CAPITULO I PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Objetivos
•
Definir la naturaleza de un fluido.
•
Mostrar algunos conceptos comunes entre mecánica de fluidos y mecánica de sólidos, e indicar algunas diferencias fundamentales en cada área.
•
Introducir el concepto de viscosidad y mostrar cuando un fluido es Newtoniano y cuando es no-Newtoniano.
•
Definir las propiedades físicas apropiadas y mostrar como estas permiten la diferenciación entre sólidos sólidos y líquidos, y entre líquidos líquidos y gases. ¿Que es la mecánica de fluidos?
Como su nombre lo sugiere es una rama de la mecánica aplicada, que concierne los fluidos estáticos y dinámicos, ambos, líquidos y gases. El análisis del comportamiento de los fluidos se basa en las leyes fundamentales de la mecánica, las cuales relacionan continuidad de masa y energía con fuerza y momentum, además de las propiedades de la mecánica de sólidos. 1.1 Definición de un fluido
¿Qué es un fluido? Es una sustancia que se deforma continuamente cuando se somete a un esfuerzo cortante. La materia se encuentra en las l as siguientes formas:
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
La diferencia entre un sólido y un fluido es la reacción a la fuerza de corte. Un sólido se deforma hasta determinado grado cuando se aplica un esfuerzo, pero no continúa deformándose al mantener dicho esfuerzo. Un fluido se deforma continuamente al ser sometido a un esfuerzo cortante (esfuerzo tangencial) no importa cuán pequeño sea éste. Un sólido sometido a una tensión de cortadura, experimenta una deformación que es proporcional a la tensión de cortadura. Un fluido sometido a una tensión de cortadura se deforma continuamente con una velocidad que es proporcional a la tensión de cortadura. Diferencia entre un líquido y un gas: Un gas, llena todo el espacio que tiene a disposición; un líquido forma una superficie libre. Consideramos el fluido como un continuo, esto es, una distribución continua sin espacio vacío, ya que el número de moléculas es muy grande y las distancias que las separa son pequeñas.
1
1.2 Propiedades de los fluidos
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
(1.2.1)
Ejemplo: Densidad del agua:
ρ
H2O
= 1000 Kg/m3
; a 4ºC,
Densidad del agua de mar:
ρ
H2O
= 1025 Kg/m3
; a 20ºC, 1atm
Densidad del Aire:
ρ
Aire
= 1.23 Kg/m3
;a 20ºC,
1atm.
1atm. En el gráfico se muestra la densidad del agua como función de la temperatura.
1.2.2 Peso específico
Relación entre peso del fluido y volumen:
(1.2.2)
Ejemplo:
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
2
1.2.3. Volumen Específico
Recíproco de la densidad, es el volumen que ocupa la unidad de masa:
Ejemplo: Densidad del agua ρ
H2O
= 1000 Kg/m3 a 4ºC, 1atm.
1.2.4. Densidad Relativa 2
La densidad relativa de una una sustancia es la relación entre su peso peso y el peso de º un volumen de agua en condiciones condiciones normales (4 C , 1atm):
Ejemplo: Agua de mar ρ
H2O
= 1025 Kg / m 3 podemos calcular la densidad relativa
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
La viscosidad de un fluido es la resistencia al movimiento de una capa de un fluido sobre otra adyacente, depende de la cohesión y del grado de transferencia de cantidades de movimiento de sus moléculas. Altas presiones pueden cambiar la viscosidad de un liquido, como la presión incrementa el movimiento relativo de las moléculas requieren mas energía por lo tanto la viscosidad se incrementa.
Fuerza de corte F actuando sobre un elemento de fluido T = T1
T=0
Donde: µ
: Factor de proporcionalidad
A : Área entre las placas = velocidad angular de la línea ab ó velocidad angular de deformación del fluido. Se puede escribir en forma más general: du / dy Existe una proporcionalidad entre la tensión de cortadura y la velocidad de deformación angular de un movimiento unidimensional de un fluido (1.2.6)
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
Ley de Newton de la viscosidad viscosidad y µ se le llama viscosidad del fluido µ
= [ F T / L2 ]
SI =
N s / m2 ; kg / ms
USC = lb s / ft2 ; slug / ft s Poise µ
dina s / cm2 ; gr / cm2 s
: Viscosidad Absoluta o Dinámica, Pa*s
: Viscosidad cinemática, m2/s, es la relación entre la viscosidad y la densidad.
ν
(1.2.7)
Los gráficos nos muestran muestran la viscosidad dinámica dinámica y cinemática cinemática del agua.
1.2.6 Compresibilidad
Es el cambio relativo de volumen (densidad) debido a un cambio de presión:
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
K : módulo módulo de elasticidad volumétrico K = - dp / (dv/v) Aire : 20000 20000 veces más compresible que el agua agua Agua : 100 veces más compresible que el acero 1.2.7. Presión de Vapor
Presión bajo la cual a una determinada temperatura las moléculas del líquido se escapan de su superficie: Ps, [N/m 2, bar].
1.2.8 Tensión Superficial
Se presenta en la zona de contacto entre liquido y gas, por ejemplo agua-aire, debido a las fuerzas de cohesión del líquido y tienden a reducir la superficie de contacto, por ejemplo las gotas de agua tienen la forma de esferas. Aire – Agua
σ
=0.073 N/m
Aire – Aceite
σ
=0.028 N/m
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
la elevación (o descenso) medio (1.2.10)
Para que haya un equilibrio tiene que ser igual la fuerza de tensión superficial y el peso w. H : es la altura que sube el agua en un determinado momento Si θ < 90º H+ moja θ
= 0º )
(por ejemplo agua
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
1.2.10 La ley de los gases perfectos perfectos
El gas perfecto es viscoso, compresible y cumple la ley de los gases perfectos; que es una relación entre la presión, el volumen especifico y la temperatura del fluido. P
= RT
6
Donde R es la constante de los gases en SI : M = peso molecular
H Entalpía
U Energía intrínseca
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
Trusted by over 1 million members
Try Scribd FREE for 30 days to access over 125 million titles without ads or interruptions! Start Free Trial Cancel Anytime.
7
1.4. Fuerzas volumétricas y superficiales
Sobre un fluido pueden actuar dos tipos de fuerzas: • •
Fuerzas superficiales, actúan sobre las fronteras del medio físico a través del contacto directo. Fuerzas volumétricas o másicas, actúan sin contacto físico y se distribuyen sobre el volumen del fluido, por ejemplo: Fuerzas gravitatorias.
1.5. Medio Continuo
Se caracteriza porque sus átomos o moléculas están tan próximos, que el conjunto puede considerarse macroscópicamente como una masa homogénea cuyo comportamiento puede preverse sin tener en cuenta el movimiento de cada una de las partículas elementales que lo l o componen. En un medio continuo se definen dos propiedades: •
Propiedades Intensivas: Intensivas: No dependen de la cantidad de materia involucrada, de manera que pueden asociarse a un punto, por ejemplo: