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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AGRÍCOLA
MECÁNICA DE FLUIDOS Rafael O. Ortiz M.
Propiedades de los fluidos y sus formas de medir
Cristhian David Moreno Peña Cristian Mauricio Moreno Carrero
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Objetivos
Conocer las principales formas de medir las distintas propiedades de los fluidos, tenien en cuenta las normas y estándares para que los resultados sean precisos, además ciertas propiedades explicar cómo pueden ser cuantificadas mediante experiment sencillos sin la necesidad de aparatos especializados. Mostrar las dimensiones de cada una de las propiedades tanto en el sistema gravitacion como en el absoluto, también establecer la diferencia entre las unidades del Sistem Internacional y el Técnico Ingles, que en nuestro campo de desarrollo son los m utilizados. Proponer una breve definición a cada una de las propiedades, para que el concepto físi sea claro, generando que el proceso de medición mediante aparatos o experimentos s fácil de comprender. Reconocer que varias de las características estudiadas, son de vital importancia aspectos como el automotriz o industrial, tanto así que se han generado grados o tip específicos de clasificación en cada uno de estos campos. Establecer los aparatos o instrumentos básicos de laboratorio necesarios para las prueb identificando que algunos de estos sirven para la cuantificación de dos o más propiedad de los fluidos.
Introducción You're Reading a Preview
En este documento se exponen diez propiedades que poseen los fluidos, donde a cada una Unlock full access a freesu trial. estas se le ha realizado una breve definición para with conocer importancia y relación con estos. determinan sus dimensiones en el sistema absoluto y gravitacional, al igual que sus unidades, q Download With Free Trial están en el Sistema Internacional (SI), en el Ingles Técnico y alguna especificación de otro sistem a causa de su uso. También se muestra una serie de aparatos los cuales nos sirven para medición a partir de procedimientos que son especificados con el mismo, se resalta que pa lograr un dato no existe un camino específico, pues comercialmente existen muchas m áquinas q persiguen un mismo fin, la variación en la mayoría de los casos se debe a cuestiones económic es decir precio de los aparatos, que se traduce en una mayor precisión en los resultados, por es Sign up to vote on this titlela idea de q es importante conocer con que aproximación es seguro trabajar para tener dispositivo usar. Useful Not useful
1. Viscosidad dinámica
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además la viscosidad dinámica suele darse en Poise que es representación en el sistema CGS (Centímetro-gramo-segundo) y equivale a .
en el Inglés Técnico son
Estándares para medir viscosidad: los lubricantes para automóviles o maquinas industriales clasifican según su capacidad de fluir a diferentes temperaturas, existen dos sistemas para clasificación de estos lubricantes, los grados SAE e ISO:
Grados SAE: es una escala establecida por la sociedad de ingenieros automotric (SAE) en la cual dependiendo de la viscosidad del aceite se le asigna un número, q puede ser 20, 30, 40 o 60. Esta viscosidad es establecida a 210°F es decir 99°C, embargo algunos automóviles deben trabajar en temperaturas inferiores a estas, p tal razón existen los aceites con el prefijo W (Winter) que establecen la viscosidad 0°F es decir 18°C entre ellos encontramos a 0W, 5W, 10W, 15W, 20W y 25W.
