Trabajo De Investigacion.docx

Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Azcapotzalco

Mecánica de Fluidos 2

Trabajo de Investigación Propiedades de los Fluidos

Profesor: Juan Jaime Ortiz Zúñiga

Alumno: Velázquez Martínez Francisco Miguel

6MV4

Fecha: 25-02-2019

Antecedentes de la Mecánica de Fluidos

Historia de la mecánica de fluidos. La moderna mecánica de fluidos nace con Ludwing Prandtl, quien en 1904 elaboró la síntesis entre la hidráulica práctica y la hidrodinámica teórica al introducir la teoría de capa límite. Varios matemáticos geniales del siglo XVIII; Bernouillí, Clairaut, D'Alembert, Lagrange y Euler habían elaborado, con la ayuda del cálculo diferencial e integral, una síntesis hidrodinámica perfecta; pero no habían obtenido resultados prácticos ni explicado ciertos fenómenos observados en la realidad. Por otro lado, los técnicos hidráulicos habían desarrollado multitud de fórmulas empíricas y experimentos para la solución de los problemas que las construcciones hidráulicas presentaban, sin preocuparse de buscarles base teórica alguna. El aporte de Prandtl fue justamente lograr que ambas tendencias se unifiquen para marcar el inicio de una nueva ciencia con base teórica y respaldo experimental. El cuadro presentado es una síntesis apretada de los científicos v técnicos que contribuyeron al desarrollo de la mecánica de fluidos. Conceptos. Mecánica de Fluidos e Ingeniería Mecánica de Fluidos (IMF) son términos que a veces se usan indistintamente, habiendo ciertamente diferencias entre ellos. Ciencia se define como una doctrina metódicamente formada y ordenada con un conocimiento cierto de las cosas por sus principios y causas; mientras que ingeniería es el conjunto de conocimientos y técnicas que aplican el saber científico a la solución de problemas específicos de la realidad. La mecánica de fluidos es parte de la física y como tal, es una ciencia especializada en el estudio del comportamiento de los fluidos en reposo y en movimiento. Pero, ¿Qué es un fluido?, un fluido se define como una sustancia que cambia su forma con relativa facilidad, los fluidos incluyen tanto a los líquidos, que cambian de forma pero no de volumen, como a los gases, los cuales cambian fácilmente de forma y de volumen. Existe otra definición más elaborada que define a un fluido como una sustancia capaz de fluir; entiéndase la fluidez como la propiedad de deformarse continuamente bajo la acción de una fuerza tangente al piano de aplicación por pequeña que sea. La mecánica de fluidos forma parte de la currícula de la mayoría de ingenierías porque nos proporciona los fundamentos y herramientas necesarios para diseñar y evaluar equipos y procesos en campos tecnológicos tan diversos como el

transporte de fluidos, generación de energía, control ambiental, vehículos de transporte, estructuras hidráulicas, etc. Tales fundamentos se refieren a la naturaleza de los fluidos y de las propiedades que los describen; las leyes físicas que gobiernan su comportamiento; la expresión matemática de estas leyes y las diversas metodologías que pueden emplearse en la solución de los problemas. La mecánica de fluidos clásica se divide principalmente en estática de fluidos y dinámica de fluidos. La estática de fluidos se ocupa del estudio de las leyes y condiciones que rigen el equilibrio de los fluidos en reposo teniendo en cuenta la acción de las fuerzas a que se hallan sometidos. En tanto que, la dinámica de fluidos estudia las leyes del movimiento de los fluidos, las fuerzas que intervengan en tal movimiento y su interacción con los cuerpos sólidos. Dada la complejidad de la materia en estudio, la dinámica de fluidos se subdivide por las características físicas del fluido o el tipo de método empleado para resolver el problema. El flujo viscoso es el estudio del flujo real, ya que al tener en consideración la viscosidad del fluido se producen las fuerzas viscosas. El flujo turbulento se caracteriza porque las partículas de fluido tienen un movimiento tridimensional al azar que se suma al movimiento principal, produciéndose de esta forma las fluctuaciones de velocidad. En un flujo incompresible, las variaciones de densidad no se toman en cuenta para el cálculo del campo de flujo. Los flujos de líquidos y de algunos gases a baja velocidad caen dentro de esta categoría. La dinámica de fluidos computacional utiliza los métodos numéricos para solucionar las ecuaciones diferenciales que gobiernan el flujo de fluidos, ya que en forma analítica son imposibles de solucionar debido a su complejidad. En nuestro planeta existen dos fluidos importantísimos para la vida; el agua y el aire. Por esto, la mecánica de fluidos o fluido mecánica se puede dividir en la hidromecánica, si el fluido en estudio es el agua, o en la Aero mecánica si se trabaja con el aire. La hidrostática es el estudio del agua y de otros fluidos incompresibles en condiciones estáticas, mientras que la hidrodinámica se ocupa del agua y de otros fluidos incompresibles en movimiento. La aerostática estudia las condiciones de

