“UNIVERSIDAD NACIONAL JOSÉ FAUSTINO SÁNCHEZ CARRIÓN”
LOS FLUIDOS Y SUS PROPIEDADES INGENIERIA CIVIL
CHANG VALLADARES JHON CASTILLO CASTILL O ARANA KEVIN LUCERO NICHO FRANK NICHO ALVARADO JHON VAZQUES VARILLAS JESUS
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DEDICATORIA El presente trabajo se ha elaborado en gratitud a nuestros Padres de familia, familiares y amistades que nos apoyan En nuestro crecimiento y desarrollo tanto profesional como Personal siendo pieza pieza fundamental en nuestras nuestras vidas Es por ello que le dedicamos el presente trabajo
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INTRODUCCION El objetivo de este presente trabajo es profundizar en los fluidos y sus propiedades tanto físicas como químicas. Se hace hincapié sobre todo en las propiedades de los fluidos, la presin, densidad y flujo. !os fluidos forman parte de nuestras vidas por ello hemos visto conveniente tratar sobre sus aplicaciones y comportamiento en la vida cotidiana. Se presentan problemas que ejemplifican las funciones y sus propiedades, su comportamiento y reaccin frente a problem"ticas. Se espera que quienes revisen este trabajo y posterior e#posicin puedan aprender en relacin a los fluidos y sus propiedades y sea el comienzo para profundizar en el tema.
3 INDICE
1. FLUIDO_____________________________________________________________4 Propiedades! Densidad__________________________________________________________________________4 Compresibilidad___________________________________________________________________5 Viscosidad_________________________________________________________________________5 Tensión superfcial_________________________________________________________________6
F"#$io#a%idad&
2. SUPOSICIONES FUNDAMENTALES________________________________7 E% '"ido #o es (is$oso&
El fluido es l!i"# ) El fluido es i"$o!%#e"si&le* El fluido es i##o'$io"l *
3. DENSIDAD DE UN CUERPO: __________________________________________9 De"sidd #el'i( de u" $ue#%o+, De"sidd Rel'i( de l)u"os l*+uidos+-
_________________________________________________13 4. PESO ESPECÍFICO
5. COHESIÓN _________________________________________________________14 6. ADHESIÓN _________________________________________________________15 ________________________________________16 7. CONVERSION DE UNIDADES Sis'e! i"'e#"$io"l de u"iddes ,SI-+. Prefijos del S$ ______________________________________________________________________16
Sis'e! T#di$io"l de U"iddes de Es'dos U"idos+& .eso / 0s e" el Si de U"iddes+* .eso / 0s e" el Sis'e! T#di$io"l de U"iddes de Es'dos U"idos+*
4 +/FLUIDO %n fluido es una sustancia que puede fluir. %na definicin m"s formal puede ser &un fluido es una sustancia que se deforma de manera constante cuando se le somete a un esfuerzo cortante, sin importar lo peque'o que sea dicho esfuerzo(. Es por esto que un fluido no puede resistir fuerzas de cizalla sin deformarse, mientras que un cuerpo slido si puede hacerlo. En los fluidos podemos diferenciar a) •
•
!os líquidos* est"n sometidos a fuerzas intermoleculares que lo mantienen unido de tal forma que su volumen es definido pero su forma no. !os gases* constan de partículas que chocan unas con otras de manera catica y tratan de dispersarse de tal modo que un gas no tiene volumen ni forma definida y llenar" por completo cualquier recipiente en el cual se coloque.
+entro de los elementos que se mantienen en discusin por ser un fluido o calificarlos como elementos pl"sticos podemos nombrar al vidrio y el asfalto, se dicen que estos fluyen pero a un ritmo demasiado lento siendo considerado por ello como slidos.
Propiedde! De#sidad Es la medida del grado de compactacin de un material. Para un fluido homogéneo se define como la masa por unidad de volumen y depende de factores tales como su temperatura y la presin a la que est" sometido. Sus unidades en el S$ son) g-m . !os líquidos son ligeramente compresibles y su densidad varía poco con la temperatura o la presin. Para una masa dada, la presin, la temperatura y el volumen que ocupa se relacionan por medio de la ley de los gases) p/ 0 n12, donde 1 es la constante de los gases ideales y 2 la temperatura absoluta 3grados 4elvin5. o
+ensidad 6bsoluta 7agnitud que e#presa la relacin entre masa y volumen de un material
Siendo o
, la densidad* m, la masa* y V , el volumen de la sustancia.
