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Instituto Tecnológico de Milpa Alta Fenómenos de Transporte. Profesor. Marco Antonio Silva. Equipo #4 Integrantes:
Chavarria Bermejo Marcos Cruz Rojas Jovanni Garrido Saldaña Brenda Itzel Lozada Molina Stephanie Katya Rufino Ramos María del Carmen Sánchez Valle Anselmo Evaristo
Protocolo Practica # 2: “CONDUCTIVIDAD TERMICA DE UN ALIMENTO (SALCHICHA)”
Fecha de Entrega. 13 de enero de 2017.
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Índice. Introducción……………………………………………………………………………3 Marco Teórico………………………………………………………………………....5 Material………………………………………………………………………………... 9 Equipo…………………………………………………………………………………. 9 Actividad…………………………………………………… …………………………..12 Esquema de Prueba………………………………………………………………….13 Resultados……………………………………………………………………………..14
Bibliografía…………………………………………………………………………….. 15
Comentado [MASNSN1]: YA EXCEDIERON EL LIMITE DE PÁGINAS POR TRABAJO
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Introducción Conductividad Térmica “La Conductividad Térmica es la propiedad física de cualquier material que mide la
capacidad de conducción del calor a través del mismo. La magnitud inversa de la conductividad térmica es la resistencia térmica (capacidad de los materiales para oponerse al paso del calor). En los metales y en general en cuerpos continuos, y es más baja en los gases, siendo muy baja en algunos materiales especiales tales como la fibra de vidrio, denominados por ello, aislantes térmicos”. (intercom, s.f.) “La Conductividad Térmica (con unidades W/ (m•K) describe el transporte de
energía en forma de calor a través de un cuerpo con masa como resultado de un gradiente de temperatura. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja. La relación entre el calor transportado por unidad de tiempo (flujo de calor
Q)
y el
gradiente de temperatura (ΔT/Δx) a través de un área A (el área a través de la cual
el calor fluye perpendicularmente a un ritmo estacionario) está descrita por la ecuación de la conductividad térmica”. (NETZSCH, s.f.)
Q = -KT A dT a dx LEY DE FOURIER
Comentado [MASNSN2]: BUENA INFORMACIÓN , SEAN MAS SELECTIVOS YA QUE EXCEDIERON EL LIMITE DE PÁGINAS Y FALTA LA FASE EXPERIMENTAL.
“El coeficiente de conductividad térmica caracteriza la cantidad de calor necesario
por m2, para que atravesando durante la unidad de tiempo, 1 m de material homogéneo obtenga una diferencia de 1 °C de temperatura entre las dos caras. Este es un mecanismo molecular de transferencia de calor que se genera por la excitación de las moléculas. Se presenta en todos los estados de la materia con predominancia en los sólidos. Los metales son los que tienen me nor resistencia, por ello se dice que tienen buena conductividad térmica. Los materiales de construcción (yesos y ladrillos) tienen una resistencia media, los materiales que ofrecen una alta resistencia térmica se llaman aislantes térmicos”. (intercom, s.f.) La carne es el tejido muscular que se utiliza en la alimentación en forma directa o procesada. Para la obtención de una materia prima adecuada se necesita un buen conocimiento de los tejidos musculares, de sus modificaciones después de la matanza. Debido a su composición química su vida útil es crítica debido a las diversas modificaciones bioquímicas que sufre, por ello una de las soluciones más ampliamente difundidas es la congelación. La transferencia de calor en estado no estacionario nos permite predecir las velocidades de enfriamiento y calentamiento de productos de diversos tipos de geometrías, con objeto de estimar el tiempo requerido para alcanzar ciertas temperaturas deseadas, para hacer eficiente el proceso de congelación del producto se requiere conocer la conductividad térmica del mismo, el desconocimiento de esta importante propiedad térmica conlleva a un ineficiente control de proceso. Lo que puede traer como consecuencia alteraciones físicas, químicas, microbiológicas y sensoriales en el producto. En productos cárnicos procesados el contenido de agua puede cambiar considerablemente debido a múltiples factores tales como la edad del animal, su régimen de alimentación. (Huaman N. L. ; Ancoo T. , 2012)
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Marco Teórico
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La conductividad térmica es una propiedad de la materia que en general depende de la temperatura, de la presión y de la composición de la misma. Así mismo la conductividad térmica de los distintos materiales se determina experimentalmente, y con este propósito se conocen distintos métodos, la mayoría de los cuales se basan en la medida de la densidad de flujo de calor y en el gradiente de temperatura. El calor puede ser transferido de un punto a otro mediante tres procesos distintos: conducción, convección y radiación, en la conducción el calor se transmite a través de un medio material y no hay transporte de materia. “La velocidad a la que se transfiere el calor a través del material
