Estado transitorio o no estacionario

El estado transitorio o no estacionario, es aquél en el que los valores de las condiciones que lo definen cambian asintóticamente desde un estado inicial hasta un estado final, que sería el estado estacionario.

Los procesos batch son un ejemplo de estado transitorio. Imagen de automaticaeinstrumentacion

Dentro de la ingeniería química, el concepto de estado transitorio o no estacionario es utilizado en diferentes áreas de estudio, como la termodinámica, fenómenos de transporte, balances de masa y energía, así como, el estado transitorio en la transferencia de calor. En este artículo, definiremos el estado transitorio y sus características más importantes.

Tabla de contenidos
  1. Régimen o estado transitorio (no estacionario)
    1. Ejemplos de régimen o estado transitorio (no estacionario)
  2. Importancia del régimen o estado transitorio (no estacionario)
  3. Acumulación en un sistema en estado transitorio (no estacionario)
  4. Balance en régimen o estado transitorio (no estacionario)

Régimen o estado transitorio (no estacionario)

Estado transitorio. Ejemplo de tanque con una salida
Estado transitorio. Imagen de slideshare

El régimen o estado transitorio o no estacionario es un concepto bastante interesante, ya que es un estado previo al estacionario donde las condiciones de un sistema no cambian con el tiempo, por ende, la definición más simple para describirlo es la siguiente:

El estado transitorio (no estacionario) es aquel estado de un sistema donde los valores de las variables involucradas en su estudio cambian a lo largo del tiempo, es decir, son dinámicas. Este cambio en las variables del sistema se debe a una acumulación de materia o energía.

Para efectos de la ingeniería química, los procesos que presentan este tipo de comportamiento o régimen de estado transitorio (no estacionario), responden a un mecanismo general que caracteriza este tipo de estado y que se encuentra conformado por:

  1. Un estado de partida o estado inicial.
  2. Un flujo de entrada al proceso o del sistema a estudiar.
  3. Un flujo de salida del proceso o del sistema a estudiar.
  4. Una posible diferencia entre la entrada y la salida.
  5. Algo que cambia dentro del sistema o proceso a estudiar.

Lo que cambia dentro del proceso transitorio, o sistema en estudio bajo régimen de estado transitorio, puede ser masa, energía, volumen, concentración, temperatura o cualquier otra variable que integre el sistema. Cabe destacar, que el comportamiento debe ser el mismo a lo largo del tiempo de estudio y dicho comportamiento debe regirse y calcularse por las mismas leyes que definen el sistema. Asimismo, para poder realizar estos cálculos se requiere de una relación entre las variables que integran el sistema en estudio.

Ejemplos de régimen o estado transitorio (no estacionario)

Existen muchos ejemplos que explican un estado transitorio, entre los cuales podemos destacar los siguientes:

  • Un objeto lanzado desde una altura hacia el piso: En este ejemplo, se observan cambios en la altura, la velocidad, y la energía cinética y potencial del objeto con respecto al tiempo.
  • Un tanque abierto llenándose de líquido a caudal constante: Este sistema experimenta cambios con respecto al tiempo de: volumen interno del líquido entrante, la altura de dicho líquido dentro del tanque, la masa del líquido y la presión en el fondo del tanque.
  • Un tanque abierto lleno de líquido, vaciándose mediante una abertura: Para este sistema se puede observar una variación con respecto al tiempo de: la altura del líquido, su masa y volumen dentro del tanque, la presión en el fondo del tanque y el caudal de salida del líquido.
  • Masa de gas que se calienta dentro de un tanque cerrado: La energía interna del gas, la presión de éste y su temperatura dentro del tanque, cambian con respecto al paso del tiempo.




Importancia del régimen o estado transitorio (no estacionario)

Los procesos que experimentan un estado transitorio o no estacionario son muy importantes para un ingeniero químico, ya que nos permiten (entre otras cosas) realizar paradas y arrancadas de planta, lo que facilita el mantenimiento de los equipos y sistemas en cualquier industria.

Además, el concepto de estado no estacionario permite realizar y estudiar procesos por lotes o del tipo batch, es decir, procesos semi-contínuos. El concepto de régimen o estado transitorio también permite realizar el control de procesos de un sistema mediante la corrección de la desviación de alguna variable de operación, con respecto a las condiciones de diseño de dicha variable para un régimen en estado estacionario.

Acumulación en un sistema en estado transitorio (no estacionario)

La acumulación genera el cambio en las variables del sistema a estudiar, y lo que origina el estado estacionario. Para comprenderlo mejor, podemos definir la acumulación de la siguiente manera:

Es la variación en el contenido del sistema (puede ser masa, energía u otra variable), la cual depende de la diferencia de los flujos de entrada y salida de la magnitud o variable controlada al sistema.

Esta variación puede ser:

  • Nula (para estado estacionario).
  • Creciente.
  • Decreciente.
  • Variable, dependiendo de la complejidad del comportamiento de los flujos.

En los balances de la variación, se representa como la velocidad de cambio de la variable a estudiar, es decir, se expresa como la diferencial de la magnitud con respecto al tiempo, el cual se conoce como acumulación: 

Acumulación en estado transitorio

Balance en régimen o estado transitorio (no estacionario)

El llenado de tanques es un ejemplo de sistema en estado transitorio
El llenado de tanques es un ejemplo del estado transitorio. Imagen de mexicanfibers

Existen diversos tipos de balances que se pueden aplicar a procesos en estado o régimen transitorio, sin embargo, existe una ecuación general para expresar un balance para este tipo de estado transitorio:



Donde: 

  • E: Lo que entra al sistema.
  • S: Lo que sale del sistema.
  • A: Lo que se acumula en el sistema. 

Como comentábamos anteriormente, la acumulación puede ser creciente, decreciente o nula, esto dependerá directamente del valor de entrada al sistema, y lo podemos describir de la siguiente manera:

  • Si el flujo de entrada es mayor al flujo de salida, la acumulación es creciente (velocidad de cambio positiva).
  • Si el flujo de entrada es menor al flujo de salida, la acumulación es decreciente (velocidad de cambio negativa).
  • Si el flujo de entrada es igual al flujo de salida, la acumulación es nula. 

El tipo de balance variará de acuerdo a la magnitud de variable a estudiar, puede ser masa, energía u otra variable que se esté estudiando.

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