+ensidad 1elativa 8omo su nombre lo dice, la densidad relativa es la relacin entre su densidad y la de otra sustancia en referencia, dando en este caso una unidad adimensional.
5 +onde es la densidad sustancia, y es la
relativa, es la densidad de la densidad de referencia o absoluta.
Para los líquidos y los slidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presin de 9 atm y la temperatura de : ;8. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua destilada es de 9<<< g-m=, es decir, 9 g-dm=. Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presin de 9 atm y la temperatura de < ;8.
Co"pre!i#i$idd Es una propiedad de la materia a la cual se debe que todos los cuerpos disminuyan de volumen al someterlos a una presin o compresin determinada manteniendo constantes otros par"metros. En el caso de los fluidos al haber diferenciado dos partes como son los líquidos y los gases podemos decir que en el caso de los gases estos son bastantes compresibles ya que e#iste un espacio de separacin entre sus moléculas, y en los líquidos e#iste cierta resistencia a la compresin, pero no son totalmente incompresibles.
%i!&o!idd !a viscosidad es la oposicin o resistencia de un fluido a las deformaciones tangenciales, debida a las fuerzas de cohesin moleculares. 2odos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una apro#imacin bastante buena para ciertas aplicaciones. %n fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. !a viscosidad solo se manifiesta en líquidos en movimiento, se ha definido la viscosidad como la relacin e#istente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. o
8oeficiente de viscosidad din"mica +esignado como > o ?. En unidades en el S$) @AB 0 @PaCsB 0 @gCm D9CsD9B* otras unidades) 9 poise 0 9 @PB 0 9< 9 @PaCsB 0 @9< 9 gCs9Cm9B
6 o
8oeficiente de viscosidad cinem"tica) +esignado como F, y que resulta ser igual al cociente entre el coeficiente de viscosidad din"mica y la densidad del fluido. F 0 ?-G. 3En unidades en el S$) @FB 0 @mH.s D9B. En el sistema cegesimal es el stoes IStI5.
Te'!i(' !)per*&i$ %na molécula dentro del líquido es atraída en todas direcciones por otras moléculas mediante fuerzas cohesivas. 8uando un líquido est" en contacto con algJn otro medio 3aire, otro líquido, un slido5 se forma una superficie de contacto entre el líquido y el otro medio. +entro del líquido, y lejos de su superficie de contacto, una molécula se encuentra en equilibrio) la suma de las fuerzas de atraccin es cero. Sin embargo, en la superficie de contacto, la suma de estas fuerzas tiene como resultante una fuerza neta, perpendicular a la superficie y con sentido hacia el interior del líquido. Esta fuerza hacia el interior hace que la superficie de contacto se comporte como una membrana. %na de las consecuencias de la tensin superficial es la capilaridad. Propiedades físicas del agua
7 F)'&io'$idd !a funcionalidad se refiere a los usos que se le pueden dar a los fluidos teniendo en cuenta las propiedades que los caracterizan, podemos decir que sirven para transformar, controlar y transmitir los esfuerzos mec"nicos a través de una variacin de presin o de flujo. En general, un fluido hidr"ulico tiene : funciones primarias) •
•
2ransmitir potencia) a este fin todos los fluidos serían v"lidos 3e#cepto los gases por ser compresibles5, siempre que su viscosidad sea la adecuada a la aplicacin. Para cumplir esta funcin el fluido deber" fluir f"cilmente a través de los conductos internos de los componentes. %na resistencia e#cesiva a su circulacin produciría considerables pérdidas de carga y consiguientemente un incremento en la potencia necesaria para el funcionamiento del equipo. !ubricar las partes en movimiento) Esta es una de las principales misiones del fluido, y razn por la cual dej de usarse agua para los circuitos hidr"ulicos. !a lubricacin es la capacidad del fluido de formar una película sobre las superficies, y hacer que esta película facilite el desplazamiento de esta superficie sobre otras, evitando en lo posible el contacto directo entre estas.
