En ingeniería química , un tubo Stefan es un dispositivo ideado por Josef Stefan en 1874. [1] Se utiliza a menudo para medir coeficientes de difusión . [1] [2] Consta de un tubo vertical, por cuya parte superior fluye un gas y en cuyo fondo hay un charco de líquido volátil que se mantiene en un baño a temperatura constante. [1] [3] [4] El líquido de la piscina se evapora , se difunde a través del gas que se encuentra encima en el tubo y es arrastrado por el flujo de gas sobre la boca del tubo en la parte superior. [1] [3] Luego se mide la caída del nivel del líquido en el tubo. [4]
El tubo tiene convencionalmente un diámetro estrecho para suprimir la convección . [4]
La forma en que se modela matemáticamente un tubo Stefan es muy similar a cómo se puede modelar la difusión de moléculas de fragancia de perfume desde (digamos) una gota de perfume en la piel o la ropa, evaporándose a través del aire hasta la nariz de una persona. Existen algunas diferencias entre los modelos. Sin embargo, resultan tener poco efecto sobre los resultados en concentraciones de vapor muy diluidas. [5]
En el análisis del sistema se hacen varios supuestos. El líquido, convencionalmente denominado A , no es soluble en el gas en el tubo, convencionalmente denominado B , ni reacciona con él. [3] La disminución del volumen del líquido A y el aumento del volumen del gas B a lo largo del tiempo pueden ignorarse a los efectos de resolver las ecuaciones que describen el comportamiento, y se puede suponer que el flujo instantáneo en cualquier momento es el valor del estado estacionario. [4] [2] No hay componentes radiales o circunferenciales en los gradientes de concentración , resultantes de la convección o turbulencia causada por un flujo excesivamente vigoroso en la boca superior del tubo, por lo que la difusión puede tratarse como un flujo unidimensional simple. en dirección vertical. [1] [6] La fracción molar de A en la boca superior del tubo es cero, como consecuencia del flujo de gas. [2] En la interfaz entre A y B, el flujo de B es cero (porque es insoluble en A ) y la fracción molar es el valor de equilibrio. [6] [4]
El flujo de B , denotado NB , es entonces cero en todo el tubo, [4] su flujo difusivo hacia abajo (a lo largo de su gradiente de concentración) se equilibra con su flujo convectivo hacia arriba causado por A. [3] [6]
Aplicando estos supuestos, el sistema se puede modelar utilizando las leyes de difusión de Fick [1] o como difusión de Maxwell-Stefan . [6]