1.- Mecanica De Los Fluidos.pptx

MECÁNICA DE LOS FLUIDOS

Presentación de: Ing. Edgar Jiménez Chávez R.N.I. 10254

• MATERIA es todo aquello que ocupa un •

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lugar en el espacio tiene masa y energía. La intensidad de las fuerzas de cohesión entre las partículas que constituyen un sistema material (porción de materia que pueda delimitarse y ser estudiada en forma individual) determina su estado de agregación. Cuando un sistema material cambia de estado de agregación, la masa permanece constante, pero el volumen cambia. Modificando sus condiciones de temperatura o presión, pueden obtenerse distintos estados o fases. Los tres estados (o formas de agregación) de la materia mas comunes son: sólido, líquido y gaseoso. Existe un cuarto estado denominado plasma y un quinto estado, el Condensado de BoseEinstein.

CAMBIOS DE ESTADO DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA

Los procesos en los que una sustancia cambia de estado son:  Solidificación  Fusión  Vaporización (evaporación y ebullición)  Condensación  Sublimación (también llamada “sublimación progresiva”)  Cristalización también llamada “sublimación regresiva o inversa”

LOS SÓLIDOS: las partículas están unidas por fuerzas de atracción muy grandes, por lo que se mantienen fijas en su lugar; solo vibran unas al lado de otras. Propiedades: - Tienen forma y volumen constantes. - Se caracterizan por la rigidez y regularidad de sus estructuras. - Resisten fuerzas que tienden a variar su forma y volumen - No se pueden comprimir, pues no es posible reducir su volumen presionándolos. - Se dilatan: aumentan su volumen cuando se calientan, y - se Contraen: disminuyen su volumen cuando se enfrían. Los átomos ocupan posiciones fijas y ordenadas (cristales), sólo pueden vibrar. Cristal de Cloruro de Sodio

LOS LÍQUIDOS: las partículas están unidas, pero las fuerzas de atracción son más débiles que en los sólidos, de modo que las partículas se mueven y chocan entre sí, vibrando y deslizándose unas sobre otras. Propiedades: - No tienen forma fija pero sí volumen. - Los líquidos adoptan la forma del recipiente que los contiene. - Fluyen o se escurren con mucha facilidad si no están contenidos en un recipiente; por eso, al igual que a los gases, se los denomina fluidos. - Se dilatan y contraen como los sólidos

Las moléculas se mueven aleatoriamente en el líquido

LOS GASES: las fuerzas de atracción son casi inexistentes, por lo que las partículas están muy separadas unas de otras y se mueven rápidamente y en cualquier dirección, trasladándose incluso a largas distancias. Propiedades: - No tienen forma ni volumen fijos. - En ellos es muy característica la gran variación de volumen que experimentan al cambiar las condiciones de temperatura y presión. - El gas adopta el tamaño y la forma del lugar que ocupa. - Ocupa todo el espacio dentro del recipiente que lo contiene. - Se pueden comprimir con facilidad, reduciendo su volumen. - Se difunden y tienden a mezclarse con otras sustancias gaseosas, líquidas e, incluso, sólidas. - Se dilatan y contraen como los sólidos y líquidos.

• PLASMA: Es el cuarto estado de la materia. Se forman bajo temperaturas y presiones extremadamente altas, haciendo que los impactos entre los electrones sean muy violentos, separándose del núcleo y dejando sólo átomos dispersos. • El plasma es una mezcla de núcleos positivos y electrones libres, que tiene la capacidad de conducir electricidad. • Un ejemplo de plasma presente en nuestro universo es el sol. Otros ejemplos: Plasmas terrestres: - Los rayos durante una tormenta. - La ionosfera. - La aurora boreal. Plasmas espaciales y astrofísicos: - Las estrellas (por ejemplo, el Sol). - Los vientos solares. - El medio interplanetario (la materia entre los planetas del Sistema Solar), el medio interestelar (la materia entre las estrellas) y el medio intergaláctico (la materia entre las galaxias). - Los discos de acrecimiento. - Las nebulosas intergalácticas.