•
•
+isipar calor o refrigerar) El fluido debe ser capaz de absorber el calor generado en determinados puntos del sistema para luego liberarlo al ambiente a través del depsito, manteniendo estable la temperatura del conjunto durante el normal funcionamiento del equipo. Sellar los espacios libres entre elementos) Por ejemplo, el fluido hidr"ulico debe ubicarse entre los espacios e#istentes dentro del sistema cilindroémbolo o pistn.
-/SUPOSICIONES FUNDA0ENTALES Es posible hacer cuatro suposiciones para simplificar el an"lisis de los fluidos
E$ +)ido 'o e! ,i!&o!o Se desprecia la friccin interna. Podemos observar que las líneas de corriente son simétricas respecto al eje #. El fluido a lo largo de la línea de corriente central se divide y fluye alrededor del cilindro una vez que ha incidido en el punto 6. Este punto sobre el cilindro recibe el nombre de punto de estancamiento. 6l igual que en el flujo sobre una placa plana, se desarrolla una capa límite en las cercanías de la pared slida del cilindro. !a distribucin de velocidades fuera de la capa límite se puede determinar teniendo en cuenta el espaciamiento entre líneas de corriente.
8 8onsidérese moment"neamente el flujo incompresible alrededor del cilindro, suponiendo que se trate de un flujo no viscoso, como el mostrado en la figura K99b, este flujo resulta simétrico respecto tanto al eje # como al eje y. !a velocidad alrededor del cilindro crece hasta un valor m"#imo en el punto + y después disminuye conforme nos movemos alrededor del cilindro. Para un flujo no viscoso, un incremento en la velocidad siempre va acompa'ado de una disminucin en la presin, y viceversa. +e esta manera, en el caso que nos ocupa, la presin sobre la superficie del cilindro disminuye conforme nos movemos del punto 6 al punto + y después se incrementa al pasar del punto + hasta el E. Puesto que el flujo es simétrico respecto a los dos ejes coordenados, es de esperarse que la distribucin de presiones resulte también simétrica respecto a estos ejes. Este es, en efecto, el caso. Lo e#istiendo esfuerzos cortantes en un flujo no viscoso. !a simetría en la distribucin de presiones conduce a la conclusin de que en un flujo no viscoso no e#iste una fuerza neta que actJe sobre un cilindro, ya sea en la direccin # o en la direccin y. !a fuerza neta en la direccin # recibe el nombre de arrastre. SegJn lo anterior, se concluye que el arrastre para un cilindro en un flujo no viscoso es cero* esta conclusin evidentemente contradice nuestra e#periencia, ya que sabemos que todos los cuerpos sumergidos en un flujo real e#perimentan algJn arrastre. 6l e#aminar el flujo no viscoso alrededor de un cuerpo hemos despreciado la presencia de la capa límite, en virtud de la definicin de un flujo no viscoso.
El fluido e l!"i#!$ !a velocidad en cada punto permanece constante algunos flujos son suaves y ordenados en tanto que otros son considerados caticos. El movimiento intensamente ordenado de un fluido, caracterizado por capas no alteradas de éste se menciona como laminar !a palabra laminar proviene del movimiento de partículas juntas adyacentes del fluido, en &l"minas(. El flujo de los fluidos intensamente viscosos, como los aceites a bajas velocidades, por lo general es laminar. El movimiento intensamente desordenado de un fluido, que es comJn se presente a velocidades altas y se caracteriza por fluctuaciones en la velocidad se llama turbulento
9
El fluido e i#%o"&$e#i'le !a incomprensibilidad es una apro#imacin y se dice que el fluido es incompresible si la densidad permanece apro#imadamente constante a lo largo de todo el fluido. Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado sobre el curso de su movimiento cuando el fluido es incomprensible.
El fluido e i$$o(!%io#!l El fluido no posea momento angular en ningJn punto. 8uando el fluido no gira alrededor de su centro de masa. Si al colocar un objeto en el interior de un fluido en movimiento, el objeto no rota o gira sobre su propio eje, el fluido es irrotacional. %n ejemplo de giro irrotacional se presenta al quitar el tapn de la tina del ba'o.