equilibrio de los cuerpos inmersos en el aire en condiciones estáticas y la aerodinámica trata de las fuerzas producidas por los flujos de aire sobre los cuerpos o estructuras inmersos en éste y el diseño de vehículos terrestres y aéreos. La gas dinámica también conocida como dinámica de gases, es el estudio general de los flujos compresible subsónico e hipersónico con o sin procesos de transferencia de calor. NOMBRE APORTE Arquímides (287Leyes de la flotación. 221 a.C)) Ecuación de continuidad. Leonardo da Vinci Bocetos de máquinas (1542-1519 hidráulicas y voladoras. Galileo Galilei Fundamentos de hidrostática Torricelli (1608Salida por un orificio. Medición 1647) de presión atmosférica. Pascal (1623Ley de Pascal. 1662) Newton (1642Ley de viscosidad dinámica. 1726) Bernoulli (1700Teorema de Bernoulli. 1782) Ecuaciones diferenciales de Euler (1707-1783) movimiento del flujo ideal. D'Alembert (1717- Ecuación diferencial de 1783 continuidad. Chézy (1718Circulación de agua en canales 1798) y tuberías. Movimiento a presión en Darcy tuberías Lagrange (1736- Función potencial y función de 1813) corriente Venturi (1746Salida de líquidos por agujeros 1822) y boquillas. Poiseuille (1799- Ecuación de resistencia en 1869) capilares. Weisbach (1806- Fórmula de resistencia para

1871) Navier (17851836) y Stokes (1819-1903)

tuberías. Ecuaciones diferenciales de movimiento de fuidos viscosos.

Reynolds (18421912)

Regímenes de flujo laminar y turbulento. Número de Reynolds.

Prandtl (18681945)

Teoría de la capa límite.

Blasius Von Karman

Solución para capa límite laminar. Solución para capa límite turbulenta.

Ingeniería de Fluidos.

La ingeniería de fluidos envuelve un amplio rango de aplicaciones que tienen en común la manipulación artificial de los fluidos en beneficio del hombre o del medio ambiente. Tales aplicaciones van desde la distribución del agua para riego o consumo humano, la disposición de desechos líquidos, la producción de energía eléctrica, los procesos de transporte de fluidos, el transporte mediante vehículos terrestres, acuática o aérea y los procesos naturales atmosféricos u oceánicos. De esta manera, la ingeniería de fluidos puede dividirse en las siguientes Áreas: INGENIERÍA DEFINICIÓN Planeamiento y diseño de soluciones de ingeniería a problemas relativos al agua, que Hidráulica emergen en el ambiente natural y en el aprovechamiento artificial de este fluido. Diseño y construcción de controles hidráulicos, transmisión Oleohidráulica hidráulica y máquinas hidráulicas cuyo fluido de trabajo es el aceite. Neumática Diseño y construcción de controles neumáticos, transmisión neumática, compresoras y máquinas neumáticas que

Aeronáutica

Máquinas térmicas

trabajan con aire comprimido. Aplicación de la aerodinámica y tecnologías relativas al diseño, construcción y manejo de vehículos aéreos: planeadores, aeronaves, helicópteros, cohetes y misiles. Aprovechamiento de fluidos con transferencia de calor y compresibilidad. Diseño de procesos y máquinas térmicas.

