strong>l pH-metro <strong>de</strong> <strong>tal</strong> manera que puedas medir el pH en <strong>un</strong>a<br />
posición a <strong>un</strong>a prof<strong>un</strong>didad <strong>de</strong> 1 cm y cerca <strong>de</strong> <strong>un</strong>a <strong>de</strong> <strong>la</strong>s caras angostas <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo<br />
físico, sujetándolos con <strong>un</strong> soporte <strong>un</strong>iversal y pinzas.<br />
5. Registra el pH inicial.<br />
6. Selecciona el nivel <strong>de</strong> agitación mínimo en el control <strong>de</strong>l p<strong>la</strong>to agitador 1 .<br />
7. Inicia el software <strong>de</strong> adquisición <strong>de</strong> datos.<br />
8. Selecciona el nombre <strong>de</strong>l archivo y otros parámetros <strong>de</strong> adquisición.<br />
9. Llena <strong>un</strong>a jeringa (sin aguja) con 1 mL <strong>de</strong> trazador.<br />
10. Coloca <strong>la</strong> jeringa cerca <strong>de</strong> <strong>la</strong> cara angosta <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo físico opuesta a los sensores<br />
<strong>de</strong>l pH-metro, con <strong>la</strong> p<strong>un</strong>ta <strong>de</strong> <strong>la</strong> jeringa justo arriba <strong>de</strong>l baño líquido, sujetándo<strong>la</strong> con<br />
<strong>un</strong> soporte <strong>un</strong>iversal y pinzas.<br />
11. Inicia <strong>la</strong> adquisición <strong>de</strong> datos.<br />
12. A <strong>un</strong> tiempo pre<strong>de</strong>terminado, adiciona el trazador lo más rápidamente posible.<br />
13. Detén <strong>la</strong> adquisición <strong>de</strong> datos cuando lo consi<strong>de</strong>res a<strong>de</strong>cuado.<br />
14. Mantén <strong>la</strong> agitación <strong>de</strong>l baño y agrega poco a poco 2 mL <strong>de</strong> <strong>la</strong> disolución básica al<br />
agua (utilizando <strong>un</strong>a jeringa) hasta que neutralices el agua, antes <strong>de</strong> <strong>de</strong>sechar<strong>la</strong>.<br />
15. <strong>La</strong>va el electrodo <strong>de</strong>l pH-metro.<br />
16. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca.<br />
17. Repite el procedimiento anterior para el nivel <strong>de</strong> agitación máximo <strong>de</strong>l p<strong>la</strong>to agitador.<br />
1 En caso <strong>de</strong> que sea <strong>un</strong> p<strong>la</strong>to que permita también calentar, asegúrate <strong>de</strong> que esta f<strong>un</strong>ción esté apagada.
CUESTIONARIO<br />
1. ¿Cuándo consi<strong>de</strong>raste que <strong>la</strong> disolución <strong>de</strong> ácido sulfúrico había sido completamente<br />
mezc<strong>la</strong>da en el p<strong>un</strong>to <strong>de</strong> medición?<br />
2. Describe <strong>la</strong> <strong>respuesta</strong> <strong>local</strong> <strong>de</strong>l <strong>sistema</strong>; esto es, <strong>la</strong> forma <strong>de</strong> <strong>la</strong> curva pH vs. tiempo 2 .<br />
3. ¿Cuánto tiempo tardaste en vaciar <strong>la</strong> jeringa?<br />
4. A partir <strong>de</strong> <strong>la</strong>s mediciones: ¿cómo se pue<strong>de</strong> estimar <strong>la</strong> magnitud <strong>de</strong>l tiempo <strong>de</strong><br />
mezc<strong>la</strong>do <strong>local</strong>?<br />
5. Estima el valor promedio <strong>de</strong>l tiempo <strong>de</strong> mezc<strong>la</strong>do <strong>local</strong> para cada <strong>un</strong>o <strong>de</strong> los niveles<br />
<strong>de</strong> agitación así <strong>como</strong> su <strong>de</strong>sviación estándar.<br />
6. ¿Qué re<strong>la</strong>ción existe entre el tiempo <strong>de</strong> mezc<strong>la</strong>do <strong>local</strong> y el nivel <strong>de</strong> agitación?<br />
2 Para pasar <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> “tiempo máquina” (que es el que graba el software <strong>de</strong> adquisición <strong>de</strong> datos) a <strong>un</strong><br />
valor numérico en Microsoft Excel utiliza, por ejemplo para <strong>la</strong> celda C4 y consi<strong>de</strong>rando <strong>un</strong>a frecuencia <strong>de</strong><br />
adquisición <strong>de</strong> 1 s -1 , <strong>la</strong> operación: C4/HORANUMERO("00:00:01.0") y asegúrate que el formato <strong>de</strong> <strong>la</strong> celda<br />
sea numérico y con al menos 2 posiciones <strong>de</strong>cimales.