1 8ualquier objeto colocado ahí, acompa'a al fluido en su movimiento, pero no gira sobre su propio eje
12 DENSIDAD DE UN CUER.O3 3ro5 0 masa por unidad de volumen 0 M -g, lo que quiere decir que entre m"s masa tenga un cuerpo en un mismo volumen, mayor ser" su densidad. Ꝭ
3 En el sistema internacional 3S$5 la densidad del agua es 9.<<< g- m a :;8
!a densidad es una propiedad que depende de la presin y la temperatura)
!a variacin de la densidad con 3P, 25 es menor para los slidos que para los líquidos, y menor para los líquidos que para los gases.
11 Para una masa dada, la presin, la temperatura y el volumen que ocupa se relacionan por medio de la ley de los gases) p/ 0 m12, donde 1 es la constante de los gases ideales y 2 la temperatura absoluta 3grados 4elvin5
De#id!d $el!(i)! de u# %ue$&o !a densidad relativa de un cuerpo es un numero adimensional que viene dado por la relacin del peso del cuerpo al peso de un volumen igual de una sustancia que se toma como referencia. !os slidos y líquidos se refieren al agua a :;8 , mientras que los gases se refieren al aire libre de 8 O2
e hidrogeno a <;8 y 96tm de presin , como condiciones por ejemplo)
normales,
Densidad relativadeuna sustancia =
peso dela sustancia peso de igual volumende agua
Densidad relativadeuna sustancia =
peso especifico dela sustancia pesoespecifico del agua
Densidad relativadeuna sustancia =
densidad dela sustancia densidad del agua
6sí, si la densidad relativa de un aceite es <.NO< su peso específico ser" <.NO<39<<< gm
3
3 5 0NO<g- m .
12 !a densidad relativa del agua es 9.<< y la del mercurio 9,ON. !a densidad relativa de una sustancia viene dada por el mismo nJmero en cualquier sistema de unidades.
13 De#id!d Rel!(i)! de !l*u#o l+,uido
!íquido
+.1.
2@;8B
6gua dulce
9,<<
:
6gua de mar
9,
:
Petrleo bruto ligero
<,R<,RR
9O
Petrleo bruto medio
<,RR<,T<
9O
Petrleo bruto pesado
<,TK<,T
9O
4eroseno
<,NT<,RK
9O
asolina ordinaria
<,N<<,NO
9O
6ceite lubricante
<,RT<,TK
9O
Queloil
<,RT<,T:
9O
6lcohol sin agua
<,NT<,R<
9O
licerina
9,K
<
7ercurio
9,
<
14
42 .ESO ES.EC5FICO El peso específico 3M5 de una sustancia es el peso de la unidad de volumen de dicha sustancia. En los líquidos M puede considerarse constante para las variaciones ordinarias de presin. El peso específico del agua para las temperaturas m"s comunes es de 9<<< 3 g- m
!os pesos específicos de los gases pueden calcularse mediante la ecuacin de estado de los gases) pV = R ( Leyesde charles y Boyle ) t 2 +onde &p( es la presin absoluta en Kg / m
+onde & /( es el volumen especifico o volumen ocupado por la unidad de peso en 3
m / Kg
+onde &2( es la temperatura absoluta en grados 4elvin 3;40;8UKN5 +onde &1( es la constante del gas.
15 8omo
γ =
γ =
1
V , la ecuacin puede reescribirse)
p RT
62 COHESIÓN !a cohesin es la fuerza de atraccin que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia. !a atraccin molecular entre moléculas semejantes de un líquido recibe el nombre de fuerza cohesiva. Vsta fuerza da origen a la cohesin, o sea, a la tendencia de un líquido a permanecer como un conjunto de partículas. !a falta de fuerzas cohesivas entre las moléculas de un gas le permite llenar todo el recipiente donde se encuentre un gas encerrado. !a cohesin es mayor en los slidos que en los líquidos y en éstos es mayor que en los gases. Por ejemplo debido a la fuerza de cohesin, dos gotas de agua que se juntan se unen para formar una sola, y lo mismo sucede con dos gotas de mercurio. Si observas por las ma'anas las hojas de las plantas de un jardín, notar"s que el agua del rocío se distribuye en peque'as gotas y no de manera uniforme sobre la superficie de la hoja. Esto ocurre debido a que actJan fuerzas de atraccin entre las moléculas de agua que no permiten que ésta se desparrame totalmente. Por ejemplo, las gotas que salen de una llave, tienden a adoptar una forma esférica propia, debido a las fuerzas de cohesin, pues cada molécula atrae en todas direcciones por igual a las moléculas que la rodean.
