Mecanica de fluidos taller

1.- PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

La mecánica es la ciencia física que trata los cuerpos en reposo así como aquellos en movimiento bajo la influencia de fuerzas.

La subcategoría mecánica de fluidos se define como la ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo (estática de fluidos) o en movimiento (dinámica de los fluidos), y la interacción de estos con sólidos o con otros fluidos en las fronteras.

Se le llama fluido a la sustancia que se encuentra en la fase líquida o en la gaseosa. A diferencia de un sólido, el fluido se deforma de manera continua bajo la influencia del esfuerzo cortante, sin importar lo pequeña que esta sea.

Se considera que las ´propiedades son intensivas o extensivas. Las intensivas son independientes de la masa del sistema, y las extensivas son los valores que dependen del tamaño, o extensión, del sistema.

Medio continúo

El medio continuo es la naturaleza atómica de la sustancia al verla como una materia homogénea y continua, sin agujeros. Esta propiedad es independiente de las demás ya que esta no se define en términos de otra.

Densidad

Se define como la masa de una sustancia por unidad de volumen que esta ocupa, y se representa de la siguiente manera:

ρ=m/v

• Sus unidades en el S.I. son (kg⁄m^3 )

La densidad de una sustancia depende de la temperatura y de la presión. La densidad en la mayoría de los gases es proporción a la presión he inversamente a la temperatura. En cambio los líquidos y los sólidos, ya que son sustancias incompresibles y la variación de su densidad con la presión suele ser despreciable.

Volumen específico

Es el reciproco de la densidad, pues se define como el volumen que ocupa la sustancia por unidad de masa de esta.

v=V/m=1/ρ

• Sus unidades en el S.I. son m^3⁄kg

Gravedad específica

La densidad de una sustancia se da en relación con la densidad de una sustancia conocida, la gravedad específica se define como la razón de la densidad de una sustancia a la densidad de alguna sustancia estándar, a una temperatura especificada, considerándose una cantidad adimensional.

GE=ρ/ρ_(H_2 O)

• Es adimensional

Peso especifico

El peso de una unidad de volumen de una sustancia se llama peso específico.

γ_s=Pg (N⁄m^3 )

Sus unidades en el S.I. son (N⁄m^3 )

La gran desventaja de utilizar el peso específico es que se relaciona con la aceleración gravitacional la cual cambia dependiendo del lugar.

Presión

Es definida como la fuerza normal que se ejerce sobre un fluido por la unidad de área que este ocupa.

P=F/A

Presión de vapor

Se define como la presión ejercida por el vapor en equilibrio de fases de una sustancia pura con su líquido a una tempera dad. Esta es una propiedad de la sustancia pura y es igual a la presión de saturación.

P_v=P_sat

Presión parcial

Está definida como la presión de un gas o vapor en una mezcla con otros gases. La presión parcial de un vapor debe ser menor que la presión de vapor, o igual, si no hubiera líquido presente.

Presión absoluta

Es la presión real en una determinada posición en el espacio en de algún material o sustancia se llama presión absoluta y se mide respecto al vacío absoluto.

Presión atmosférica

La atmosfera terrestre es una mezcla de diferentes gases, esa mezcla de gases se encuentran confinados en una región del espacio próximo a la superficie terrestre.

La presión atmosférica es la presión con la que nos aplasta la atmosfera. Para medir la presión atmosférica se recurre al barómetro el cual está hecho de mercurio (Hg).

Presión manométrica

Es la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica local.

P_man=P_abs-P_atm

Presión de vacío

Es la presión por debajo de la presión atmosférica y se mide mediante mediciones del vacío que indican la diferencia entre la presión atmosférica y la presión absoluta.

P_vac=P_atm-P_abs

Viscosidad

Existe una propiedad que representa la resistencia interna de un fluido al movimiento a la fluidez y esta propiedad es la viscosidad. Es la fuerza que un fluido fluyente ejerce sobre un cuerpo en la dirección del flujo se llama fuerza de arrastre.

Tensión superficial

Podemos mencionar su acción como la situación en la que se encuentra un cuerpo que está bajo la influencia de fuerzas que resultan opuestas, las cuales ejercen una cierta atracción sobre él.

