Propiedades de los_fluidos

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Propiedades de los_fluidos

  1. 1. Mecánica de Fluidos MECÁNICA DE FLUIDOS1. INTRODUCCIÓN:MECÁNICA DE FLUIDOS.- Es la ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo o enmovimiento, y la interacción de estos con sólidos o con otros fluidos en las fronteras.Los principios fundamentales que se aplican a la mecánica de los fluidos son la conservación de materia(masa) y de energía, las leyes del movimiento de Newton.ESTÁTICA DE FLUIDOS.- Es la ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo.DINÁMICA DE FLUIDOS.- Es la ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos en movimiento.HIDRODINÁMICA (Hidromecánica).- Es el estudio del movimiento de los fluidos que son prácticamenteincompresibles como líquidos, en especial el agua y los gases a bajas velocidades.HIDRÁULICA (Hidromecánica técnica).- Subcategoría de la hidrodinámica que estudia los flujos delíquidos en tubos y canales abiertos Cuadro 1: Clasificación de la Hidráulica AplicadaDINÁMICA DE GASES.- Estudio del flujo de fluidos que sufren cambios significativos en la densidad, comoel flujo de gases a través de toberas a grandes velocidades.AERODINÁMICA.- Estudia el flujo de gases, en especial el aire, sobre cuerpos como aviones, cohetes yautomóviles a altas o bajas velocidades.La meteorología, la oceanografía y la hidrología, tratan de flujos que ocurren de manera natural. 1
  2. 2. Mecánica de Fluidos2. FLUIDOEs una sustancia que se deforma continuamente (fluye) cuando se somete a un esfuerzo cortante, sinimportar que tan pequeño sea el esfuerzo cortante. Por lo tanto en los fluidos la deformación aumentaconstantemente bajo la acción de un esfuerzo cortante por pequeño que este sea.Es aquella sustancia que debido a su poca cohesión intermolecular, carece de forma propia y adopta laforma del recipiente que los contiene. Figura 1: Ejemplos de fluidosLa diferencia entre un sólido y un fluido es que para deformar un sólido se necesita un esfuerzo mayor allímite de fluencia del material mientras que en los fluidos por más pequeña que sea la fuerza aplicada,por ende el esfuerzo, comenzarán a deformarse. Sólido Líquido Figura 2: Deformaciones de sólidos y fluidos2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS 2
  3. 3. Mecánica de Fluidos Por el grado de deformación : Newtonianos No – Newtonianos Por el estado de la materia : Líquidos Gases Por la variación de la densidad : Compresibles (densidad variable) Incompresibles (densidad constante) Por su interpretación física para el análisis : Reales (viscosidad diferente de cero) Ideales (viscosidad igual a cero) Por su valor de viscosidad : No muy viscosos Medianamente viscosos Sumamente viscosos2.2 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS2.2.1 Densidad: Se define como la masa por unidad de volumen.Para el agua en condiciones normales ρ=1000 kg/m3 = 101.94 UTM/m3.Para el caso de una mezcla de líquidos ideales (aquellos que al mezclarse no reducen su volumen)se puede utilizar la expresión: Donde:Xn= es la fracción de masa del líquido puro nn= representa la densidad del líquido puro n2.2.2 Volumen Específico: Es el inverso de la densidad, es decir es el volumen que ocupa la unidadde masa. 3
  4. 4. Mecánica de Fluidos2.2.3 Densidad relativa o gravedad específica: Es la relación de la densidad o peso específico deun fluido cualquiera con la densidad o peso específico de un fluido común, que para los líquidos esel agua a la temperatura de 4 °C y para los gases el fluido común es el aire a la presión (760 mmHg) con una temperatura ( 15.6 °C ) estándar , esta propiedad es adimensional.donde, la densidad del agua a la temperatura de 4 º C es agua = 1000 Kg/m3 , en cambio a latemperatura de 15.6 °C la densidad es agua = 999.04 Kg/m3. Para el aire con valores de presión ytemperatura estándar su densidad es aire = 1.225 Kg/m3.En ciertos líquidos como los derivados de petróleo, existe una escala adoptada por el InstitutoAmericano del petróleo (API) para indicar la gravedad específica, manifestada como °API o °Be(grados Baumé), pero en ciertas industrias del petróleo prefieren utilizar el fluido común (agua) ala temperatura de 15.6 °C, los mismos que pueden ser transformados a gravedad específica con: 1415 . S (15.6º C )  º API  1315 .En la escala de grados Baumé para líquidos más pesados que el agua existe la siguiente relación: 140 S (15.6º C )  º Be  130o para líquidos más ligeros que el agua: 145 S (15.6º C )  145 º BeLas ecuaciones anteriores son válidas para la temperatura señalada y, cuando se desee conocer lagravedad específica de los líquidos a valores diferentes de 15.6 °C, se recomienda utilizar losnomogramas o tablas respectivas. En el apéndice B Crane.La medida de Grados API es una medida de cuánto pesa un producto de petróleo en relación alagua. Si el producto de petróleo es más liviano que el agua y flota sobre el agua, su grado API esmayor de 10. Los productos de petróleo que tienen un grado API menor que 10 son más pesadosque el agua y se asientan en el fondo. 4