Sin embargo algunas motores deben trabajar en avientes extremos donde a cier horas las temperaturas son muy bajas luego aumentan bastante, por esto surgen aceites multigrados, a diferencia de los anteriores, monógrados, estos pueden ten buenas prestaciones a altas y bajas temperaturas mediante el uso de aditivos y designas indicando primero en temperaturas bajas con el sufijo W y separando con guion la viscosidad a altas temperaturas, por ejemplo SAE 15W-40
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Grados ISO: en esta clasificación se establecen 20 tipos de aceites que se designan p ISO VG, donde VG significa Viscosity posteriormente va un número que ind Unlock full accessGrade, with a free trial. la viscosidad en centi-Stokes, unidad propia de la viscosidad cinemática, de la cual hablará más adelante. Es importante destacar que esta viscosidad se ha medido a u Download With Free Trial temperatura de 40°C, a continuación se presenta una tabla tomada de la ASTM 2422 - 97(2007), donde se observan los 20 grados de viscosidad y sus límit admisibles del 10 %. Tabla 1. Grados de viscosidad ISO
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Aparatos de medición: se conocen como viscosímetros y hay de varios tipos, se diferenci debido al principio que usan para determinar la viscosidad de la sustancia, los principales so
De caída: consiste en disponer el líquido en estudio dentro de un tubo con u longitud conocida generalmente de 1.5m, hacer dos marcas a una determina distancia (1m) y medir el tiempo que este demora de pasar de una a otra, luego c los datos obtenidos se reemplazan en la ec uación que se muestra a continuación:
Donde: t = tiempo de caída g= gravedad r = radio de la esfera
( ) ρesf = densidad esfera ρ flu= densidad fluido
h= longitud entre marcas
Comercialmente existen algunos viscosímetros de este tipo que casi siemp funcionan electrónicamente y por esto sus dimensiones son menores a las especificadas, además tienen un termómetro incorporado puesto que la viscosid cambia en relación con la temperatura, las especificaciones de este instrumento encuentran en la norma ISO 12058.
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Ilustración 1. Viscosímetro de caída (Tomado de www.didatec-technologie.com)
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Ilustración 2. Viscosímetro de pistón (Tomado de www.directindustry.es)
Vibradores: estos tipos de viscosímetros funcionan aplicando una serie de ondas a l fluidos y analizando la manera en que estos responden, por ejemplo si se tiene u muestra de agua destilada y una de glicerina y ambas son sometidas a la mism vibración se observará que la glicerina se deformará o “salpicará” menos, esto consecuencia a la gran diferencia de µ, sin embargo cuantificar esto no es un proce fácil y en consecuencia los viscosímetros de vibración mediante un display entregan dato directamente.
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Ilustración 3. Viscosímetro vibracional (Tomado de www.solostocks.com)
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Donde: F = Fuerza de rotación del cilindro h= espesor del fluido v = velocidad lineal A= área de contacto entre cilindro y fluido
Es importante destacar que con ciertos fluidos o montajes la ecuación no es t sencilla, puesto que el comportamiento de la sustancia es más complejo, entonces deben introducir conceptos de cálculo, no obstante la mayoría de estos viscosímetr hacen los cálculos internamente y entregan los datos directamente.
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Ilustración 4. Viscosímetro rotacional (Tomado de www.paam.com.ar)
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funcionamiento de algun Experimentos: se pueden realizar varios montajes inspirados Not useful Usefulen el de los viscosímetros ya vistos, sin embargo la precisión será menor. La forma experimen más sencilla de medir la viscosidad dinámica de un fluido es en el plano inclinado, consiste
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2. Densidad
Definición: La densidad es una medida utilizada por la física y la química para determinar cantidad de masa contenida en un determinado volumen, esta se designa por la letra griega (Ro). La densidad absoluta o real que mide la masa por unidad de volumen, y es la q generalmente se entiende por densidad. Se calcula con la siguiente formula:
-3
Dimensiones y unidades: Sus dimensiones en el sistema absoluto son [ML ] y en -4 2 gravitacional son [FL T ], sus unidades en el SI corresponden a y en el Técnico Inglé . El sistema absoluto CGS es muy usado para referirse a la densidad, el cual tiene com unidades .
Aparatos de medición: Densímetro: Son varillas flotadoras huecas, con lastre en la parte inferior y graduadas densidades. Se fundamentan en el principio de Arquímedes. Cuanto menor es la densid de un líquido tanto más se hunde en él los densímetros.
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Con los alcoholímetros se mide la concentración de alcohol de una mezcla hidro-alcohólica. escala Gay-Lussac indica el tanto por ciento de alcohol puro en un volumen de una mezcla d alcohol y agua cualquiera. El procedimiento para su uso es e l mismo del densímetro, descrito anteriormente.
