1. Introducción a La Mecánica de Fluidos
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Introducción mecánica de fluidos apuntes
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INTRODUCCIN A LA MECNICA
DE FLUIDOS
Manejo de Fluidos y Slidos Profesor: Ximena Saavedra
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Mecnica de Fluidos
La mecnica de fluidos es el estudio del comportamiento
de los fluidos, ya sea que estn en reposo (esttica de
fluidos) o en movimiento (dinmica de fluidos).
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Qu son los fluidos?
Son sustancias capaces de desplazarse y deformarse
continuamente bajo la accin de un esfuerzo cortante.
Son sustancias que carecen de forma propia debido a
su poca cohesin molecular, adoptando la forma del
recipiente que los contiene
-
Clasificacin de los fluidos
Caractersticas:
Si un liquido se almacena en un contenedor, tiende a adoptar la forma de este. Cuando el contenedor se inclina, el liquido tiende a derramar.
Si se mantiene un gas a presin en un recipiente cerrado, tiende a expandirse y llenarlo por completo. Si el recipiente se abriera, el gas tendera a expandirse aun ms y a escapar de el.
Los fluidos se dividen en: lquidos y gases
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Clasificacin de los fluidos
Caractersticas:
Al incrementar la presin si hay aire (un gas) dentro de un
cilindro equipado con un embolo mvil y muy ajustado, es
posible comprimirlo con facilidad al empujarlo.
El volumen del gas se reduce de manera apreciable a
medida que la presin aumenta, caso contrario en los
lquidos que al aplicar una gran fuerza la presin aumenta
pero el volumen vara muy poco.
Los fluidos se dividen en: lquidos y gases
-
Clasificacin de los fluidos
Lquidos:
Son sustancias incompresibles
Ocupan un volumen determinado, adoptando la forma del
recipiente que los contiene.
Poseen superficies libres
-
Clasificacin de los fluidos
Gases:
Son sustancias compresibles debido a que constan de
partculas que chocan entre ellas dispersndose
continuamente.
Ocupan todo el volumen del recipiente que los contiene.
No poseen superficies libres
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Caractersticas de los fluidos
Los lquidos son sustancias incompresibles debido a su
caracterstica de ofrecer gran resistencia al cambio de
volumen pero no de forma. Por su parte los gases son
compresibles, puesto que ofrecen poca resistencia al
cambio de forma y volumen.
Lquido Gas
-
Caractersticas de los fluidos
Los fluidos ofrecen resistencia a la
rapidez de deformacin, cuando se
someten a un esfuerzo tangencial.
Los esfuerzos tangenciales o cortantes que experimenta el fluido
no dependen de la deformacin que
experimenta, sino de la rapidez con
que estas se producen.
El ngulo de deformacin aumenta en proporcin a la fuerza
aplicada F. A mayor resistencia de deformacin menor el ngulo
de deformacin y viceversa
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Propiedades de los fluidos
Algunas propiedades de los fluidos son:
Densidad
Peso especfico
Gravedad especfica
Viscosidad dinmica
Viscosidad Cinemtica
Tensin superficial
Capilaridad
Presin de vapor
Calor Especfico
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Propiedades de los fluidos
Masa (m):
Es la cantidad de materia que posee un cuerpo o fluido en
este caso.
Peso (w):
Fuerza con la que el fluido es atrado hacia la Tierra por la
accin de la gravedad.
m = masa (g, lbm,kg)
g = 9.8 m/2
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Propiedades de los fluidos
Densidad
La densidad de un fluido se define como la cantidad de
masa contenida en un volumen. La densidad se denota con
la letra griega Rho ( ) y sus unidades en el SI son
Kilogramo por metro cbico ( 3 ).
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Propiedades de los fluidos
Densidad
En un lquido al aumentar la temperatura la densidad
disminuye debido al incremento de la energa cintica del
fluido, aumentando as el volumen ocupado por las molcula.
Con los gases el efecto es similar.
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Propiedades de los fluidos
Peso Especfico
Se define como el peso del fluido por unidad de volumen
del mismo. El peso especfico se denota con la letra griega
Gamma () y sus unidades en el SI son Newton por metro cbico ( 3 ).
=
= .
= .
-
Propiedades de los fluidos
Ejercicio
-
Propiedades de los fluidos
Gravedad Especfica (Densidad Relativa):
Se define como la relacin entre la densidad (o peso
especfico) de un fluido cualquiera y la densidad (o peso
especfico) del agua(a 4C) o del aire (a 0C). Propiedad
adimensional
=
=
4= 1000
3 0 = 1,4
3
-
Propiedades de los fluidos
Ejercicio:
Determine la densidad, gravedad especfica y la masa del aire en
un cuarto cuyas dimensiones son 4m x 5m x 6m a 100KPa y 25C.
= ,
P=Raire T (Ecuacin Gases Ideales)
=
=
100
(0,287 3
) 25+273
= 1,17
3
=
=
1,17
3
1,3
3
= 0,09 m= ? Kg
-
Propiedades de los fluidos
Viscosidad
Es la medida de la resistencia de un fluido a fluir, o sea, la
tendencia a resistir un esfuerzo de corte. El esfuerzo de corte es
directamente proporcional a la viscosidad.
