DEFINICION DE MECANICA DE FLUIDOS

Transcripción

1 DEFINICION DE MECANICA DE FLUIDOS La Mecánica, es la ciencia que estudia los cuerpos bajo la acción de fuerzas, tanto en estado estacionario y en movimiento. La rama que estudia los cuerpos en movimiento es la Dinámica y la que estudia los cuerpos en reposo es la Estática. La Mecánica de Fluidos viene siendo la ciencia q u e e s t u d i a e l comportamiento de los f l u i d o s e n r e p o s o (Estática de Fluidos) o en movimiento (Dinámica de Fluidos), y la interacción de los fluidos con sólidos o entre si mismos

2 DEFINICION DE FLUIDO Fluido es toda sustancia no sólida que tiene la capacidad de fluir, por tanto sus moléculas pueden deslizar, Unas respecto a otras sin dificultad. Fluido es toda sustancia material continua y deformable que en reposo sólo admite tensiones normales Fig. 1. Deformación de una goma localizada Entre dos placas paralelas bajo la influencia De un esfuerzo cortante. (Mecánica de Fluidos, Cengel) Fig. 2. Comportamiento del fluido localizado En dos placas paralelas (Fundamentos de mecanica De fluidos, Munson 4ed)

3 FLUIDO IDEAL Medio continuo deformable que en equilibrio o reposo solo puede soportar tensiones o esfuerzos normales sobre cualquier superficie imaginaria trazada en su interior. Estas tensiones son debidas a las fuerzas internas de PRESIÓN Fig. 3. Esfuerzo normal y esfuerzo contante En la superficie de un elemento de fluido. Para Fluidos en reposo el esfuerzo cortante es cero y La presión es solamente el esfuerzo normal. (Mecánica de Fluidos, Cengel)

4 viscoso y/o compresible. Un fluido es viscoso cuando e x i s t e n f u e r z a s d e rozamiento interno entre sus capas, que se pone de m a n i f i e s t o c u a n d o intentamos desplazar unas capas respecto a otras (agitándolo, por ejemplo) FLUIDO REAL

5 o Gases: 1. No tienen forma ni volumen propio 2. Se expansionan indefinidamente. 3. La distancia media entre dos moléculas es grande comparada con el tamaño de una molécula. 1. Las moléculas tienen poca influencia entre sí exceptodurante sus colisiones, frecuentes pero breves 2. Gas perfecto: Cumple la ecuación de Clapeyron pv=nrt o Líquidos: 1. No tienen forma propia pero si volumen. 2. Fluyen bajo la gravedad hasta ocupar las partes más bajas posibles del recinto que los contiene. 3. Las moléculas están muy unidas y ejercen fuerzas entre sí. 4. Sus moléculas forman transitoriamente enlaces que se rompen continuamente y después vuelven a formarse. 5. Estos enlaces mantienen unido el líquido, si no existieran las moléculas escaparían en forma de vapor.

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8 Fig. 4. Arreglo de átomos en diferentes fases: a) en un solido las moléculas están en posiciones fijas, b)grupos de moléculas se mueven unas contra otras en un liquido, c) las moléculas se mueven al azar En la fase gas. (Mecánica de Fluidos, Cengel) Fig. 5. a diferencia de un liquido un gas no forma una superficie libre y este se expande para ocupar completamente el espacio disponible. (Mecánica de Fluidos, Cengel)

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18 STRESS FIELD

19 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS L a densidad de una sustancia se define como el cociente de su masa entre el volumen que ocupa. La unidad de medida en el S.I. de Unidades es kg/ m 3, también se utiliza frecuentemente la unidad g/cm 3 Tabla 1. Densidades de algunas sustancias comunes Sustancia Densidad (kg/m 3 ) Aire 1,20 Helio 0,18 Hidrógeno 0,09 Agua dulce Hielo 917 Agua salada Alcohol 806 Madera 373 Aluminio Cobre Hierro, Acero Plomo Oro Mercurio

20 Densidad masa M kg slug Densidad = = = = ρ = volumen L m ft m V Madera 2 kg, 4000 cm 3 Plomo: 11,300 kg/m 3 Madera: 500 kg/m 3 Plomo 4000 cm kg Plomo 177 cm 3 2 kg Mismo volumen Misma masa

21 PESO ESPECIFICO (Γ) La densidad está relacionada con el grado de acumulación de materia (un cuerpo compacto es, por lo general, más denso que otro más disperso), pero también lo está con el peso. Así, un cuerpo pequeño que es mucho más pesado que otro más grande es también mucho más denso. Esto es debido a la relación P = m g existente entre masa y peso. No obstante, para referirse al peso por unidad de volumen la física ha introducido el concepto de peso específico p e que se define como el cociente entre el peso P de un cuerpo y su volumen El peso específico representa la fuerza con que la Tierra atrae a un volumen unidad de la misma sustancia considerada. La relación entre peso específico y densidad es la misma que la existente entre peso y masa. En efecto: siendo g la aceleración de la gravedad. La unidad del peso específico en el SI es el N/m 3.