3. Peso específico
Definición: se designa por la letra griega γ (gamma), se define como el peso por unidad volumen de un fluido, por tal razón el peso específico se relaciona con la densidad por med de la siguiente ecuación, donde g es la gravedad:
-2 -2
Dimensiones y unidades: en el sistema absoluto sus dimensiones son [ML T ] y en -3 gravitacional son [FL ], sus unidades en el SI corresponden a y en el Técnico Inglés a
Aparatos de medición: Picnómetro: el picnómetro es un elemento con el cual se pueden medir volúmenes manera muy exacta, debido a un fino capilar que este posee, entonces pa determinar el peso específico se pesa el picnómetro vacío, luego este se llena con fluido problema y se pesa de nuevo, entonces la diferencia entre estos dos valor You're Reading a Preview corresponde al peso del fluido, luego esta cifra se divide entre el volumen que corresponda al picnómetro, que debe estar indicado en este mismo, obteniendo Unlock full access with a free trial. ecuación :
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medir un volumen exacto, pues con este matraz para determinar el volumen se ha mediante una escala graduada que tiene en su superficie. El procedimiento equivalente al del picnómetro y se aplica la misma ecuación.
Ilustración 7. Matraz Erlenmeyer (Tomado de www.alquimialab.com)
Densímetro: como su nombre lo indica este aparato sirve para medir densidad (ilustración 5), tal como se explicó anteriormente, no obstante el peso específico y You'reyReading a Preview densidad son proporcionales, dicha constante de proporcionalidad es la gravedad como se ve en la ecuación que define al peso específico por esto la escala d Unlock full access with a free trial. densímetro puede ser alterada para leer directamente el valor de γ.
4. Peso específico relativo Download With Free Trial
Definición: Es la densidad relativa (ρ rf ) o gravedad específica (S f ); la primera compara la densidad de una sustancia con otra de refere ncia, que por lo general es la del agua destilada 4ºC y la segunda relaciona los pesos de un fluido con otro de re ferencia, en ambos el resulta es el mismo debido a la definición de peso y peso específico que llevan de una Sign up to vote on this title formula a otra. En el caso de líquidos, como su volumen aumenta considerablemente con la Useful Not useful temperatura, siendo preciso indicar las condiciones en que se ha medido y pesado el volume muestra. Se calcula con las siguientes fórmulas:
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5. Viscosidad cinemática
Definición: es la relación que existe entre la viscosidad dinámica y la densidad de determinado fluido, es muy útil en problemas de flujo de fluidos y se denomina cinemát porque en sus dimensiones no aparece la masa y por consiguiente tampoco la fuerza.
Dimensiones y unidades: esta propiedad es ajena a la gravedad por esto tanto en el sistem 2 -1 absoluto como en el gravitacional sus dimensiones son [ L T ] en consecuencia sus unidad en el SI son y en el Inglés Técnico , además esta propiedad suela darse en Stokes q corresponden a en el sistema CGS.
Aparatos de medición: como ya es conocido ν corresponde a la relación entre µ y ρ, las cua son dos propiedades que tienen múltiples aparatos para determinarlos, en consecuencia viscosidad cinemática en la mayoría de ocasiones se encuentra por métodos analíticos, s embargo existen formas de hacerlo e xperimentalmente como se explica a continuación.
Viscosímetro de capilar: consiste en medir el tiempo que demorar un volumen fijo fluido en fluir bajo el efecto de la gravedad a través de un capilar, de un viscosíme calibrado a determinada temperatura. La viscosidad cinemática es el producto d You're Reading a Preview tiempo de flujo (t ) por una constante de calibración del aparato (C ), se recomien hacer dos mediciones yUnlock promediarlas full accesspara with aobtener free trial.un valor más exac to de ν.
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perpendicularmente en todos los puntos de la superficie del material, La reducción de volumen es ΔV. Podemos decir que el esfuerzo volumétrico equivale al incremento de fuerza que actúa por área unitaria ( ) y la deformación volumétrica se manifiesta como razón del cambio del volumen y el volumen original ( ). El módulo de elasticidad volumétr sería entonces:
Debido a que es concebible que la fuerza que se aplique sea positiva y el cambio en volumen sea negativo, es necesario incluir el signo negativo en la expresión anterior pa asegurar que la constante EV sea positiva. Recordemos que es el cambio de presión ΔP lo tanto, la expresión anterior se convierte en:
Dimensiones y unidades: Esta propiedad tiene las mismas Dimensiones que la presión, p -1 -2 -2 tanto en el sistema absoluto son [ML T ] y en el gravitacional [FL ], sus unidades son en e (Pa=Pascal) y en el Inglés Técnico .