Debido a que el agua se encuentra presente en casi todas las actividades desarrolladas por el hombre, es fácil comprender que la hidráulica tenga muchas Áreas de aplicación. Estas Áreas se pueden identificar atendiendo al conducto o cuerpo a través del cual discurre el fluido. ESPECIALIDAD APLICACIONES Cálculo del transporte de fluidos Hidráulica de en conductos a presión. Redes Tuberías de distribución de agua, oleoductos. Estudio del escurrimiento de Hidráulica de agua en conductos abiertos a la Canales atmósfera. Diseño de canales. Diseño, construcción, cimentación operación y Estructuras mantenimiento de estructuras hidráulicas de toma, represamiento, conducción y medición Diseño de turbinas hidráulicas, Máquinas bombas, ventiladores. hidráulicas Cavitación, flujo bifásico y flujo no permanente.

También se puede subdividir la hidráulica teniendo en cuenta las características geofísicas del medio en que se desarrolla la aplicación.

ESPECIALIDAD APLICACIONES Suministro de agua potable, Hidráulica alcantarillado, tratamiento de urbana aguas residuales. Control de la contaminación. Dinámica de ríos, transporte de sedimentos, morfología de ríos, Hidráulica fluvial estabilidad de canales, protección de riberas. Explotación, monitoreo y recarga Hidráulica de acuíferos. Control de subterránea contaminación. Protección de línea costera, Hidráulica puertos, rompeolas, estructuras marítima en mar adentro. Estuarios. Estudia el efecto de los trabajos ingenieriles en los ecosistemas Eco hidráulica naturales, en términos de calidad de agua, contaminación y protección. Además, podemos subdividir la hidráulica según el Área económica de aplicación o la metodología de solución: ESPECIALIDAD APLICACIONES Transporte y procesamiento de fluidos. Diseño y funcionamiento de sistemas hidráulicos, Hidráulica servomecanismos, industrial automatismo, instrumentación, medición y control. Flujo bifásico. Irrigaciones, pequeñas Hidráulica estructuras de riego, canales, agrícola riego tecnificado. Simulación de procesos hidrodinámicos mediante la Hidráulica utilización de equipos de experimental laboratorio y modelos físicos a escala.

Hidráulica computacional

Simulación de procesos hidrodinámicos mediante la utilización de modelos numéricos y computadoras.

En el campo de las máquinas térmicas, que agrupa los procesos y maquinas en que se presentan variaciones de temperatura y de densidad del fluido, se pueden tener las siguientes Áreas de aplicación: ESPECIALIDAD APLICACIONES Sistemas de calefacción y aire Climatización acondicionado. Sistemas de enfriamiento de Enfriamiento y agua, Refrigeración industrial y Refrigeración doméstica. Máquinas de Calderos de vapor de agua, vapor Turbinas a vapor, autoclaves. Centrales Turbinas Diesel, turbinas a gas termoeléctricas natural. Motores de combustión interna: a gasolina, petróleo y gas. Motores Motores a reacción: turborreactores y turbo propulsores.

Clasificación de la Mecánica de Fluidos Otras especialidades emergentes. En la actualidad siguen surgiendo otras especialidades que amplían aún más el espectro de aplicaciones. Entre ellas tenemos a la Ingeniería aeroespacial, Hidro informática, Geo hidráulica, Ingeniería hidrológica, Ingeniería de recursos hídricos, Ingeniería eólica, Ingeniería de costas e Ingeniería oceánica. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la

aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía. Entre las diversas funciones de la mecánica de fluidos esta la aeronáutica, la ingeniería química, la meteorología y la oceanografía La mecánica de fluidos puede dividirse en dos aspectos importantes que son: - La Estática de Fluidos: Que se ocupa de los fluidos en reposo, es decir sin que existan fuerzas que alteren su posición. - La Dinámica de Fluidos: Que se ocupa de los fluidos en movimiento, es decir que están bajo fuerzas que alteran su posición. También está la Hidrodinámica, esté término se aplica al flujo de líquidos o al flujo de gases a baja velocidad, en el que puede considerar sé que el gas es esencial mente incomprensible, La aerodinámica, o dinámica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son lo suficiente mente grandes para que sea necesario incluir los efectos de la compresibilidad. Entre las aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas.