⁄, se representa por la letra , y se
denomina flujo de calor. Prácticamente se halló que el fl ujo de calor es proporcional al área transversal a la dirección del flujo
, a la diferencia de temperatura a ambos
∆, e inversamente proporcional a la distancia recorrida desde el lugar a mayor temperatura ∆”, (NETZSCH, s.f.). lados del material
Es decir que:
∝ ∆∆
Para lograr la igualdad de la expresión anterior se agregó una constante , que es rm ica la llamada co nd uc tiv idad té
∆ = = ∆ La conductividad térmica expresa la capacidad de un material dado en conducir el calor, y es propia e inherente de cada material. De acuerdo con la ley de Fourier, la conductividad térmica se define como:
⁄ = |⁄ | ,⁄
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Donde
: Conductividad térmica : Flujo de calor por conducción : Área de transferencia de calor ⁄ : Gradiente de temperatura en la dirección el flujo el flujo de calor De la ecuación anterior se deduce que la conductividad térmica es numéricamente igual a la cantidad de calor que atraviesa l a unidad de área de superficie en la unidad de tiempo cuando el gradiente de temperatura es unitario. Los alimentos son sistemas complejos, siendo de origen biológico están sujetos a una gran variabilidad en su composición y estructura (Toledo,1991); sumado a lo anterior existen cambios en la composición que ocurren durante los procesos típicos de la industria alimentaria, tales como, congelación, evaporación, deshidratación, etc.; esto hace que se dificulte el conocer su comportamiento y sus propiedades físicas. Entre las propiedades de alimentos más recurrentes, están las propiedades térmicas, íntimamente ligadas a los procesos térmicos. Las propiedades térmicas involucradas en los distintos procesos térmicos son: conductividad térmica, calor específico y difusividad térmica. Aunque en la literatura se puede encontrar cierta información experimental sobre las propiedades térmicas de algunos alimentos comunes, la inmensa cantidad de productos alimenticios, sus diferentes composiciones, y las diferentes temperaturas a que se llevan a cabo los procesos, hacen que las posibilidades de encontrar un valor adecuado sean reducidas. “La Conductividad Térmica con unidades
∕ ∗ describe el transporte de
energía en forma de calor a través de un cuerpo con masa como resultado de un
gradiente de temperatura. De acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.
Las propiedades térmicas de los alimentos se definen como: Calor específico
: Es la medida de la cantidad de energía que acompaña al
cambio de una unidad de temperatura por unidad de masa. Sus unidades son
/°. Conductividad térmica
: Es igual al flujo de calor de un área cuando se
incrementa la temperatura en una unidad y la distancia en una unidad de longitud. Sus unidades son
/°.
Difusividad térmica: Es la relación entre la conductividad térmica y el calor específico por su densidad. Sus unidades son
2/. (peru)
“Propiedades térmicas: Para la determinación de las propiedades térmicas (calor
específico, difusividad térmica y conductividad térmica) de la salchicha se aplica el modelo matemático de Choi y Okos, (humedad, pr oteína, grasa, fibra y ceniza)”. (Manuel Vicente Ganchoso Espinoza) “Como parte de los procesos térmicos, se tienen como principio el intercambio de
masa y calor entre el alimento y el medio de procesamiento. Para esto es necesario conocer los mecanismos de transferencia de calor y de masa presentes para el diseño de procesos térmicos” (F.P Y DE WITT, 1996). Cuando el mecanismo de un proceso es bien comprendido, se pueden desarrollar modelos matemáticos que lo representen. Para describir la conducción de calor en la barra, se parte de la ecuación general de Fourier en coordenadas cilíndricas.
( ) + ( ) + ( ) + ̇ = Ф Ф
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La transferencia de calor del medio circundante al producto de geometría cilíndrica se plantea bajo los siguientes supuestos:
El producto cárnico cilíndrico es homogéneo.
La transferencia de calor se da sólo en dirección radial.
La formación de piel no afecta el valor de las propiedades físicas.
La distribución del contenido de humedad inicial es uniforme
Ilustración 1 Materia Prima "Salchicha"
Bajo estas suposiciones, la transferencia de calor se puede representar mediante la ecuación diferencial.