16 Pero sobre las moléculas de los líquidos no actJan solamente las fuerzas de cohesin* actJan, adem"s, fuerzas de repulsin, que les impiden situarse demasiado cerca unas de otras y, también la gravedad actJa sobre ellas, obligando a las capas superiores del líquido a resbalar sobre las inferiores, hasta alcanzar el mismo nivel en la superficie.
La $o1esi2# es %a $a"sa de 3"e e% a4"a 5or6e 4o7as8 %a 7e#si2# s"per9$ia% 1a$e 3"e se 6a#7e#4a# es5:ri$as ; %a ad1esi2# %as 6a#7ie#e e# s" si7io
72 ADHESIÓN Es la fuerza de atraccin que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes que se ponen en contacto* generalmente un líquido con un slido. eneralmente las sustancias líquidas, se adhieren a los cuerpos slidos. 8uando se presenta el fenmeno de adherencia significa que la fuerza de adhesin entre las moléculas de una misma sustancia es mayor que la fuerza de cohesin que e#perimentan con otra sustancia distinta, con la cual tienen contacto. 2al es el caso del agua que se adhiere al vidrio, la pintura al adherirse a un muro, el aceite al adherirse al papel, o la tinta a un cuaderno. 8ohesin y adherencia. 6l juntar un líquido con un slido tendremos como resultado que en la superficie de contacto e#isten dos fuerzas de
17 tendencia opuesta. Por un lado, la fuerza de cohesin que tender" a mantener las moléculas del líquido juntas, y por el otro, las fuerzas de adhesin que tender"n a unir las moléculas del slido con las del líquido, y por lo tanto a dividir al líquido. SegJn sean los valores de estas fuerzas se obtienen diferentes resultados) si la adherencia es mayor que la cohesin, el líquido se distribuye sobre la superficie del slido, y se dice que lo moja. Se trata de una propiedad importante de los &adherentes( Si por el contrario, la cohesin es mayor que la adherencia el líquido tender" a mantener su forma y una superficie mínima de contacto con el slido por lo que no lo mojar". El que suceda una cosa u otra depende de las características del líquido y del slido. Por ejemplo, cuando hay agua sobre papel encerado se forman peque'as gotas, pero cuando hay agua sobre cartulina, esta se moja. !a diferencia est" dada por las características del slido. Pero puede suceder que el líquido sea el que determine el resultado final de la interaccin con el slido. Si ponemos agua sobre la superficie de un vidrio, el agua se desparrama sobre el vidrio, y por lo tanto lo mojar", pero si ponemos mercurio sobre el vidrio, éste conservar" su forma de gota, aunque la gota esté aplastada debido a su propio peso. U#as 4o7as de a4"a ad1iri:#dose a %a 7e%ara
E% 6or7ero "sado para 6a#7e#er ; sos7e#er ="#7os %os %adri%%os es "# e=e6p%o de ad1esi2#
82 CONVERSION DE UNIDADES
Si(e"! i#(e$#!%io#!l de u#id!de -SI En cualquier trabajo técnico deben establecerse las unidades en que se miden las propiedades físicas. %n sistema de unidades especifica las unidades de las cantidades
18 fundamentales de longitud, tiempo, fuerza y masa. !as unidades de otros términos se derivan de estas. !a referencia definitiva para el uso est"ndar de las unidades métricas en todo el mundo es el Sistema $nternacional de %nidades 3Systeme $nternational dW%nites5, conocido por su abreviatura S$. En los Estados %nidos, el est"ndar se presenta en la publicacin del Lational $nstitute System of %nits 3S$5. Editada por Xarry L. 2aylor en el K<<9. !as unidades del S$ para las cantidades b"sicas son las siguientes)
/o#*i(ud 0 "e($o -" 1ie"&o 0 e*u#do - 2!! 0 ilo*$!"o -* o N. " Fue$! 0 Ne(o# -N o *." 8omo se indica, una unidad equivalente para la fuerza es el g.m-s K. Esta se obtiene de la relacin fuerza y masa.