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Existen dos tipos de propiedades en los fluidos que pueden ser primarias y secundarias: PROPIEDADES PRIMARIAS Propiedades primarias o termodinámicas: *Presión *Densidad *Temperatura *Energía interna *Entalpia *Entropía *Calores específicos *Viscosidad PROPIEDADES SECUNDARIAS Caracterizan el comportamiento específico de los fluidos. *Viscosidad *Conductividad térmica

*Tensión Superficial * Compresión Para conocer la mecánica de fluidos debemos primero saber que es un fluido. Un fluido es una es una sustancia que se deforma constantemente en el tiempo, esto quiere decir que es muy sensible a fuerzas externas y no tiene una forma definida: entre los fluidos se encuentran los líquidos y los gases. ESTÁTICA DE FLUIDOS Según el investigador Jhon Miller '' La estática de los fluidos estudia las condiciones bajo las cuales un fluido está en reposo, es decir que por tanto no halla escurrimiento, entonces el fluido estará estático o se moverá como un cuerpo rígido, por tanto no habrá corte; entonces como no hay fuerzas externas no importara si el fluido no tiene forma definida HIDROSTÁTICA La hidrostática estudia los fluidos en reposo. Entre los fluidos se incluyen a los líquidos y a los gases. Los fluidos que se presentan en la naturaleza presentan una viscosidad que dependiendo de las sustancias es alta o es baja, como por ejemplo la del agua y el aire es baja mientras que la miel y la glicerina poseen una viscosidad elevada. Pero en la hidrostática no se tiene en cuenta la viscosidad porque esta se ocupa de los fluidos en reposo. Y la viscosidad únicamente se manifiesta cuando se mueven las sustancias. Para estudiar la hidrostática se debe tener en cuenta la presión y densidad. PRESIÓN La presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actúa es decir: P = F/A Por la definición de presión vemos que su unidad debe estar dada por la relación entre una unidad de fuerza y una unidad de área. En el SI la unidad de fuerza es 1 N y la del área, 1m². Entonces en este sistema la unidad de presión será 1 N/m². DENSIDAD O MASA ESPECÍFICA.

La densidad de un cuerpo se denomina por la letra ρ (ro) y se define de la siguiente manera: la densidad o (masa específica) de un cuerpo es la relación entre su masa y su volumen, o sea: ρ = m/V Por la definición de densidad, ρ = m/V, observamos que la unidad de la densidad debe ser la relación entre una unidad de masa y una unidad de volumen. Por tanto, en el SI la unidad de ρ será 1kg/m³. En la práctica es muy común el uso de otra unidad: 1g/cm³. Entonces demostramos que 1g/cm³ = 10³ kg/m³ Ya sabido esto encontramos el principio de Arquímedes quien afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza que tiende a impedir que el líquido se hunda, esto explica por qué flota un barco muy cargado; el peso del agua desplazada por el barco equivale a la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote. A esto se le llama empuje hidrostático ascendente. DINÁMICA DE FLUIDOS Para el autor Gareth Williams se centra principal mente a determinar la fricción que ofrece el mismo dependiendo del grado de viscosidad del mismo. Los fluidos ideales cuya viscosidad es nula o despreciable, en su comportamiento no se observa esfuerzos de corte y por lo tanto no existen fuerzas de fricción con las paredes de los sólidos. HIDRODINÁMICA

Etimológicamente, la hidrodinámica es la dinámica del agua, puesto que el prefijo griego "hidro-" significa "agua". Aun así, también incluye el estudio de la dinámica

de otros fluidos. Para ello se consideran entre otras cosas la velocidad, presión, flujo y gasto del fluido. El gasto o caudal es una de las magnitudes principales en el estudio de la hidrodinámica. Se define como el volumen de líquido ΔV que fluye por unidad de tiempo Δt. Sus unidades en el Sistema Internacional son los m3/s y su expresión matemática: G=ΔV/Δt Esta fórmula nos permite saber la cantidad de líquido que pasa por un conducto en cierto intervalo de tiempo o determinar el tiempo que tardará en pasar cierta cantidad de líquido. Dentro de la Hidrodinámica también se encuentran los llamados flujos incomprensibles y sin rozamiento que cumplen el teorema de Bernoulli el cual afirma que la energía mecánica total de un flujo incompresible y no viscoso (sin rozamiento) es constante a lo largo de una línea de corriente. Las líneas de corriente son líneas de flujo imaginarias que siempre son paralelas a la dirección del flujo en cada punto, y en el caso de flujo uniforme coinciden con la trayectoria de las partículas individuales de fluido. Hay que tener en cuenta que la velocidad aumenta cuando la presión disminuye. APLICACIONES Y RAMAS DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS La mecánica de fluidos se ha dividido en diferentes ramas que cubren diferentes aspectos de la ingeniería, la física, las matemáticas, etc. Están destinadas a solucionar problemas de la vida cotidiana así como para desarrollar nueva tecnología y descubrir nuevos campos de la ciencia es aquí donde nuestro grupo relaciona la física con la tecnología y la importancia de los artefactos que se han creado gracias a esta rama de la física. AERODINÁMICA

