Propiedades De Los Fluidos Objetivos 3z3o6m

CAPITULO I PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Objetivos

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Definir la naturaleza de un fluido.

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Mostrar algunos conceptos comunes entre mecánica de fluidos y mecánica de sólidos, e indicar algunas diferencias fundamentales en cada área.

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Introducir el concepto de viscosidad y mostrar cuando un fluido es Newtoniano y cuando es no-Newtoniano.

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Definir las propiedades físicas apropiadas y mostrar como estas permiten la diferenciación entre sólidos y líquidos, y entre 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 siguientes formas:

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.

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1.2 Propiedades de los fluidos 1.2.1 Densidad Relación entre la masa y el volumen de un fluido.

(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:

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 sustancia es la relación entre su peso y el peso de un volumen de agua en condiciones normales (4ºC , 1atm):

Ejemplo: Agua de mar ρ

H2O

= 1025 Kg / m3 podemos calcular la densidad relativa =1.025

1.2.5. Viscosidad

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)

Ley de Newton de la 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 dina s / cm2 ; gr / cm2 s

Poise

µ : Viscosidad Absoluta o Dinámica, Pa*s ν : Viscosidad cinemática, m2/s, es la relación entre la viscosidad y la densidad. (1.2.7)

Los gráficos nos muestran la viscosidad dinámica y cinemática del agua.

1.2.6 Compresibilidad Es el cambio relativo de volumen (densidad) debido a un cambio de presión:

El gas es más compresible. Líquidos:

K : módulo de elasticidad volumétrico K = - dp / (dv/v) Aire : 20000 veces más compresible que el 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/m2, bar].

1.2.8 Tensión Superficial Se presenta en la zona de o entre liquido y gas, por ejemplo agua-aire, debido a las fuerzas de cohesión del líquido y tienden a reducir la superficie de o, 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

Agua - Aceite

σ =0.02

N/m

1.2.9 Capilaridad

Un líquido asciende ( o desciende) en un tubo hasta el equilibrio entre la fuerza de adhesión en la superficie de o y el peso del líquido suspendido ( o hundido). Se puede decir: peso = fuerza capilar

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

(por ejemplo agua

θ = 0º ) Si θ > 90º H- no moja ( por ejemplo el mercurio) Figura de capilaridad del agua y el mercurio

1.2.10 La ley de los gases 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. Pν = RT 6

Donde R es la constante de los gases en SI : M = peso molecular

H  Entalpía

U  Energía intrínseca

1.3. Clasificación de los fluidos Los fluidos pueden clasificarse en newtonianos y no newtonianos. En los primeros existe una relación lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de deformación resultante (µ constante). En los segundos no existe relación lineal, el estudio de los fluidos no newtonianos se llama reología. Sustancia tixotrópica, tiene una viscosidad que depende de la deformación angular inmediatamente anterior y tiende a un cierto valor cuando la sustancia está en reposo. El término mecánica de fluidos se refiere siempre a fluidos newtonianos.

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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 o directo. Fuerzas volumétricas o másicas, actúan sin o 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 componen. En un medio continuo se definen dos propiedades: •

•

Propiedades Intensivas: No dependen de la cantidad de materia involucrada, de manera que pueden asociarse a un punto, por ejemplo: la temperatura, humedad entre otras. Propiedades ExtensivasDependen de la cantidad de materia que se considera, por ejemplo: calor, masa, peso y energía, etc.