INTRODUCCIÓN A LOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE

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1 INTRODUCCIÓN A LOS FENÓMENOS DE TRANSPORTE Fenómenos de transporte no es más que una ciencia que se encarga del estudio de la transferencia de las propiedades tales como: cantidad de movimiento, calor y masa en diferentes estados de la materia (sólidos, líquidos o gases). El enfoque unificado de cada uno de estos tres fenómenos ganó aceptación debido a que en un proceso pueden intervenir una combinación de dos o hasta tres de los fenómenos que estudiaremos en esta unidad curricular. Antes de continuar, es importante definir lo que es la transferencia de momento o mecánica de los fluidos, y no es más que una ciencia que se encarga de analizar el movimiento de los fluidos desde el punto de vista macroscópico. Ahora bien, salta ahora otra incógnita Qué es un fluido?, esto no es más que toda aquella sustancia que se deforma continuamente cuando le es aplicado un esfuerzo de corte, sin importar que tan pequeño sea este esfuerzo. Para el estudio de esta materia consideraremos fluido sólo a líquidos y gases o fluidos incompresibles y compresibles respectivamente.(mott, R. 2006) Los fluidos, al igual que el resto de la materia está compuesto por moléculas, y cualquier teoría que intentara predecir los movimientos individuales de cada molécula sería compleja. Debido a esto es conveniente considerar el fluido como una distribución continua de la materia, donde al tomar un pequeño volumen de materia éste tendría la cantidad de moléculas suficiente como para representar un promedio de las propiedades del fluido tal como densidad, ya que se considera que las propiedades varían muy poco de un punto a otro. Con esta gota del fluido se pueden evaluar las propiedades que éste posee Las propiedades de los fluidos representan de forma macroscópica la estructura microscópica. Es una característica de la sustancia que permanece invariante bajo unas condiciones específicas. Las

2 propiedades pueden ser intensivas, cuando no dependen de la cantidad de materia (ej: densidad), o extensivas, cuando si dependen de la cantidad de materia (ej: masa). Entre alguna de las propiedades tenemos: Densidad (ρ) Peso Específico Volumen Especifico Gravedad Especifica liquidos.. para ;. ω=peso 1 m= masa V=volumen P=presión M=masa molar, R=constante de gases, T=temperatura V=volumen g=gravedad Kg/m 3 ; Lbm/pie 3 N/m 3 Lbf/pie 3 m 3 /Kg pie 3 /Lbm N/A Temperatura disminuye aumenta ρ A Tctte si Presión aumenta ρ aumenta Varia con la localización ya que depende de la gravedad Existen otras propiedades importantes tales como las propiedades de transporte, las cuales indican la capacidad de una sustancia para transferir cantidad de movimiento, calor y masa. Entre ellas podemos mencionar: Tensión superficial; no es más que una fuerza de estiramiento que se origina en la interfaz gas liquido debido a la fuerza de adhesión y cohesión. Se expresa en (N/m), donde N=newton y m= metro. Esta propiedad es la responsable de que los mosquitos puedan pararse sobre la superficie del agua.

3 La viscosidad; que no es más que la propiedad del fluido que se opone al flujo de éste cuando se le aplica un esfuerzo de corte. Podemos encontrar dos tipos de viscosidad: la dinámica o absoluta la cual indicamos con la letra griega (μ) y expresamos en Centipoise (Cp) ó Pascal por segundo (Pa.s); y la viscosidad cinemática (v) la cual calculamos mediante la siguiente ecuación v=μ/ρ y expresamos en centistoke ó m 2 /s. En líquidos al aumentar la temperatura la viscosidad disminuye, pero en gases, al aumentar la temperatura la viscosidad también aumenta debido a que existe mayor agitación de las moléculas. La viscosidad cinemática puede ser determinada en laboratorios mediante un tubo viscosímetro, con el cual se mide el tiempo que necesita un volumen pequeño de fluido para pasar a través de un orificio. Sin embargo, gracias al resultado de varios experimentos con diferentes fluidos la viscosidad puede ser sencillamente leída en tablas donde podemos encontrar diversos valores en función de la temperatura. También existen otros métodos, como la aplicación de correlaciones empíricas o el uso de nomogramas, éste último no es más que una representación gráfica que permite leer de forma fácil y rápida el valor de viscosidad para un determinado compuesto. Esta gráfica esta diseñada en función de coordenadas (X,Y) donde a cada compuesto le corresponde una combinación de coordenadas diferente y se enlistan en una tabla junto al nomograma, para emplearlo solo se debe unicar las coordenadas correspondientes en la cuadrícula del gráfico y luego en la escala de temperatura ubica la temperatura a la cual se quiere conocer la viscosidad para posteriormente

4 unir mediante una línea los puntos. Existen dos nomogramas, uno para ser usado en liquidos y otra para ser usada en gases, y tienen la siguiente forma:

5 No todos los fluidos poseen el mismo comportamiento, por lo que hay una ciencia que es la Reología, que se encarga del estudio de las sustancias cuando le es aplicado un esfuerzo de corte. De acuerdo a esta ciencia las sustancias se clasifican en dos grandes grupos: Fluidos Newtonianos: obedecen la ley de newton de la viscosidad. Fluidos No Newtonianos: no cumplen con la ley de newton. Los fluidos No Newtonianos se clasifican a su vez en: Pseudoplásticos: son aquellos e donde la viscosidad disminuye cuando se aumenta el esfuerzo de corte. Ej. Plasma sanguíneo. Dilatantes: cuando la viscosidad aumenta al aumentar el esfuerzo de corte. Ej. harina de maíz, arena de playa en agua, en general altos contenidos de polvos en agua. Plásticos de Binghan: son aquellos que deben acumular una gran cantidad de energía antes de comenzar a fluir, después de eso se comportan como newtonianos. Ej. crema dental. En el siguiente gráfico podemos observar la tasa de deformación de cada tipo de fluido cuando le es aplicado un esfuerzo de corte. Los fluidos Newtonianos cumplen con la Ley de Newton de la Viscosidad, la cual expresa que el esfuerzo cortante que se le aplica a un fluido es proporcional a la velocidad de deformación del mismo, y se encuentra en función de un coeficiente de proporcionalidad, el cual es la viscosidad, como se observa en la siguiente ecuación:.

6 Donde τ=esfuerzo de corte A= área perpendicular al movimiento μ= Viscosidad dinámica dvx= variación de la velocidad en dirección x dy= altura de la película Si suponemos dos placas paralelas separadas por un fluido viscoso, donde la placa superior es fija y a la inferior se le aplica un esfuerzo de corte se puede observar que la velocidad varia con la altura (y), es decir, para una altura fija la velocidad desarrollada es la misma para cualquier valor de (x). El negativo en la ecuación de Newton indica que el movimiento va en sentido decreciente de la velocidad.