Rama de la mecánica de fluidos que se ocupa del movimiento del aire y otros fluidos gaseosos, y de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos que se mueven en dichos fluidos. Algunos ejemplos del ámbito de la aerodinámica son el movimiento de un avión a través del aire, las fuerzas que el viento ejerce sobre una estructura o el funcionamiento de un molino de viento. SUPERSÓNICA

La supersónica, una rama importante de la aerodinámica, se ocupa de los fenómenos que tienen lugar cuando la velocidad de un sólido supera la velocidad del sonido generalmente en el aire que es el medio por el que se desplaza; muchas veces escuchamos de los aviones supersónicos que superan la velocidad del sonido, es decir mayor de 1.225 km/h ONDAS DE CHOQUE En la mecánica de fluidos, una onda de choque es una onda de presión abrupta producida por un objeto que viaja más rápido que la velocidad del sonido. Una de sus características es que el aumento de presión en el medio se percibe como explosiones. Entre los ejemplos relacionados con la tecnología están: * Las bombas atómicas y sus ondas explosivas. * Los aviones supersónicos que superan la velocidad del sonido. * En la medicina se usan para destrozar los cálculos renales, técnica denominada litotricia. Actualmente su uso en medicina estética es conocido para el tratamiento de la celulitis y el efecto llamado "piel de naranja", mejorando a su vez notablemente la elasticidad de la piel y mejora del tono muscular. TURBINAS

Las turbinas son unas máquinas por las cuales pasa un fluido de forma continua y dicho fluido le entrega su energía a través de un rodete con paletas. Existen muchos tipos de turbinas pero entre las principales se encuentran: Las turbinas hidráulicas, turbinas térmicas, turbinas eólicas y turbinas submarinas.

COMPRESORES

Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores.

Densidad Absoluta Definición. La densidad o densidad absoluta es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de una sustancia. Ecuación.

Siendo

, la densidad ;

, la masa; y

, el volumen de la sustancia.

Unidades en diferentes sistemas. - Unidades de densidad en el SI son: Kilogramo sobre metro cúbico (kg/m³) Gramo sobre centímetro cúbico (g/cm³) - Unidades fuera del SI: Kilogramo sobre litro (kg/L). El agua generalmente tiene una densidad alrededor de 1 kg/L, haciendo de esta una unidad conveniente. Gramo sobre mililitro (g/mL), que esquívale a (g/cm³). También hay equivalencias numéricas de kg/L (1 kg/L = 1 g/cm³ = 1 g/mL). - Otras unidades usadas en Estados Unidos, también llamado Sistema Anglosajón de Unidades son: onza sobre pulgada cúbica (oz/in3) libra sobre pulgada cúbica (lb/in3) libra sobre pie cúbico (lb/ft3) libra sobre yarda cúbica (lb/yd3) libra sobre galón (lb/gal) libra sobre bushel americano (lb/bu) slug sobre pie cúbico. Aplicaciones. La densidad tanto en líquidos como en solidos se le aplica para saber cuánto pesa cada unidad de volumen de una sustancia, para calcular la relación masa-volumen de los cuerpo. Se ha tomado el agua como referente de 1 y de aquí por salen todas las demás densidades para las diferentes sustancias, la densidad es una medida utilizada por la física y la química para determinar la cantidad de masa contenida en un determinado volumen.

Densidad Relativa

Definición. La densidad relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad y la de otra sustancia de referencia; en consecuencia, es una magnitud adimensional (sin unidades). Ecuación.

Donde es la densidad relativa, densidad de referencia o absoluta.

es la densidad de la sustancia, y

es la

Unidades en diferentes sistemas. Es una magnitud adimensional (sin unidades). Aplicaciones. La densidad tanto en líquidos como en solidos se le aplica para saber cuánto pesa cada unidad de volumen de una sustancia, para calcular la relación masa-volumen de los cuerpo. Se ha tomado el agua como referente de 1 y de aquí por salen todas las demás densidades para las diferentes sustancias, la densidad es una medida utilizada por la física y la química para determinar la cantidad de masa contenida en un determinado volumen.