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Los plasmas conducen la electricidad Son fuertemente influidos por los campos magnéticos Liberan grandes cantidades de energía Emiten luz

 ESTADO CONDENSADO DE BOSE-EINSTEIN: Representa un quinto estado de la materia. Visto por primera vez en 1955. El estado lleva el nombre de Satyendra Nath Bose y  Albert Einstein, quien predijo su existencia hacia 1920. Los condensados B-E son superfluídos gaseosos enfriados a temperaturas muy cercanas al cero absoluto (-273 ° C o −459,67 °F). A esta temperatura la materia no tiene movimiento, no hay energía. La materia puede estar en dos lugares al mismo tiempo. Los objetos se comportan a la vez como partículas y como ondas (Schrödinger). En este estado, todos los átomos de los condensados alcanzan el mismo estado mecánico-quantum y pueden fluir sin tener ninguna fricción entre sí. La propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las partículas del material pasan al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental. Para hacernos una idea de lo que sería un objeto cotidiano estando en estado de Bose-Einstein, proponemos imaginar que varias personas estuvieran sentadas en la misma silla, no una sentada sobre otra, sino literalmente todas sentadas en la misma silla, ocupando el mismo espacio en el mismo momento.

El estado de Bose-Einstein se podría considerar el estado 0 de la materia, ya que se da en partículas bosónicas (o que se comportan como las mismas) cuando se acercan al cero absoluto, que es la menor temperatura que un cuerpo puede alcanzar.

ESTADOS DE AGREGACIÓN DE LA MATERIA: • Gases • Líquidos • Materia condensada conjunto de partículas completamente desordenadas las moléculas tienen orden a corta distancia • Liquido sobreenfriado (amorfo) • Solido cristalino o materia cristalina

• Considerando el comportamiento de las moléculas de un gas en un recipiente, estas no están estacionarias sino que se mueven a velocidades altas, chocan entre si y golpean las paredes del recipiente que las contiene, lo que ocasiona la presión ejercida por el gas. Si se incrementa el volumen del recipiente mientras se mantiene constante la temperatura , el numero de moléculas que chocan contra una superficie dada disminuye, por consiguiente la presión también disminuye. Si se incrementa la temperatura, aumenta la velocidad de movimiento de las moléculas, por consiguiente la presión aumenta a causa de la actividad molecular incrementada. • Las fuerzas moleculares en los líquidos son relativamente altas, lo que se puede deducir del siguiente ejemplo: La presión necesaria para comprimir 20 gramos de vapor de agua a un volumen de 20 cc, estando la temperatura a 20 °c, es 1340 veces la presión atmosférica. Pero 20 gramos de agua liquida ocupan un volumen de 20cc, entonces podemos deducir que las fuerzas cohesivas en la fase liquida deben ser muy altas para mantenerse en ese estado. Pese a esas fuerzas moleculares de atracción de un liquido, algunas moléculas de la superficie escapan hacia el espacio. Si el líquido esta confinado, se establece un equilibrio entre las moléculas que salen y las que retornan al líquido. La presencia de estas moléculas sobre la superficie del liquido provoca la presión de vapor. En el caso del agua a 20°c, esta presión alcanza el valor de 0,02 veces la presión atmosférica y se incrementa con la temperatura.

MECÁNICA DE FLUIDOS Es el estudio del comportamiento de los fluidos, ya sea que estén en reposo (estática de fluidos) o en movimiento (dinámica de fluidos) y la interacción de estos con sólidos o con otros fluidos en las fronteras.

DEFINICIÓN DE FLUIDO Un fluido es una sustancia cuyas partículas se mueven y cambian sus posiciones relativas con gran facilidad. Es decir que se deforma continuamente cuando se le sujeta a un esfuerzo cortante, sin importar la magnitud de éste. Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre si por fuerzas cohesivas débiles y las paredes de un recipiente; el término engloba a los líquidos y los gases. En el cambio de forma de un fluido la posición que toman sus moléculas varía, ante una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen.