( ) =
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Material y Equipo
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Los materiales utilizados para realizar el proyecto son los siguientes: Arduino Mega (ATMega 1280) Sensor de temperatura LM35 Cables conexión protoboard Cable USB para conectar Arduino Ordenador con software Arduino y Matlab Equipo Computadora Materia Prima. Salchicha de Cerdo. Arduino MEGA: Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo. El hardware consiste en una placa c on microcontrolador Atmel AVR y puertos de
entrada/salida.
Los
microcontroladores
mas
usados
son
el
Atmega168.Atmega328, Atmega1280 y ATmega8 por su sencillez y bajo coste, que permiten el desarrollo de múltiples diseños. (MORALES & LECHUGA)
Sensor de temperatura LM35:
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El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de +/- 1°C. Su rango de medición abarca desde – 50°C hasta 150°C. La salida es lineal y cada grado centígrado equivale a10Mv. La tensión de la salida es proporcional a la temperatura. El conversor Analogo digital de Arduino es de 10bits, por lo tanto par convertir el valor de lectura en voltios usamos la siguiente expresión V = (5.0*
lectura)/1024.
El factor adicional que aparece en la expresión es a causa de la especificación del sensor LM35, el que tiene una escala de 10Mv/c por lo tanto para obtener la temperatura directamente en grados Celsius debemos multiplicar 100. (MORALES & LECHUGA)
por
Programa
Arduino:
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La plataforma Arduino se programa mediante el uso de un lenguaje propio basado en el lenguaje de programación de alto nivel. Sin embargo, es posible utilizar otros lenguajes de programación y aplicaciones populares en Arduino, debido a que usa la transmisión serial de datos soportada por la mayoría de los lenguajes mencionados. Para los que no soportan el formato serie de forma nativa (lenguaje de bajo nivel), es posible utilizar
software
intermediario
que
traduzca los mensajes enviados por ambas partes para permitir una comunicación fluida. (MORALES & LECHUGA) Programa
Matlab:
Matlab es una herramienta de software matemático que ofrece un entorno de desarrollo integrado (IDE) con un lenguaje de programación propio (lenguaje M) y servicio de especie. Entre sus prestaciones
básicas
se
hallan:
la
manipulación de matrices, la representación de datos y funciones, la implementación de algoritmos, la creación de interfaces de usuario (GUI) y la comunicación con programas en otros lenguajes y con otros dispositivos LECHUGA)
hardware.
(MORALES
&
Comentado [MASNSN3]: ME QUEDA CLARO LO QUE EXPONEN
12 SIOLO UNA DUDA,¿CUÁL ES LA SENCIBILIDAD DEL SENSOR?
Esquema de Prueba.
Comentado [MASNSN4]: PODRÍAN MEJORAR EL ESQUEMA
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Resultados y valoración
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Este proyecto está pensado para que cualquier persona con un bajo nivel en programación y montaje de circuitos pueda iniciarse en este tipo de montajes y poder obtener resultados de medición de temperatura y así dar pie a introducirse en la creación de nuevos montajes más sofisticados para obtener los datos de otras variables del entorno. (MORALES & LECHUGA)
Comentado [MASNSN5]: FALTA LA PARTE IMPORTANTE ¿CÓMO TRABAJARÁN SUS RESULTADOS OBTENIDOS PARA CALCULAR LA CONDUCTIVIDAD TERMICA?
Bibliografía Huaman N. L. ; Ancoo T. . (2012). Determination of Thermal conductivity of A lpaca (Lama pacos) in freezing process . CianciAgro Journal de Ciencia y Tecnologia Agraria , 6. intercom, G. (s.f.). construmatica. Recuperado el 12 de enero de 12, de http://www.construmatica.com/construpedia/Conductividad_T%C3%A9rmica Manuel Vicente Ganchoso Espinoza, C. D. (s.f.). espam. Recuperado el 2017 de ENERO de 13, de http://espam.edu.ec/revista/2012/V3N2/30.pdf MORALES, L. M., & LECHUGA, A. C. (s.f.). MEDIDOR DE TEMPERATURA. APLICACIÓN CON ARDUINO Y MATLAB. Ed. Andrés Segovia, Calle Dr. Marañón, 3, 11002 Cá diz, España: Univercidad de Cádiz. NETZSCH. (s.f.). sitios web NETZSCH. Recuperado el 2017 de enero de 12, de https://www.netzschthermal-analysis.com/es/landing-pages/definicion-de-conductividad-termica/ peru, U. N. (s.f.). Recuperado el 2017 de enero de 12, de https://luisartica.files.wordpress.com/.../propiedades-termofisicas-de-leche-y-derivados...
http://www.arduino.cc/ http://es.mathworks.com/ http://fritzing.org/
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