Gravedad Específica

Definición. Es la propiedad que nos compara la densidad de una sustancia con la densidad de otra sustancia tomada como referencia o como patrón. Ecuación.

Donde SG se refiere a la sustancia, es decir ρS es la densidad de la sustancia a la que se le determina la gravedad específica y/o γS es el peso específico de la sustancia a la que se le determina la gravedad específica. Unidades en diferentes sistemas. 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). Aplicaciones. La gravedad específica se puede utilizar para determinar la flotabilidad de determinado material. Si la densidad relativa es más baja que 1, significa que el material va a fluctuar en el agua, si es mayor que 1, quiere decir que se hundirá, y si es igual a 1, significa que las densidades son iguales o que los volúmenes iguales de las dos sustancias presentan la misma masa. Por ejemplo, en el caso del hielo, el valor de la GE es igual a 0,92 lo que significa que serán necesarios 92% del volumen del hielo para igualar la masa de agua, es decir, 92% del volumen del hielo queda debajo de la superficie del agua y apenas un 8% restante queda por encima de la superficie.

Peso Específico

Definición. Se llama peso específico a la relación entre el peso de una sustancia y su volumen. Ecuación. Su expresión de cálculo es:

Siendo: , el peso específico; , el peso de la sustancia; , el volumen de la sustancia; , la densidad de la sustancia; , la masa de la sustancia; , la aceleración de la gravedad. Unidades en diferentes sistemas. -

En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se expresa en newtons por metro cúbico: N/m3.

-

En el Sistema Técnico se mide en kilogramos–fuerza por metro cúbico: kgf/m3.

-

En el SIMELA se expresa en newtons por metro cúbico: N/m3.

Como el kilogramo–fuerza representa el peso de un kilogramo —en la Tierra—, el valor numérico de esta magnitud, expresada en kgf/m 3, es el mismo que el de la densidad, expresada en kg/m3. Aplicaciones. -

Industria de vinos: la calidad de un mosto viene determinada por dos factores: peso específico (al aumentar, aumenta su contenido en azucares y por tanto el grado del vino; y la densidad, la cual depende de la especie de uva, situación del viñedo, composición del suelo, factores climáticos durante el crecimiento y maduración de la uva.

-

-

Joyería y gemas: como la mayor parte de las gemas son cristales individuales de un solo mineral, el peso específico es relativamente constante para cada gema y puede constituir una valiosa ayuda en su determinación. Industria de cementos: el peso específico del cemento es un factor de cierta relevancia en el estudio de las propiedades del mismo, aunque cabe destacar que no es un índice de su calidad, sino por el contrario es usado para el cálculo de peso y volúmenes en una mezcla de concreto y para deducir otras características del cemento, principalmente.

Volumen Específico

Definición. El volumen específico es el volumen ocupado por unidad de masa de un material. Es el inverso de la densidad, por lo cual no dependen de la cantidad de materia. Ecuación

Siendo

, la densidad ;

, la masa; y

, el volumen de la sustancia.

Unidades en diferentes sistemas. - Unidades de densidad en el SI son: 1/kilogramo sobre metro cúbico 1/(kg/m³) 1/gramo sobre centímetro cúbico 1/(g/cm³) - Unidades fuera del SI: 1/kilogramo sobre litro 1/(kg/L). 1/gramo sobre mililitro 1/(g/mL), que esquívale a 1/(g/cm³). Aplicaciones. Uno de los principales méritos de esta propiedad es la ayuda que nos proporciona para la determinación de otras propiedades en diferentes procesos y ciclos, determinar volumen molar y determinar volumen; los procesos de cambio de fase en sustancias puros es un claro ejemplo de esto, donde por medio de diagramas donde el volumen especifico es una propiedad conocida se puede determinar el comportamiento de una sustancia pura.