 La mecánica de fluidos es la rama de la mecánica de medios continuos que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que los provocan.  La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida).  También estudia las interacciones entre el fluido y el contorno que lo limita.  La hipótesis fundamental en la que se basa toda la mecánica de fluidos es la Hipótesis básicas • Como en todas las ramas de la ciencia, en la hipótesis del medio continuo mecánica de fluidos se parte de hipótesis en función de las cuales se desarrollan todos los conceptos. • En particular, en la mecánica de fluidos se asume que los fluidos verifican las siguientes leyes: •conservación de la masa y de la cantidad de movimiento.

EL MEDIO CONTINUO La materia se puede describir a nivel: a) Molecular o microscópico usando la mecánica estadística y la teoría cinética. b) Macroscópico, considerándola un medio continuo: porción de materia formada por un conjunto infinito de partículas (que forman parte, por ejemplo, de un sólido, de un fluido o de un gas) considerado macroscópicamente, es decir, sin analizar las posibles discontinuidades existentes en el nivel microscópico  (nivel atómico o molecular). Para la ingeniería de la mecánica de fluidos basta conocer la información como un promedio, es decir medio continuo. Existen dos razones para tal situación. Primero, una descripción microscópica de un dispositivo en ingeniería puede acarrear demasiada información para ser procesada, por ejemplo 1mm3 de aire, a temperatura y presión estándar, contiene 1016  moléculas y cada una de ellas presenta una posición y una velocidad asociada. En segundo lugar, y más importante, las posiciones y las velocidades microscópicas resultan generalmente inútiles para determinar cómo los sistemas macroscópicos actuarán o reaccionarán. Por lo que resulta necesario que se integre su efecto total. La mayor parte de los problemas en ingeniería están relacionados con dimensiones físicas y en la mayoría de los casos se presume un medio continuo donde las variaciones de las propiedades físicas que constituyen el medio son tan suaves, que se puede utilizar el cálculo diferencial para el análisis.

۞ El término “medio continuo” se usa tanto para designar un modelo matemático, como cualquier porción de material cuyo comportamiento se puede describir adecuadamente por ese modelo. ۞ Existen tres grandes grupos de medios continuos:  Mecánica del sólido rígido  Mecánica de sólidos deformables  Mecánica de fluidos, que distingue a su vez entre: Fluidos compresibles Fluidos incompresibles

MECÁNICA DE LOS MEDIOS CONTÍNUOS

La posición o estado físico de las partículas que integran un cuerpo puede ser resumido en una ecuación de estado que sólo incluye magnitudes extensivas e intensivas Tiene la misma composición y las mismas propiedades en cualquier porción de muestra Material que posee las mismas propiedades físicas en todas las direcciones

Los materiales tienen dos tipos de propiedades: Dependen de la cantidad de material o sustancia presente. Significa que: a mayor sustancia presente habrá mayor volumen, masa, peso o calor

No Dependen de la cantidad de material o sustancia presente. La idealización como medio continuo de la sustancia, nos permite suponer que en cada punto, hay un valor específico que es el mismo en cualquier punto de la sustancia

La propiedad principal utilizada para determinar que un fluido es un medio continuo, es la densidad “ρ” que debe ser conocida en toda la región de interés y es definida como:

m   lim V  0  V Donde Δm es la masa diferencial contenida en el volumen diferencial ΔV. La densidad del aire en condiciones atmosféricas estándar, esto es: presión de 101,3 kPa (14.7 psi) y temperatura de 15 ºC (59ºF), es de 1,23 kg/m3 (0,00238 slug/ft3) Para el agua el valor nominal de la densidad es: 1000 kg/m 3 (1,94 slug/ft3)

DIMENSIONES Y UNIDADES El movimiento de los fluidos puede ser definido en términos de: longitud (L), tiempo (T) y fuerza (F), o longitud (L), tiempo (T) y masa (M).

