La transferencia de masa es el movimiento neto de masa de una ubicación (que generalmente significa corriente, fase , fracción o componente) a otra. La transferencia de masa ocurre en muchos procesos, como la absorción , la evaporación , el secado , la precipitación , la filtración por membrana y la destilación . La transferencia de masa se utiliza en diferentes disciplinas científicas para diferentes procesos y mecanismos. La frase se usa comúnmente en ingeniería para procesos físicos que involucran el transporte difusivo y convectivo de especies químicas dentro de sistemas físicos .
Algunos ejemplos comunes de procesos de transferencia de masa son la evaporación de agua de un estanque a la atmósfera , la purificación de la sangre en los riñones y el hígado y la destilación de alcohol. En los procesos industriales, las operaciones de transferencia de masa incluyen la separación de componentes químicos en columnas de destilación, absorbedores como depuradores o stripping, adsorbedores como lechos de carbón activado y extracción líquido-líquido . La transferencia de masa a menudo se acopla a procesos de transporte adicionales , por ejemplo en torres de enfriamiento industriales . Estas torres acoplan la transferencia de calor a la transferencia de masa al permitir que el agua caliente fluya en contacto con el aire. El agua se enfría expulsando parte de su contenido en forma de vapor de agua.
En astrofísica , la transferencia de masa es el proceso por el cual la materia ligada gravitacionalmente a un cuerpo, generalmente una estrella , llena su lóbulo de Roche y se une gravitacionalmente a un segundo cuerpo, generalmente un objeto compacto ( una enana blanca , una estrella de neutrones o un agujero negro ), y finalmente se acrecienta sobre él. Es un fenómeno común en los sistemas binarios y puede desempeñar un papel importante en algunos tipos de supernovas y púlsares .
La transferencia de masa tiene una amplia aplicación en problemas de ingeniería química . Se utiliza en ingeniería de reacciones, ingeniería de separaciones, ingeniería de transferencia de calor y muchas otras subdisciplinas de la ingeniería química, como la ingeniería electroquímica. [1]
La fuerza impulsora de la transferencia de masa suele ser una diferencia en el potencial químico , cuando se puede definir, aunque otros gradientes termodinámicos pueden acoplarse al flujo de masa e impulsarlo también. Una especie química se mueve desde áreas de alto potencial químico a áreas de bajo potencial químico. Por lo tanto, la extensión teórica máxima de una transferencia de masa dada generalmente está determinada por el punto en el que el potencial químico es uniforme. Para los sistemas monofásicos, esto generalmente se traduce en una concentración uniforme en toda la fase, mientras que para los sistemas multifásicos las especies químicas a menudo preferirán una fase sobre las otras y alcanzarán un potencial químico uniforme solo cuando la mayoría de las especies químicas hayan sido absorbidas en la fase preferida, como en la extracción líquido-líquido .
Si bien el equilibrio termodinámico determina el alcance teórico de una operación de transferencia de masa dada, la tasa real de transferencia de masa dependerá de factores adicionales, incluidos los patrones de flujo dentro del sistema y las difusividades de las especies en cada fase. Esta tasa se puede cuantificar mediante el cálculo y la aplicación de coeficientes de transferencia de masa para un proceso general. Estos coeficientes de transferencia de masa se publican típicamente en términos de números adimensionales , que a menudo incluyen números de Péclet , números de Reynolds , números de Sherwood y números de Schmidt , entre otros. [2] [3] [4]
Existen notables similitudes en las ecuaciones diferenciales aproximadas de uso común para la transferencia de momento, calor y masa. [2] Las ecuaciones de transferencia molecular de la ley de Newton para el momento del fluido a bajo número de Reynolds ( flujo de Stokes ), la ley de Fourier para el calor y la ley de Fick para la masa son muy similares, ya que todas son aproximaciones lineales al transporte de cantidades conservadas en un campo de flujo. A un número de Reynolds más alto, la analogía entre la transferencia de masa y calor y la transferencia de momento se vuelve menos útil debido a la no linealidad de la ecuación de Navier-Stokes (o más fundamentalmente, la ecuación general de conservación del momento ), pero la analogía entre la transferencia de calor y masa sigue siendo buena. Se ha dedicado una gran cantidad de esfuerzo al desarrollo de analogías entre estos tres procesos de transporte para permitir la predicción de uno a partir de cualquiera de los otros.