Viscosidad Dinámica

Definición. El principio de viscosidad de Newton establece que: para un flujo laminar de ciertos fluidos llamados newtonianos, la tensión cortante en una interface tangente a la dirección de flujo es proporcional al gradiente de la velocidad en dirección normal a la interface. Un fluido newtoniano es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante. Los fluidos newtonianos son uno de los fluidos más sencillos de describir. El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es el agua en contraposición al pegamento, los geles y sangre que son ejemplos de fluido no newtoniano. Ecuación. Matemáticamente, el rozamiento en un flujo unidimensional de un fluido newtoniano se puede representar por la relación: Donde: τ xy: es la tensión tangencial ejercida en un punto del fluido o sobre una superficie sólida en contacto con el mismo, tiene unidades de tensión o presión ([Pa]). μ: es la viscosidad del fluido, y para un fluido newtoniano depende sólo de la temperatura, puede medirse en [Pa·s] o [kp·s/cm2]. dvx /d y: es el gradiente de velocidad perpendicular a la dirección al plano en el que estamos calculando la tensión tangencial, [s−1]. Es decir, al aplicarle una tensión de cizalla a un fluido newtoniano, la velocidad de deformación del fluido es directamente proporcional a la tensión previamente aplicada, siendo la constante de proporcionalidad μ. Unidades en diferentes sistemas. Las unidades de la viscosidad dinámica en el SI, se obtienen aplicando el principio de homogeneidad dimensional a la ecuación de Newton de la viscosidad.

En el Sistema Cegesimal se utiliza el poise (P).

1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = [10-1 kg·s-1·m-1] Aplicaciones. La industria de lubricantes constantemente mejora y cambia sus productos a medida que los requerimientos de las maquinas nuevas cambian y nuevos procesos químicos y de destilación son descubiertos. Los lubricantes son materiales puestos en medio de partes en movimiento con el propósito de brindar enfriamiento (transferencia de calor), reducir la fricción, limpiar los componentes, sellar el espacio entre los componentes, aislar contaminantes y mejorar la eficiencia de operación.

Viscosidad Cinemática

Definición.

En hidrodinámica intervienen junto con las fuerzas debidas a la viscosidad las fuerzas de inercia, que dependen de la densidad. Por eso tiene un significado importante la viscosidad dinámica referida a la densidad, o sea la relación de la viscosidad dinámica a la densidad, que se denomina viscosidad cinemática. Ecuación.

Donde rho es la densidad del fluido. Unidades en diferentes sistemas. La unidad fundamental es el stoke, en el sistema cegesimal de unidades

En el sistema Internacional de Unidades: Viscosidad cinemática [ν] = [m2.s1] Aplicaciones. Esta magnitud es muy importante conocerla al diseñar conductos para fluidos, acueductos, oleoductos, en las fábricas para el bombeo y traslado de los materiales que se procesan. Para la lubricación de motores de combustión, con el uso del aceite adecuado se logra una buena lubricación evitando el desgaste de las piezas del motor y logrando su buen funcionamiento. Es importante tener en cuenta que tanto la viscosidad dinámica como la cinemática dependen de la naturaleza del líquido y la temperatura, por ejemplo, mientras mayor es la temperatura de un líquido, menos viscoso es este, ya que la cohesión de las moléculas se vuelve más débil.

Tensión Superficial

Definición.

La tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Esta definición implica que el líquido presenta una resistencia al aumentar su superficie, lo que en efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris), poder desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas inter-moleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido. Ecuación. La expresión de la T.S. resulta de repartir la fuerza sobre toda la longitud de contacto: T=

F L

Unidades en diferentes sistemas. La unidad de medida de la tensión superficial es el newton por metro (N.m-1) que es equivalente a los julios por metro cuadrado (J.m -2) Aplicaciones. Se aplican a casi todos los campos de la técnica: – Máquinas de fluidos: Bombas y Turbinas. – Redes de distribución. – Regulación de máquinas. – Transmisiones de fuerza y controles hidráulicos y neumáticos. – Acoplamientos y cambios de marcha

Capilaridad

Definición. Es una propiedad de los fluidos que depende de su tensión superficial, la cual, a su vez, depende de la cohesión del fluido, y que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular o cohesión intermolecular es menor que la adhesión del líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula. Ecuación. La ley de Jurin define la altura que se alcanza cuando se equilibra el peso de la columna de líquido y la fuerza de ascensión por capilaridad. La altura h en metros de una columna líquida está dada por la ecuación:

h

2 γcosθ pgr

Donde: = tensión superficial interfacial (N/m) θ = ángulo de contacto ρ = densidad del líquido (kg/m³) g = aceleración debida a la gravedad (m/s²) r = radio del tubo (m) Aplicaciones. La capilaridad juega un papel importante en riego, particularmente en sistemas de riego que hacen uso de esta propiedad para distribuir el agua dentro de la zona radicular del cultivo. Por ejemplo, en sistemas de subirrigación, surcos y especialmente en riego por goteo. Para el cálculo de las dimensiones del bulbo húmedo en suelos homogéneos y uniformes.