Sistema Internacional (SI): Longitud → metro (m) Tiempo → segundo (seg) Masa → kg* (kilogramo-masa) Fuerza → kg*m/seg2, denominado Newton (N) Temperatura → ºK (en la práctica se usa ºC)

Sistema Técnico (ST): Fuerza → kilogramo (kg, kilogramo-fuerza, kgf) Longitud → metro (m) Tiempo → segundo (seg) Masa → kg-seg2/m Temperatura → ºC

La equivalencia entre ambos sistemas viene establecida por la ecuación de Newton. 1 N es la fuerza requerida para acelerar 1 kg* de masa a 1m/seg 2. Puesto que la relación entre peso (Pe) y masa (M) viene dada por la Ec. de Newton: Pe = M g Newton (1N) es equivalente a un kg-fuerza dividido por la aceleración de gravedad (g), o sea, 1 N es aproximadamente igual a 0,109 kg de fuerza o 1 kg de fuerza es 9,807 N

DIMENSIONES Y UNIDADES

EJEMPLO: En el sistema SI, el peso siempre se expresa en NEWTONS, no en kilogramos. En el sistema Ingles, la masa siempre se expresa en SLUGS, no en libras. Relación de Peso y masa:

W= mg Donde g es la gravedad local. El valor estándar de la gravedad es 9,80665 m/s2 (32,174 pies/seg2 ) y varia desde un mínimo de 9,77 m/s2 en la cima del monte Everest, hasta un máximo de 9,83 m/s2 (32,2 ft/seg2 ) en la fosa marina mas profunda. Normalmente se usa un valor nominal de: 9,81 m/s2

CANTIDADES FÍSICAS DENSIDAD (rρ):

Mide cuán unidas están las moléculas en un material, es decir el grado de compactación que existe internamente

Mide la masa contenida en un volumen unitario

Densidad Para medios continuos utilizamos el concepto de: cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia; lo que quiere decir que entre más masa tenga un cuerpo en un mismo volumen, mayor será su densidad.

Se utiliza la letra griega ρ [Rho] para designarla.

o Un material homogéneo tiene la misma densidad a través de todo el material. o Dos objetos hechos del mismo material tienen la misma densidad incluso cuando estos tengan diferentes masas y volúmenes. o Esto es debido a que la razón de masa y volumen de ambos objetos es la misma. o En general, la densidad depende de la temperatura y de la presión.

Unidades S.I. B.G.

Cuando la temperatura baja hasta los 0ºC y el agua pasa al estado sólido la densidad disminuye hasta  0.917 kg/l Es por ello que los trozos de hielo flotan en el agua, debido a que su densidad es menor que del agua líquida y en el estado gaseoso la densidad del agua sigue siendo menor.

Cambio de la densidad en función de la temperatura Agua

Aire

STP es 1 (una) atmósfera de presión a 0 ° C. Dado que esta sería una temperatura de congelación a nivel del mar, la mayor parte del aire seco tiempo es menos denso que el valor citado. Sin embargo, el aire por lo general contiene una gran cantidad de vapor de agua , lo que haría más denso que el valor citado. STP VERSUS NTP Mientras STP es la temperatura y presión estándar, no muchos procesos de medición se producen cuando hace mucho frío. Para temperaturas ordinarias, otro valor común es NTP, que significa temperatura y presión normal. NTP se define como el aire a 20 oC (293.15 K, 68 o F) y 1 atm (101,325 kN / m 2 , 101,325 kPa) de presión. La densidad media de aire a NTP es 1.204 kg / m 3 (0,075 libras por pie cúbico).