Viscosidad Dinmica:
La unidad de la viscosidad dinmica en el sistema internacional
(SI) es el pascal por segundo (Pas) o tambin Newton por segundo sobre metro cuadrado (Ns/m2 ), esta unidad se conoce como Poise. El submltiplos ms utilizados es el centipoise (cP),
10-2 poises, es la unidad ms utilizada para expresar la
viscosidad cinemtica de un fluido
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Propiedades de los fluidos
Viscosidad Dinmica
Normalmente se usa la letra griega para el trmino referente a la
viscosidad.
La viscosidad es directamente proporcional a la velocidad con la que
se mueve el fluido. Tambin llamada constante de proporcionalidad
No posee propiedades elsticas, es incomprensible, isotrpico y
carece de estructura. Ejm: Hidrgeno, Aceite, Aire, Gasolina, Agua,
alcohol etlico, Mercurio
Los fluidos que se ajustan a esta ecuacin reciben el nombre de
fluidos Newtonianos.
Ecuacin de Newton de la Viscosidad
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Propiedades de los fluidos
-
Propiedades de los fluidos
Viscosidad Cinemtica
Es equivalente a la viscosidad dinmica dividido por la densidad
del fluido a la misma temperatura.
La unidades de la viscosidad cinemtica se definen como
Stokes y es equivalente a 12/.
Al aumentar la temperatura disminuye la viscosidad en los
lquidos. Para los gases, la viscosidad cinemtica vara
significativamente con la presin. Por qu?
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Propiedades de los fluidos
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Propiedades de los fluidos
Tensin superficial
Se denota por al letra griega Sigma (), y se describe como la intensidad de las fuerzas de atraccin molecular de los fluidos por unidad de
longitud. Unidades son N/m.
Las molculas ms cercanas a la superficie libre estn sometidas a una
fuerza neta de atraccin hacia el interior, no equilibrada. Como
consecuencia fsica de esta fuerza, a lo largo de la superficie, se genera:
una piel o membrana hipottica.
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Propiedades de los fluidos
Tensin superficial
La fuerza neta de atraccin hacia el interior, se equilibra por las fuerzas
de repulsin provenientes de las molculas que estn debajo de la
superficie y que estn siendo comprimidas. El efecto de compresin
resultante hace que el lquido minimice su rea superficial.
-
Propiedades de los fluidos
-
Capilaridad:
Consiste en la elevacin o descenso de un lquido en un tubo
capilar.
Cuando la adhesin (atraccin entre molculas diferentes) es
mayor que la cohesin (atraccin entre molculas semejantes),
los lquidos ascienden por los tubos, mojan, una altura h. Cuando es menor, descienden por los tubos a los que no
mojan .
Propiedades de los fluidos
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Capilaridad:
Cuando el lquido asciende por el tubo, la superficie del
mismo es cncava y si la presin capilar acta haca abajo
la superficie es convexa.
Propiedades de los fluidos
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Capilaridad:
El ascenso capilar debido a la accin atractiva molecular es igual a:
= Tensin superficial del lquido, N/m rc= Radio del tubo, m
g = Gravedad
=Densidad del lquido, 3
Propiedades de los fluidos
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Propiedades de los fluidos
Ejercicio:
Se inserta un tubo de vidrio de 0.6 mm de dimetro en agua a
20C que est en una copa. Determine el ascenso por
capilaridad del agua en el tubo. La tensin superficial del agua a
20C es de 0.073 N/m
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Presin de Vapor:
Para las sustancias puras se define como la presin ejercida
por su vapor en equilibrio de fases con su lquido a una
temperatura dada.
Si la presin se mantiene constante al elevar la temperatura,
se eleva la presin de vapor pv, hasta equilibrar la presin
externa. El liquido se evapora libremente (punto de
ebullicin).
Propiedades de los fluidos
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Calor especifico:
Es la capacidad de una sustancia para almacenar energa
trmica. Por definicin, es la cantidad de energa trmica,
que debe ser transferida a una unidad de masa de sustancia
para elevar su temperatura un grado.
Si el volumen especfico V (V = 1/) permanece constante, el calor especfico se identifica como CV , pero si la presin
permanece constante, entonces se identifica como Cp.
Propiedades de los fluidos
T
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Elementos para medir la densidad
Lactmetro Sacarmetro
Salmetro Aermetro
Picnmetro
Balanza de Mohr-Wespal
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Elementos para medir la densidad
Densmetro:
Est hecho de vidrio y consiste
en un cilindro hueco con un
bulbo pesado en su extremo
para que pueda flotar en
posicin vertical.
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Elementos para medir la densidad
Picnmetro:
Elemento de determinacin
indirecta de la densidad. De
volumen conocido y requiere
conocer la masa de la
sustancia
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Elementos para medir la Viscosidad
Viscosmetro de tubo capilar
Consiste en 2 recipientes conectados por un tubo largo de dimetro pequeo conocido como tubo capilar.
Conforme al fluido fluye a travs del tubo con una velocidad cte. El sistema pierde energa, ocasionando una cada de presin.
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Elementos para medir la Viscosidad
Viscosmetro de oswald- cannon-fenske:
El viscosmetro es un tubo U, en una de sus ramas es un tubo capilar fino conectado a un deposito superior.
El tubo se mantiene en posicin vertical y se coloca una cantidad
conocida del fluido en el deposito para que luego fluya por gravedad a
travs de un capilar.
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Elementos para medir la Viscosidad
Viscosmetro de cilindro concntrico
Est conformado por un cilindro que gira a una cierta velocidad con
respecto a un cilindro interno concntrico estacionario.