Presión

Definición. La presión (símbolo p) es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea. Tipos de presión PRESIÓN ATMOSFÉRICA La presión atmosférica es la fuerza que ejerce el aire sobre la superficie terrestre. La presión atmosférica se mide con un instrumento que se conoce como barómetro y se mide en bares, hectobares y milibares (Los hectobares y los milibares tienen idéntico valor). PRESIÓN ABSOLUTA Es la presión de un elemento que se mide en relación al cero absoluto o vacío perfecto. En definitiva, es relativa o se mide en relación al vacío total y es el resultado de la suma de la presión atmosférica y la presión manométrica. Por lo tanto, la presión absoluta suele ser mayor que la presión atmosférica. De hecho, en el caso de que la presión absoluta sea menor que la presión atmosférica se conoce como depresión. Esta presión únicamente es cero cuando no se produce choque entre moléculas, lo que indicaría o que la velocidad de las moléculas es muy baja o que la proporción de moléculas en estado gaseoso es muy pequeña. PRESIÓN RELATIVA Para medir correctamente la presión atmosférica surgió la denominada presión relativa, que se mide en relación con la presión absoluta, es decir, el valor cero de la presión relativa corresponde al valor de la presión absoluta. Por lo tanto, la presión relativa es la que mide la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica de un lugar determinado. PRESIÓN MANOMÉTRICA Se conoce como presión manométrica a la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica. Es una presión únicamente aplicable cuando la presión es

superior a la presión atmosférica, dado que cuando esta cantidad es negativa se conoce como presión de vacío o presión negativa. La presión manométrica se mide con unas herramientas o instrumentos que se conocen como manómetros y que su uso se fundamenta en los mismos principios que los barómetros. Los manómetros que se emplean para medir presiones inferiores a la atmosférica se conocen como vacuómetros o manómetros de vacío. Ecuación. F A

P

Unidades en diferentes sistemas. 

Tabla de conversiones

PSI

Atmos f.

kg/cm 2

cm c.a

mm HG

Bar

Pa

PSI

1

0,068 0

0,070 3

70,31

51,72

0,068 9

7.142

Atmósfe ra

14,7

1

1,033

1033

760

1,013 1

1,01 105

kg/cm2

14,22

0,967 8

1

1000

735,6

0,96

98.10 0

cm c.a

0,014 2

0,000 96

0,001 0

1

0,735 5

0,000 9

100

mm HG

0,019 3

0,001 3

0,001 3

0,001 3

1

0,001 3

133

Bar

14,5

0,987

1,02

1024

750

1

105

Pa

1,4 10-4

0,987 10-5

0,102 10-4

0,01

0,007 5

10-5

1

Aplicaciones. Frenos hidráulicos. Muchos automóviles tienen sistemas de frenado antibloqueo (ABS, siglas en inglés) para impedir que la fuerza de fricción de los frenos bloqueen las ruedas, provocando que el automóvil derrape. Refrigeración La refrigeración se basa en la aplicación alternativa de presión elevada y baja, haciendo circular un fluido en los momentos de presión por una tubería. Cuando el fluido pasa de presión elevada a baja en el evaporador, el fluido se enfría y retira el calor de dentro del refrigerador. Como el fluido se encuentra en un ciclo cerrado, al ser comprimido por un compresor para elevar su temperatura en el condensador, que también cambia de estado a líquido a alta presión, nuevamente está listo para volverse a expandir y a retirar calor (recordemos que el frío no existe es solo una ausencia de calor). Neumáticos de los automóviles Se inflan a una presión de 310.263,75 Pa, lo que equivale a 30 psi (utilizando el psi como unidad de presión relativa a la presión atmosférica). Esto se hace para que los neumáticos tengan elasticidad ante fuertes golpes (muy frecuentes al ir en el automóvil). El aire queda encerrado a mayor presión que la atmosférica dentro de las cámaras (casi 3 veces mayor), y en los neumáticos más modernos entre la cubierta de caucho flexible y la llanta que es de un metal rígido.