Fluidos: generalidades y definiciones.

Transcripción

1 Fluidos: genealidades y definiciones. Intoducción a la Física Ambiental. Tema 4. Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 1 Tema 4.- Fluidos Genealidades y Definiciones. El fluido como medio continuo. Mecánica de los medios continuos: Tensiones y Defomaciones. Caacteización de los fluidos. Viscosidad: Absoluta y Cinemática. Fluidos Newtonianos y no Newtonianos. Fenómenos de supeficie: Tensión supeficial y capilaidad. Ley de Laplace. Ley de Juin. Tema 4. IFA (Pof. RAMOS)

2 El fluido como medio continuo: estados de la mateia. Visión macoscópica del medio fluido. Se considea que en los elementos infinitesimales de volumen, dv, hay un númeo muy elevado de patículas, N A. Caacteística de flui. Cambio de posición y velocidad elativa ente las difeentes pates del sistema. Sistemas temodinámicos consideados como fluidos. La caacteización de un sistema como fluido depende de la natualeza del sistema, el poceso que se ealiza y la constante de tiempo. Gases (aeodinámica). Líquidos (hidodinámica). Sólidos (asfaltos, glaciaes, vidios). Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 3 El fluido como medio continuo: descipción. Vaiables desciptivas de la dinámica de un fluido. Campo escala de pesiones: P(, t) Campo escala de velocidades: v (, t) Distibución espacio-tempoal de densidades: ρ(, t) Causas del movimiento de un fluido. Fuezas extenas. F ext Fuezas inteatómicas. Gas ideal. F ij Gas de Van de Walls. 0 F ij a V Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 4

3 Clasificación de los pocesos en dinámica de fluidos. Dinámica de Fluidos Fluidos compesibles Densidad#cte. Fluidos incompesibles Densidadcte. Fluidos Viscosos Viscosidad#0 Flujo Tansitoio v(,t)- velocidad. Fluidos Ideales No Viscosos Flujo estacionaio Velocidad independiente de t Régimen tubulento Re>Rec Régimen lamina Re<Rec Re- nº de Reynolds. Rec- nº de Reynolds cítico. Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 5 El fluido como medio continuo: definiciones. Densidad. Relación ente la masa de un sistema y el volumen que ocupa. dm ( ) kg 3 ρ, t [ ρ] ML 3 En sólidos homogéneos. dv m dm ρ(, t) cte dv En el caso de fluidos (líquidos y gases), la ecuación de estado se puede pone en función de la densidad. Gas ideal. Pm P ρ( P, T ) R T Coeficientes de compesibilidad. ρ κ ( 1/ ρ) P T, S Si la densidad pemanece constante (independiente de la pesión y tempeatua) se dice que el fluido es incompesible: κ T, S 0 Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 6

4 Mecánica de los medios continuos: Tensiones y Defomaciones. Al ealiza un esfuezo (tensión o compesión ) sobe un sólido, se poduce una defomación en el mismo. En el caso de vaillas F homogéneas. Tensión: Defomación: Módulo de Young: τ S Y L ξ L Tensión Defomación τ F S ξ L L Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 7 Módulos de Young y cizalla. Valoes. Mateial Y (GN/m ) Res.Tacción Mc (GN/m ) (MN/ m ) Aceo Aluminio Cobe Hieo Hueso 9 (comp.) Hueso (tac.) Poblema 1. Hoja IFA4 Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 8

5 Tensión y defomación de cizalladua. Tensión de cizalla: Defomación de cizalla: Módulo de cizalladua: M F c τ c S x ξc tagθ L Tensión τ Defomación ξ c Fc S tagθ Poblema. Hoja IFA4 Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 9 Viscosidad: intoducción. Las capas del fluido póximas al sólido tienen velocidades más lentas que las alejadas debido a los pocesos disipativos. Pate de la enegía cinética se tansfoma en calo. En líquidos: la viscosidad es debida a las fuezas de cohesión moleculaes. Fuete dependencia diecta con la tempeatua. En gases: la viscosidad es debida al intecambio de momento lineal sugidos de los choques moleculaes. Paa los gases la viscosidad absoluta suele se más pequeña que paa los líquidos. Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 10

6 Viscosidad: intoducción. Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 11 Tensión de cizalla: F c τ c S Defomación de cizalla: v t ξ ξc c v z t z Viscosidad: Definición. Coeficiente de viscosidad: Válido sólo en el caso: (dv/dz) ctev/z Definición geneal: Unidades: [ η] N s / m Poiseuille( P) 1 1 [ η] dina s / cm Poise( p) ML T F S η v z η c Fc z vs F c 1 S dv dz Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 1

7 Viscosidad: Absoluta y Cinemática. Viscosidad absoluta: 1 dimensión. η F c 1 S dv dz Fuete dependencia con la tempeatua. A penas hay dependencia con la pesión. Viscosidad cinemática: Unidades. [ ϑ] m / s ϑ 1 [ ] ϑ cm / s Stokes L T η ρ Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 13 Fluidos Newtonianos y no Newtonianos. Newtonianos. La viscosidad absoluta del fluido, η, es independiente del movimiento del mismo. dv τ η η cte. Líquidos comunes: agua, aceite, gliceina... dz No Newtonianos. La viscosidad depende del gadiente de velocidades. Pseudoplásticos: η, disminuye al aumenta la velocidad de cizalla. dv η << >> dz Dilatantes:η, aumenta al aumenta la velocidad de cizalla. dv η >> dz >> η cte. Asfaltos, coloides, geles... Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 14

8 Fluidos Newtonianos y no Newtonianos. Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 15 Fluidos Newtonianos y no Newtonianos. Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 16

9 Fluidos Newtonianos y no Newtonianos. Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 17 Fenómenos de supeficie. Fuezas de cohesión molecula en la intefase. Tensión supeficial: Capilaidad: Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 18

10 Fenómenos de supeficie: Tensión supeficial. Es la fueza estauadoa que apaece en la intefase sólido líquido de un sistema. Es popocional a la longitud de contacto del sólido. F γl σ, Tensión supeficial. [ γ ] Nm 1 MT Medida de la tensión supeficial. F mg γ 4π F mg + γ (π ) Poblema 3. Hoja IFA4 Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 19 Valoes de la tensión supeficial. Líquido σ(nm -1 ) x 10 T (ºC) Aceite de oliva Gliceina Agua Agua Agua Agua P P atm kpa Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 0

11 Ley de Laplace Relaciona la difeencia de pesiones, intena y extena, en una membana ceada (esféica) con la tensión supeficial de la misma. Fueza debida a la tensión supeficial: F σl πγ Fueza debida a la difeencia de pesión: F ( P P ) π En equilibio mecánico: p i e πσ ( P P ) π i f P P i f σ Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) 1 Fenómenos de supeficie: capilaidad. El contacto de un líquido con las paedes del tubo de sección cicula que lo contiene se ealiza fomando un menisco o ángulo de contacto, θ. Función del fluido y el tipo de supeficie de contacto. La ascensión de un líquido en el inteio de un tubo de sección cicula, capila, se poduce po la concuencia de las siguientes fuezas. Componente vetical de las fuezas de contacto: F as γl πγ cos Peso de la columna: π hρg F p Condición de equilibio mecánico, ley de JURIN: h γ cosθ ρ π hρg πγ cosθ g Poblema 4. Hoja IFA4 Tema 4. IFA (Pof. RAMOS) θ