F0 ".! P$efi8o del SI
Si(e"! 1$!di%io#!l de U#id!de de E(!do U#ido El sistema tradicional de unidades de Estados %nidos, a veces llamado Sistema gravitacional de unidades inglesas o sistema librapiesegundo, define unidades fundamentales así) /o#*i(ud 0 &ie -&ie
19 1ie"&o 0 e*u#do - 2!! 0 li'$! -l' Fue$! 0 lu* o l'. &ie Es probable que de estas, la unidad m"s difícil de entender sea el slug, debido a que estamos familiarizados con la medicin en términos de libras, segundos y pies. 2al vez nos ayude observar la relacin que e#iste entre fuerza y masa,
F0 ".! +onde a es la aceleracin e#presada en unidades de pies-s K. Por tanto, la unidad derivada para la masa es) F m 0 a 0
2
lb.s 2 pies / s 0
lb.s pie
2
0 slug
Esto significa que para la unidad e masa se puede utilizar tanto los slugs como las lb.s2 /pie. +e hecho, algunos c"lculos requieren que seamos capaces de manejar ambas unidades.
2
21 Peo 9 2!! e# el Si de U#id!de El peso es una fuerza y la masa es la cantidad de una sustancia. 6mbos términos se relacionan por medio de la aplicacin de la ley de la gravitacin de LeYton, que dice que la fuerza es igual a la masa multiplicada por la aceleracin, es decir, F0 ".! Zablar del peso, implica que la aceleracin es igual a g , que es la aceleracin de la gravedad. Entonces, la ley de LeYton se transforma en)
0 "* Por ejemplo, considere una roca con una masa de O.< kg suspendida de una alambre. Para determinar la fuerza que se ejerce sobre el alambre se usa la ley de la gravitacin de LeYton 3Y 0 mg5
0 "* 0 "!! l! !%ele$!%i;# de l! *$!)ed!d 8omo en condiciones est"ndar g = 9.81 m/s2 , tenemos
0 5.6< * =.>? " 0 54.= *." 0 54.= N 6sí, O.< g de la roca pesan O:.TL 2ambién se puede calcular la masa de un objeto si se conoce su peso. Por ejemplo, suponga que se midi el peso de una v"lvula y resulto ser de R.KO L. [8u"l es su masa\ 2enemos)
0 "* 2
"0
8.25 ! 0.841 ! . s = = =0.841 "g 2 g 9.81 m / s m
Peo 9 2!! e# el Si(e"! 1$!di%io#!l de U#id!de de E(!do U#ido !a relación en"re el peso # la masa en el $is"ema Tradicional de %nidades de &s"ados %nidos se ilus"rara con el si'uien"e e(emplo) supon'amos *ue medimos el peso de un con"enedor de acei"e # resul"o ser de 84+6lb+ ,Cu-l es su masa. $e "iene+
0 "* 2
"0
8 4 . 6 lb s = =2 . 63 lb . =2 . 63 slug 2 g 32.2 pies / s pie
22 @i'lio*$!f+! •
•
•
•
• •
/""p)00+academia+edu085369260ec C31nica_de_uidos+_undamen"os_#_plicaciones_Cen'el_1ra T Claudio+ ec-nica de luidos # -*uinas :idr-ulicas+ 2 ed+ ;= ?ruce+ @>%=A Donald+ >B$: T/eodore+ undamen"os de ec-nica de luidos+ &di"orial !imusa Eile#+1999 >TT Fober"+ ec-nica de luidos plicada+ Cuar"a &dición+ Gren"ice :all+ 1996+ /""p)00fsicaib"carlos+blo'spo"+pe0211010mecanicaHdeHuidos+/"ml /""p)00uidos+eia+edu+co0/idraulica0ar"iculoses0concep"osbasicosm uidos0co/esiC3?3n0co/esiC3?3n+/"m