22 Peso Especifico mg ρ = = ρ. g V = F L 3 = N m 3 = lb Ft f 3

23 DENSIDAD RELAVITA O GRAVEDAD ESPECIFICA La densidad relativa de una sustancia es el cociente entre su densidad y la de otra sustancia diferente que se toma como referencia o patrón: Para sustancias líquidas se suele tomar como sustancia patrón el agua cuya densidad a 4 ºC es igual a 1000 kg/m 3. Para gases la sustancia de referencia la constituye con frecuencia el aire que a 0 ºC de temperatura y 1 atm de presión tiene una densidad de 1,293 kg/m 3. Como toda magnitud relativa, que se obtiene como cociente entre dos magnitudes iguales, la densidad relativa carece de unidades físicas.

24 Gravedad específica!" = % &'&( % h2+ =, &'&(, h2+ = -./ &13246 Ejemplos: Acero (7800 kg/m 3 ) ρ r = 7.80 Latón (8700 kg/m 3 ) ρ r = 8.70 Madera (500 kg/m 3 ) ρ r = 0.500

25 VISCOSIDAD.. En general la viscosidad es una propiedad de los fluidos que se refiere al g r a d o d e f r i c c i ó n interna. Se asocia con la r e s i s t e n c i a q u e presentan dos capas adyacentes moviéndose dentro del fluido. Debido a la viscosidad parte de la energía cinética del fluido se convierte en energía interna. Ft µ = 2 L 1 Poise = M Lt = N. seg 2 m = 0.1 Pa. seg = lb. seg ft 2 N. seg = m f

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27 Ft M N. seg lbf. seg µ = = = = L Lt m ft =

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29 La viscosidad cinemática es el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad µ ν = = ρ L t 2 = 2 m seg = 2 Ft seg cm 2 = 1 stoke seg

30 VOLUMEN ESPECÍFICO.. V=V/n Gases, vapores V=V/m Líquidos, sólidos V=1/ Hace referencia al volumen que ocupa un fluido por unidad de peso. En el caso de los gases, está afectado de manera importante por la temperatura y la presión.

31 TENSIÓN SUPERFICIAL.. Se debe a que las moléculas del líquido, e j e r c e n f u e r z a s d e atracción entre si mismas. En el caso del agua, esta propiedad dificulta su paso por aberturas pequeñas. diagramas/fuerzas_en_el_seno.gif

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33 CAPILARIDAD.. diagramas/fuerzas_en_el_seno.gif E s t a p r o p i e d a d l e permite a un fluido, avanzar a través de un canal delgado, siempre y cuando, las paredes de este canal estén lo suficientemente cerca.

34 σ θ θ σ Donde: σ - Tension superficial, N/m γ - Peso especifico del liquido, N/m 3 r radio, m h altura del capilar, m r h Tension Superficial del agua C σ h = 2σ cos γr θ

35 PROPIEDADES DE LOS GASES IDEALES Describen el comportamiento de los fluidos en estado gaseoso. La ecuación fundamental es: PV = nrt Donde: P: presión absoluta V: Volumen n: Número de moles R: Constante universal de los gases: atm.l/mol K T: Temperatura absoluta

36 EN EL MODELO DE UN FLUIDO IDEAL, SE PROPONEN LOS SIGUIENTES CUATRO PLANTEAMIENTOS: El fluido no es viscoso cuando no presenta fricción interna. El fluido es estable cuando la velocidad del flujo en todos los puntos permanece constante. El fluido es incompresible cuando la densidad es constante. El fluido es irrotacional cuando el no gira alrededor de su centro de masa y no tiene momentum angular alrededor de algún punto.

37 FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS NEWTONIANOS A una temperatura fija su viscosidad no cambia y e s t a s e m a n t i e n e constante NO NEWTONIANOS Influyen otros factores a parte de la temperatura, por lo tanto su viscosidad es variable. Ejemplo de estos fluidos en la vida diaria son la pasta de diente y la salsa de tomate, a los cuales se les debe aplicar una fuerza inicial para que comiencen a fluir.

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39 RESUMEN Fox, McDonald & Pritchard