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Aparatos de medición:
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Manómetro: instrumento que sirve para medir la presión de fluidos contenidos recipientes cerrados. Esencialmente se Trial distinguen dos tipos de manómetr Download With Free según se empleen para medir la presión de líquidos o de gases.
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7. Presión de vapor
Definición: es la presión necesaria para que exista equilibrio dinámico entre la fase liquida gaseosa, es decir, supongamos que se pone en un recipiente un líquido y se deja en la pa superior un espacio, luego se sella y se saca el aire de dicho espacio, entonces algun moléculas empezaran a escapar de la superficie líquida, generando vapor que luego se satur devuelve moléculas a la fase liquida, en el momento en que el intercambio molecular sea igu se ha alcanzado la presión de vapor, una manera más sencilla de explicar el concepto es de que la presión de vapor es aquella a la que un líquido alcanza su punto de ebullición sin ning cambio de temperatura. -1
-2
Dimensiones y unidades: las dimensiones en el sistema absoluto son [ ML T ] y en -2 gravitacional [FL ], por consiguiente sus unidades son en el SI conocido como Pascal (Pa en el Inglés Técnico . Aparatos de medición: hay de varios tipos, aunque todos hacen lo mismo, disminuir presión, difieren en la forma como logran este objetivo.
Mediante bomba de vacío: consiste en una cámara donde se coloca una muestra d líquido en estudio y bajo unos parámetros de temperatura constante, se evacua el a que contiene la cámara mediante la bomba de vacío, que debe ser capaz de logr You're Reading a Preview presiones muy bajas, posteriormente cuanto se consigue el equilibrio dinámic mediante un dispositivoUnlock se mide la presión, es muy full access with a free trial. importante que sea la absoluta, decir la suma de las presiones parciales dentro de la cámara.
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Ilustración 11. Válvula reductora de presión (Tomado de www.armstronginternational.com)
8. Volumen especifico
Definición: El volumen específico Vesp es el volumen ocupado por unidad de masa de material. Es la inversa de la densidad, por lo cual no dependen de la cantidad de mater ia. Este independiente de la cantidad de materia que es considerada para calcularlo. A las propiedad You're Reading Preview que no dependen de la cantidad de materia se las allama propiedades intensivas; dentro de est están también por ejemplo el punto de fusión, punto de ebullición, el brillo, el color, la durez Unlock full access with a free trial. etc.
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Dimensiones y unidades Son inversas a las dimensiones de la densidad, por esto en el sistem -1 3
-1 4 -2
absoluto son [M L ] y en el gravitacional son [F L T ], sus unidades en el SI corresponden a y en el Técnico Inglés a
.
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Useful Not useful Aparatos de medición: Debido a su relación con la densidad las herramientas y procedimient a realizar son los mismos.
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Aparatos de medición: es sabido que la presión absoluta es la suma de presiones parciales, la mayoría de los casos de la atmosférica y la manométrica, en este sentido existen aparat para medir cada una de estas.
Barómetro: consiste en un tubo de vidrio lleno de mercurio, el cual posee uno de s extremos abierto, el cual se sumerge en un recipiente lleno de el mismo fluido, consecuencia la parte superior del tubo quedara vacía, la altura que se mide desde superficie del líquido en el recipiente hasta el menisco superior corresponde a presión atmosférica en mm-Hg, al nivel del mar esta es de 760 mm-Hg, pero mayores alturas disminuye.
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Download With Free Trial Ilustración 12. Barómetro (Tomado de recursostic.educacion.es)
Manómetro de tubo abierto: Es un tubo en forma de U parcialmente lleno con líquido, por lo general mercurio o agua. La presión P que se mide está relacionada c la diferencia en la altura Δh de los dos niveles del líquido mediante la relación:
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Donde P0 es la presión atmosférica y ρ es la densidad del líquido. Hay que advertir q la cantidad ρg Δh es la presión manométrica.