  5. 5. Mecánica de Fluidos2.2.4 Peso específico: es el peso de la sustancia por unidad de volumen. [ ]2.2.5 Viscosidad: Físicamente, se le interpreta como las fuerzas de cohesión que tienen suspartículas (moléculas) y mientras más elevadas sean éstas, mayor será el valor de la viscosidad porlo que toman el nombre de fluidos muy viscosos.Propiedad que tienen los fluidos a oponerse a ser movidos, es decir, una resistencia que presentanlos fluidos a fluir, siendo entonces de enorme importancia cuando exista flujo.Medida de la resistencia del fluido al cote cuando se encuentra en movimiento.Viscosidad absoluta o dinámica: es directamente proporcional a la tensión de cortadura einversamente proporcional a la velocidad de deformación. [Pa.s] Poise = 10-1 Pa.sViscosidad cinemática: es el cociente de la viscosidad dinámica para la densidad. [m2/s] Centistoke = 10-6 m2/sLa viscosidad de un gas aumenta con la temperatura, mientras que la viscosidad de un líquidodisminuye con la temperatura. Viscosidad GAS  LÍQUIDO Temperatura  Figura 3: Diagrama viscosidad vs temperatura 5
  6. 6. Mecánica de FluidosMediciones de la viscosidadDependiendo del país y del tipo de instrumento existen formas de expresar la viscosidad y, laSociedad Norteamericana para pruebas y Materiales (ASTM) genera normas y métodos para lamedición de la viscosidad, así tenemos entre otros instrumentos a los:Viscosímetros de tambor giratorioViscosímetros de tubo capilarViscosímetros de caída de bolaViscosímetro Universal de SayboltViscosímetro de EnglerViscosímetro de platos ( discos )Cada uno de estos instrumentos dan mediciones relativas de viscosidad y existen fórmulas, tablasy nomogramas que nos permiten encontrar su valor en unidades correspondientes de viscosidadcinemática.Unidades empíricas de viscosidad: Grados Engler =°E = 0.0631  (cm 2 / s)  0.0731E  E Segundo Saybolt Universal = SSU = Para líquidos livianos Segundo Saybolt Furol = SSF = Para líquidos pesados 18 *10 4 .  (m / s)  2.2 *10 SSU  2 7 SSU Sí : 32 < SSU < 100Si el fluido está definido por los SSU y se debe encontrar su nuevo valor a diferente temperatura Ten grados Fahrenheit , se empleará: SSU  SSU o 1   T  1000.000064Para valores de SSU > 2317.4, a la temperatura de 100°F, se puede emplear la siguiente expresión SSU  4.6347 Para SSU> 653.4, a la temperatura de 210°F (99°C), se utilizará SSU  4.6673  6
  7. 7. Mecánica de FluidosEn el caso de mezclas líquidas puras, su viscosidad puede ser determinada a través de la siguienteexpresión matemática: log mezcla = X1 log 1 + X2 log 2 + ............ + Xn log nDonde: n=representa la viscosidad del líquido puro Xn=es la fracción mol del líquido2.2.5.1 Ley de Newton de la viscosidadDonde: τ, esfuerzo cortante en ( Pa )  es la viscosidad dinámica en ( Pa.s ) dv/ dy en ( s-1 ) deformación del fluido llamado también gradiente de velocidadReología: es la ciencia que estudia la deformación y flujo de la materia cuando está sometida atensiones y esfuerzosDiagrama Reológico: Es la gráfica τ vs dv/ dy , que sirve para identificar el tipo de fluido enfunción de la visciosidad. Figura 4: Diagrama ReológicoEn el diagrama reológico, la pendiente de la curva tensión tangencial frente a la velocidad dedeformación es la viscosidad del fluido. Si la pendiente es constante, se tiene un fluidonewtoniano, y a los fluidos de comportamiento reológico no lineal se les denomina “nonewtonianos”. 7