PARTE II<br />
PROCEDIMIENTO<br />
1. Calibra el pH-metro <strong>de</strong> acuerdo al instructivo <strong>de</strong>l equipo.<br />
2. Coloca el mo<strong>de</strong>lo físico, centrado, sobre el p<strong>la</strong>to agitador.<br />
3. Vacía agua en el mo<strong>de</strong>lo físico hasta <strong>un</strong>a altura <strong>de</strong> 9 cm.<br />
4. Coloca los sensores <strong>de</strong>l pH-metro en <strong>la</strong> misma posición que en <strong>la</strong> parte I,<br />
sujetándolos con <strong>un</strong> soporte <strong>un</strong>iversal y pinzas.<br />
5. Registra el pH inicial.<br />
6. Selecciona <strong>un</strong> nivel <strong>de</strong> agitación <strong>de</strong> interés en el control <strong>de</strong>l p<strong>la</strong>to agitador 3 .<br />
7. Inicia el software <strong>de</strong> adquisición <strong>de</strong> datos.<br />
8. Selecciona el nombre <strong>de</strong>l archivo y otros parámetros <strong>de</strong> adquisición <strong>de</strong> datos.<br />
9. Llena <strong>un</strong>a jeringa (sin aguja) con 1 mL <strong>de</strong> trazador.<br />
10. Coloca <strong>la</strong> jeringa en <strong>la</strong> misma posición que en <strong>la</strong> parte I, sujetándo<strong>la</strong> con <strong>un</strong> soporte<br />
<strong>un</strong>iversal y pinzas.<br />
11. Inicia <strong>la</strong> adquisición <strong>de</strong> datos.<br />
12. A <strong>un</strong> tiempo pre<strong>de</strong>terminado, adiciona el trazador lo más rápidamente posible.<br />
13. Detén <strong>la</strong> adquisición <strong>de</strong> datos cuando lo consi<strong>de</strong>res a<strong>de</strong>cuado.<br />
14. Mantén <strong>la</strong> agitación <strong>de</strong>l baño y agrega poco a poco 2 mL <strong>de</strong> <strong>la</strong> disolución básica al<br />
agua (utilizando <strong>un</strong>a jeringa) hasta que neutralices el agua, antes <strong>de</strong> <strong>de</strong>sechar<strong>la</strong>.<br />
15. <strong>La</strong>va el electrodo <strong>de</strong>l pH-metro.<br />
16. Obtén esta medición por triplicado, comenzando siempre con agua fresca.<br />
17. Repite el procedimiento anterior para diferentes niveles <strong>de</strong> agitación.<br />
3 En caso <strong>de</strong> que sea <strong>un</strong> p<strong>la</strong>to que permita también calentar, asegúrate <strong>de</strong> que esta f<strong>un</strong>ción esté apagada.
CUESTIONARIO<br />
1. Estima el valor promedio <strong>de</strong>l tiempo <strong>de</strong> mezc<strong>la</strong>do <strong>local</strong> para cada <strong>un</strong>o <strong>de</strong> los niveles<br />
<strong>de</strong> agitación estudiados así <strong>como</strong> su <strong>de</strong>sviación estándar.<br />
2. Grafica el valor promedio <strong>de</strong>l tiempo <strong>de</strong> mezc<strong>la</strong>do en f<strong>un</strong>ción <strong>de</strong>l nivel <strong>de</strong> agitación,<br />
indicando <strong>la</strong> <strong>de</strong>sviación estándar.<br />
3. ¿Cuál es el nivel <strong>de</strong> agitación requerido para obtener <strong>un</strong> tiempo <strong>de</strong> mezc<strong>la</strong>do <strong>local</strong> <strong>de</strong><br />
25 s (para <strong>un</strong>a pareja <strong>de</strong> p<strong>un</strong>tos <strong>de</strong> inyección y <strong>de</strong> medición <strong>de</strong>l trazador colocadas<br />
cerca <strong>de</strong> <strong>la</strong>s caras angostas <strong>de</strong>l mo<strong>de</strong>lo físico, a 1 cm <strong>de</strong> prof<strong>un</strong>didad) en <strong>un</strong> mo<strong>de</strong>lo<br />
físico <strong>de</strong> 22 cm (<strong>la</strong>rgo) x 14 cm (altura) x 11 cm (prof<strong>un</strong>didad), cuando se utiliza <strong>un</strong><br />
baño <strong>de</strong> agua <strong>de</strong> 9 cm <strong>de</strong> prof<strong>un</strong>didad.