CUALES SON LAS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

CAPÍTULO I

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

RESUMEN

Un fluido es una sustancia que escurre, o se deforma continuamente, cuando está sometido a un esfuerzo de corte o tangencial.  En reposo sólo soporta esfuerzos normales.

La mecánica de los fluidos estudia el comportamiento de estos como un medio continuo, sin considerar lo que ocurre a nivel de sus moléculas.

Se definen como propiedades intensivas las que no dependen de la cantidad de materia comprometida y extensivas las que dependen de la masa o volumen.  Las intensivas siempre se pueden definir en un punto.  Las propiedades extensivas sólo se pueden definir puntualmente en materiales homogéneos dividiendo el valor numérico por la cantidad de masa o volumen.  Entonces se le agrega el calificativo de específica.

Para cuantificar el comportamiento de los fluidos se utilizan ciertas magnitudes de referencia para las dimensiones básicas.  En estos apuntes se utiliza el Sistema Internacional, SI, que se basa en  el sistema MKS con algunas modificaciones. Las unidades básicas son el metro, el segundo, el kilogramo y el grado kelvin, para la longitud, tiempo, masa y temperatura respectivamente.  La unidad de fuerza es el newton.

Para los fluidos se definen las siguientes propiedades mecánicas:

• Masa específica, ρ, cantidad de materia por unidad de volumen.
• Peso específico, γ, peso por unidad de volumen.
• Densidad, d, relación entre la masa, o el peso específico de una sustancia, y el de una sustancia de referencia.

La propiedad más importante de los fluidos es la viscosidad que representa la resistencia que opone el fluido a escurrir cuando se le somete a un esfuerzo de corte.  Para el caso de fluidos newtonianos se cumple:

        [pic 1]

Los fluidos se pueden clasificar, de acuerdo a si cumplen o no esta relación, como ideales, newtonianos, plásticos, pseudoplásticos y dilatantes.

En el caso de los líquidos la viscosidad disminuye si se aumenta la temperatura y en los gases aumenta.

Se define como ecuación de estado la relación entre las variables macroscópicas de presión, volumen y temperatura para una sustancia en equilibrio termodinámico.  Existen expresiones explícitas sólo en algunos casos simples. Por ejemplo en los gases ideales se cumple:

        [pic 2]

La compresibilidad representa la mayor o menor facilidad que tiene un fluido para variar su volumen cuando se somete a cambios de presión.  Se define el módulo de compresibilidad como:

        [pic 3]

Los líquidos se pueden considerar incompresibles bajo condiciones normales y los gases altamente compresibles.

La presión de vapor corresponde a la presión a la cual un líquido pasa a la fase de gas para una temperatura dada.

La tensión superficial permite cuantificar las fuerzas que se originan en la interfase entre dos fluidos que no se mezclan.  Estas fuerzas son de pequeña magnitud de manera que sus efectos son importantes en fenómenos de pequeñas dimensiones.

El agua es el líquido más común en la naturaleza con una masa específica de 1.000 kg/m3, una viscosidad dinámica de 1 centipoise y es prácticamente incompresible, con un módulo de compresibilidad de 22.000 bar. Entre los gases, el aire es el más abundante con una masa específica de 1,2 kg/m2, una viscosidad dinámica de 0,02 (g/ms) y fácilmente compresible.

Resumen de los objetivos de este capítulo

Al final de este capítulo Ud. deberá ser capaz de:

• Dar ejemplos en los cuales la mecánica de fluidos juega un papel importante en la práctica de la ingeniería.
• Distinguir el comportamiento de un fluido en comparación con el de otros estados de la materia.
• Clasificar como fluido o no a materiales comunes de acuerdo a su comportamiento bajo la acción del esfuerzo de corte, así como proponer experimentos simples para efectuar esta clasificación.
• Conocer las unidades y dimensiones básicas del sistema SI.
• Dar definiciones operacionales de masa específica, peso específico, densidad, fluido, viscosidad dinámica, viscosidad cinemática, compresibilidad, presión de vapor, ecuación de estado, ecuación característica y tensión superficial.
• Conocer el orden de magnitud de las propiedades básicas del agua y del aire.
• Contestar preguntas sencillas y resolver problemas del tipo de los que se indican al final de este capítulo.

PREGUNTAS

1.- Indique si cada una de las afirmaciones siguientes es verdadera o falsa:

a) La Mecánica de Fluidos como tal  nace en el siglo XX con los aportes de Prandtl.   b) En un fluido con memoria el esfuerzo de corte depende de la deformación instantánea solamente.   c) En un fluido con memoria el esfuerzo de corte depende de la historia de la deformación.   d) Un fluido newtoniano en reposo se porta igual que uno ideal.   e) Un fluido newtoniano en reposo se porta igual que uno con memoria.   f) No se requiere esfuerzo de corte para que comience a escurrir un fluido plástico.   g) Se requiere esfuerzo de corte mínimo para que comience a escurrir un fluido newtoniano.   h) Para la viscosidad de los líquidos es más importante la cantidad de movimiento que las fuerzas de atracción molecular.   i) Para la viscosidad de los gases es más importante la cantidad de movimiento que las fuerzas de atracción molecular.   j) Al aumentar la temperatura de un gas disminuye su viscosidad dinámica.   k) Al aumentar la temperatura de un líquido aumenta su viscosidad dinámica.   l) La presión de vapor del agua a 90 ºC es mayor que la presión atmosférica.   m) La presión de vapor del agua a 110 ºC es mayor que la presión atmosférica.   n) La tensión superficial de los líquidos depende de las fases en contacto.   ñ) La tensión superficial de un líquido depende sólo del líquido.

2.- Seleccione, entre las palabras escritas en itálica, las correctas para completar las siguientes frases:

a) Son propiedades intensivas: calor, forma, color, temperatura, altura, presión, porosidad.   b) Son propiedades extensivas: calor, forma, color, temperatura, altura, presión, porosidad.   c) Una central hidroeléctrica de 500 megawatts puede encender 103, 104, 105, 106, 107, 108, lámparas de 0,5 kilowatts.   d) El aire tiene más, menos o igual viscosidad dinámica que el agua a la misma temperatura.   e) El agua tiene más, menos o igual viscosidad cinemática que el aire a la misma temperatura.   f) El aire es del orden de 10, 100 o 1.000 veces más liviano que el agua.   g) El aire es aproximadamente 200, 20.000, 200.000 veces más compresible que el agua.   h) El módulo de compresibilidad de un gas ideal en un proceso isotérmico es  0,  P,  ∞.   i) El módulo de compresibilidad de un gas ideal en un proceso isocórico es  0,  P,  ∞.   j) El módulo de compresibilidad de un gas ideal en un proceso isobárico es  0,  P,  ∞.

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