Un bloque cúbico de piedra de 1 m de arista puede pesar varias toneladas, supongamos tres toneladas (P = 3000 kg/m3). La presión que ejerce sobre el suelo es de 3000 x 9,81 Pa (unos 30.000 Pa). Podríamos pensar que es una presión considerable, sobre todo si tuviéramos un pie debajo del bloque, pero que no es ni la tercera parte de la que ejercen los 80 km de atmósfera situados encima de una persona a nivel del mar (1 atm = 101.300 Pa). ¿Por qué no nos aplasta?. Desde la primera célula en el útero materno, que constituye el germen de nuestro cuerpo, el agua y los gases disueltos en la célula mantienen una presión interna que se opone a la presión atmosférica. Desde el inicio del desarrollo celular hasta la formación del ser vivo, este equilibrio se mantiene y, dado que la presión del fluido se manifiesta en todas direcciones, no notamos sus efectos.  Si saliéramos al espacio exterior fuera de la atmósfera sin traje espacial explotaríamos; y si nos trasladamos a un lugar con mayor presión está nos aplastaría.

DIAGRAMA DE FASES

Volumen específico Es el volumen ocupado por unidad de masa de una sustancia, lo que quiere decir, que es el inverso de la densidad

Unidades: S.I G.B

Peso específico Se define como la unidad de peso por la unidad de volumen de la sustancia. Se denota por la letra Gama (γ)

UNIDADES:

g γ = Peso / Volumen g γ=mg/V

S.I.

B.G.

γ =ρ g γ =densidad

x gravedad

DENSIDAD ESPECÍFICA (GRAVEDAD ESPECÍFICA - SG) La gravedad específica es la propiedad que compara la densidad de una sustancia con la densidad de otra sustancia tomada como referencia o como patrón. Se realiza mediante una división, por lo que al expresar las dos densidades con las mismas unidades, el resultado es un número adimensional (sin unidades). Por sus siglas en inglés se denomina como SG. Con fluidos normalmente se utiliza como patrón el agua a 4°C y una atmósfera de presión. Teniendo en cuenta entonces lo anterior, se dice que: - La densidad específica o densidad relativa es la relación que hay entre la densidad de una sustancia y la densidad del agua a 4°C y una atmósfera de presión. - La gravedad específica es la relación que hay entre el peso específico de una sustancia y el peso específico del agua a 4°C y una atmósfera de presión.

Se tiene que la densidad del agua, a 4°C y una atmósfera de presión, es constante y sus valores en las unidades más utilizadas son:

Substancia Aceite Aceite de oliva Aceros Acetona Agua (20°C) Agua (4°C) Agua de mar Aire (25 °C, 1 atm) Alabastro Alcohol etílico Aluminio Arena fina seca Basalto Benceno Caliza Carbono Caucho Cemento Cerámicos Cinc Cloroformo Cobalto Cobre

Densidad  (kg/m3) 920 920 6920-9130 790 998 1000 1027 1,184 2300-2800 780 2700 1400-1650 2700-3200 900 2460-2840 2260 950 820-1950 2300-5500 7140 1475 8900 8940

TABLA DE DENSIDADES Cuarzo Cuerpo humano Diamante Estaño Etanol de 96° Gasolina Glicerina Grafito Helio Hielo de agua Hierro Hormigón Iridio Latón Leche Litio Madera (balsa) Madera (cedro) Madera (Nogal) Madera (pino) Madera (Roble) Madera (varias) Magnesio Mármol ordinario

2500-2800 950 3515 7310 810 680-700 1261 2510-3050 0,18 920 7870 2400 22500 8600 1030 534 120 570 600-810 310-760 710-1070 400-700 1740 2520-2850

Mercurio 13580 Metanol 790 Níquel 8900 Oro 19300 Osmio 22610 Plasma sanguíneo 1027 (37°C) Plásticos 900-2000 Plata 10490 Platino 21450 Plomo 11340 Poliuretano rígido 35 Sangre 1500 Titanio 4510 Tricloroetileno 1471 Tungsteno 19290 Uranio 19100 Vanadio 6110 Vídrios 2400-2700 Wolframio 19250

BATERIAS DE PLOMO - ACIDO

Fin …po r ho y