  8. 8. Mecánica de Fluidos Figura 5: Diagrama esfuerzo vs tiempoNormalmente, bajo una determinada tensión tangencial, la velocidad de deformación no varía conel tiempo; pero en determinados fluidos, la velocidad de deformación puede aumentar con eltiempo: fluido reopéctico, o puede disminuir con el tiempo: fluido tixotrópico.Fluido newtoniano: Cumple con la ley de Newton de la viscosidad. Su viscosidad no varía con ladeformación del fluido ni con el tiempo, pero sí puede ser alterada con un cambio de valor de sutemperatura.La relación entre la tensión tangencial y la velocidad de deformación es lineal, la constante deproporcionalidad entre ambas variables es la viscosidad dinámica.La representación de un fluido newtoniano en el diagrama reológico, es una recta que pasa por elorigen, los fluidos muy viscosos son rectas de gran pendiente, y los poco viscosos son rectas depoca pendiente.Los fluidos más comunes (agua, aire) exhiben un comportamiento newtoniano.Fluido no newtoniano: No cumple con la ley de Newton de la viscosidad. La relación entre latensión tangencial y la velocidad de deformación no es lineal. El esfuerzo cortante y ladeformación del fluido dependen del tipo de sustancia que se considere.Fluido ideal: si se considera un fluido en donde sus partículas pueden moverse sin interaccionarunas con otras, se comporta de tal manera que en su movimiento no hay transferencias entrepartículas; su representación en el diagrama reológico es el eje horizontal: en el proceso de flujono hay ningún tipo de esfuerzo tangencial; con este tipo de comportamiento el fluido se denominaideal.En un fluido ideal todos los coeficientes de transporte son nulos: viscosidad nula o fluido noviscoso (coeficiente de transporte de cantidad de movimiento), conductividad térmica nula(coeficiente de transporte de calor) y difusividad nula (coeficiente de transporte de masa). 8
  9. 9. Mecánica de Fluidos Figura 6: Clasificación de la materiaLey de Hooke de elasticidad: Ley de Newton de la viscosidad: Figura 7: Diagramas esfuerzo vs deformación en sólidos y fluidos 9
  10. 10. Mecánica de Fluidos2.2.6 Tensión superficialEs una fuerza que produce efectos de tensión en la superficie de los líquidos, justamente donde elfluido entra en contacto con otro fluido no miscible, particularmente un líquido con un gas o conun contorno sólido.El origen de esta fuerza es la cohesión intermolecular y la adhesión del fluido al sólido.La tensión superficial es numéricamente igual a la fuerza de tensión (estiramiento) necesaria paraformar una película o membrana, por unidad de longitud de una línea hipotética trazada sobre lapelícula en equilibrio.La tensión superficial del agua varía entre 0.074 N/m a 20°C hasta 0.059 N/m a 100°C. Tabla 2: Valores de tensión superficialLa tensión superficial incrementa la presión dentro de una pequeña gota de líquido o dentro de unpequeño chorro de líquido. Figura 8: Tipos de ángulos de adherencia2.2.7 CapilaridadPropiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial de la cohesión o fuerzaintermolecular del líquido— y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. 10
  11. 11. Mecánica de FluidosCuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la cohesiónintermolecular es menor que la adhesión del líquido con el material deltubo; es decir, es un líquido que moja.El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibradapor el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y estapropiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de lasplantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.Cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potenteque la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensiónsuperficial hace que el líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.Un aparato comúnmente empleado para demostrar la capilaridad es el tubo capilar; cuando laparte inferior de un tubo de vidrio se coloca verticalmente, en contacto con un líquido como elagua, se forma un menisco cóncavo; la tensión superficial succiona la columna líquida hacia arribahasta que el peso del líquido sea suficiente para que la fuerza de la gravedad se equilibre con lasfuerzas intermoleculares.Dos placas de vidrio que están separadas por una película de agua de 1 µm de espesor, semantienen unidas por una presión de succión de 1,5 atm. Por ello se rompen los portaobjetoshumedecidos al intentar separarlos.Entre algunos materiales, como el mercurio y el vidrio, las fuerzas intermoleculares del líquidoexceden a las existentes entre el líquido y el sólido, por lo que se forma un menisco convexo y lacapilaridad trabaja en sentido inverso. Figura 9: Tipos de meniscosLey de Jurin: define la altura que se alcanza cuando se equilibra el peso de la columna de líquido yla fuerza de ascensión por capilaridad. La altura h en metros de una columna líquida está dada porla ecuación: donde:σ= tensión superficial (N/m)θ = ángulo de contactoρ = densidad del líquido (kg/m³)g = aceleración debida a la gravedad (m/s²)r = radio del tubo (m) 11
  12. 12. Mecánica de Fluidos Tabla 3: Valores de elevación o depresión capilarPresión de Vapor: Presión a la cual los líquidos pasan a estado gaseoso en forma de vapor. 12

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