La tensión superficial surge por las fuerzas que actúan cohesionando las moléculas de los líquidos.

Podemos entender a la tensión superficial como una especie de membrana elástica que dificulta ingresar al líquido, por este fenómeno algunos insectos puede posarse sobre el agua sin que se hundan.

σ_s=F/2b

En este caso sigma representa el trabajo de estiramiento que se necesita para que aumente el área superficial del líquido en una cantidad unitaria. La tensión superficial es la magnitud de la fuerza por unidad de longitud.

La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que la rodea y de la temperatura.

Capilaridad

La capilaridad se da por el fenómeno de tención superficial, donde intervienen fuerzas tanto de cohesión (fuerzas que se dan entre moléculas semejantes, agua y agua) y de adhesión (fuerzas entre las moléculas diferentes, como agua y vidrio) el cual es causante de que el líquido asciende o desciende en un tubo de diámetro con intervalos pequeños y que dicho tubo se encuentre dentro de un líquido, a este efecto se le llama capilaridad.

Un dato curioso del efecto de capilaridad; que es el causante del ascenso del agua hasta la punta de los arboles altos.

Una de las características importantes de la capilaridad además del diámetro es el de qué tipo de fluido estemos tratando.

Se presenta un ejemplo sobre la capilaridad;

Figura 1.1.- representación ilustrativa de la capilaridad

2. CLASIFICACIÓN Y DEFINICIÓN DE LOS FLUIDOS

Una sustancia existe en tres estados de agregación: sólido, líquido y gas. (A temperaturas muy elevadas también existe como plasma.) Una sustancia en la fase líquida o en la gaseosa se conoce como fluido. La diferencia entre un sólido y un fluido se hace con base en la capacidad de la sustancia para oponer resistencia a un esfuerzo cortante (o tangencial) aplicado que tiende a cambiar su forma. Un sólido puede oponer resistencia a un esfuerzo cortante aplicado por medio de la deformación, en tanto que un fluido se deforma de manera continua bajo la influencia del esfuerzo cortante, sin importar lo pequeño que sea. En los sólidos, el esfuerzo es proporcional a la deformación, pero en los fluidos el esfuerzo es proporcional a la razón de deformación.

En contraste con un sólido, un fluido es una sustancia cuyas partículas se mueven y cambian sus posiciones relativas con gran facilidad, en forma más específica un fluido se define como una sustancia que se deforma continuamente, o sea, que fluye bajo la acción de un esfuerzo constante, sin importar lo pequeño que este sea.

Los fluidos se pueden clasificar atendiendo a la relación que existe entre el esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de deformación resultante.

Fluidos Newtonianos

Es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo. La curva que muestra la relación entre el esfuerzo o cizalla contra su tasa de deformación es lineal.

Fue denominado por Isaac Newton desde que lo describiera como flujo viscoso. En este tipo de fluido la viscosidad puede considerarse constante en el tiempo y sólo depende de la temperatura

Características

El fluido newtoniano carece de propiedades elásticas, es incompresible, isotrópico e irreal; aunque muchos fluidos reales ofrecen un comportamiento similar al newtoniano dentro de un rango de gradientes.

Cumplen con la ley de Newton de la viscosidad, por lo tanto, la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación es lineal.

Viscosidad y temperatura

Para un fluido newtoniano, la viscosidad sólo depende de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura disminuye su viscosidad. Esto quiere decir que la viscosidad es inversamente proporcional al aumento de la temperatura. La ecuación de Arrhenius predice de manera aproximada su viscosidad.

La viscosidad de un fluido newtoniano no depende del tiempo de aplicación del esfuerzo, aunque sí puede depender tanto de la temperatura como de la presión a la que se encuentre.

Fluidos No Newtonianos

Un fluido no newtoniano es aquél cuya viscosidad (resistencia a fluir) varía con el gradiente de tensión que se le aplica, es decir, se deforma en la dirección de la fuerza aplicada. Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.

Este tipo de fluidos se comportan como fluidos newtonianos cuando la tensión o fuerza aplicada es pequeña. Sin embargo sobre ellos se le aplica una tensión intensa en un corto espacio de tiempo, el material se estresa, aumentando su viscosidad proporcionalmente a dicha solicitud.

Ejemplos: arcilla, algunas

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