Manómetro aneroide: En estos manómetros la presión da lugar a deformaciones una cavidad o tubo metálico, denominado tubo de Bourdon en honor a su invent Estas deformaciones se transmiten a través de un sistema mecánico a una aguja q marca directamente la presión sobre una escala graduada.
You're Reading a Preview Ilustración 14. Manómetro aneroide (Tomado de www .jefedecompras.com)
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Manómetro electrónico: la presión se aplica a un delgado diafragma metálico cu With Free Trial m ediante un transductor. distorsión resultante se Download traslada a una señal eléctrica
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contacto, se produce una transferencia de energía, en forma de calor, desde el cuerpo calien al frío, esto ocurre hasta que las temperaturas de ambos cuerpos se igualan. En este sentid la temperatura es un indicador de la dirección que toma la energía en su tránsito de un cuerpos a otros.
Dimensiones y unidades: La temperatura se considera una dimensión básica junto a longitud L, la masa M y el tiempo T.
Actualmente se utilizan tres escalas para medir la temperatura, la escala Celsius es la q todos estamos acostumbrados a usar, la Fahrenheit se usa en los países anglosajones y escala Kelvin de uso científico. Con respecto a los grados Celsius tenemos las siguien fórmulas de conversión:
Aparatos de medición:
Termómetro: Los termómetros de líquido encerrado en vidrio son los m populares, se basan en la propiedad que tiene el mercurio, y otras sustanc (alcohol coloreado, etc.), de dilatarse cuando aumenta la temperatura. El líqui se aloja en una burbuja -bulbo- conectada a un capilar (tubo muy fino). Cuando temperatura aumenta, el líquido se expande por el capilar, así, pequeñ variaciones de su volumen resultan claramente visibles.
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ambigüedad se debe dar toda la información necesaria, evitando posibles errores, lo cual es vital importancia en nuestro campo de acción, la ingeniería civil.
Comercialmente existen un gran número de aparatos para la realización de las pruebas, embargo, para estandarizar dichos elementos existen normas como las ASTM, ISO o en nuest país las Normas Técnicas Colombianas (NTC), las cuales debemos conocer para hac adecuadamente las mediciones, facilitando el análisis y diseño según las necesidades.
Con el avance de la tecnología, la mayoría de los dispositivos de última generación s electrónicos y poseen diferentes partes que facilitan la interacción con ellos, además entregan resultados instantáneamente, sin necesidad de medir tiempo o aplicar formulas, no obstante pa comprender a fondo el funcionamiento de estos instrumentos, es de gran utilidad conocer teoría en que se fundamenta su trabajo.
Bibliografía
American Society for Testing and Materials Standard Classification of Industrial Fluid Lubrican by Viscosity System [Norma]. - United States : ASTM D 2422-97, 2007. American Society for Testing and Materials Standard Test Method for Density, Relative Densi and API Gravity of Liquids by Digital Density Meter [Norma]. - United States : ASTM D 40522011. You're Reading a Preview Standard Test Method for Determination of Dynam American Society for Testing and Materials Viscosity and Derived Kinematic Viscosity of Liquids by Oscillating Piston Viscometer [Norma] Unlock full access with a free trial. United States : ASTM D7483-08, 2008. American Society for Testing and Materials Standard Test Method for Dynamic Viscosity a Download Trial of Kinematic Viscosity) [Norma Density of Liquids by Stabinger Viscometer (andWith the Free Calculation United States : ASTM D 7042-12, 12. American Society for Testing and Materials Standard Test Method for Kinematic Viscosity Transparent and Opaque Liquids (and Calculation of Dynamic Viscosity) [Norma]. - United State ASTM D 445-12, 2012. American Society for Testing and Materials Standard Test Method for Vapor Pressure Sign up to vote on this title Petroleum Products [Norma]. - United States : ASTM D 5191-11, 2011. Useful for usefulGravity of Wa Methods Not Specific American Society for Testing and Materials Standard Test and Brine [Norma]. - United States : ASTM D 1429-08, 2008. Giancoli Douglas Medición de presión; Manómetro y barómetros [Sección de libro] // Fís
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