Cap1. MedProGasLiqSol

8/19/2019 Cap1. MedProGasLiqSol

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Medición de Propiedades de Gases,

Líquidos y Sólidos

Capítulo 1: Propiedades Físicas

Prof. Ing. Héctor C. Vergara V.

Facultad de Ingeniería Mecánica

Centro Regional de Azuero-UTP


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Contenido1. Dimensiones y unidades.

2. Escalas de Temperatura.3. Propiedades físicas

1. Densidad.

2. Peso específico.

3. Densidad relativa.

4. Volumen específico.

5. Viscosidad.6. Compresibilidad de líquidos y gases.

7. Tensión superficial.

8. Presión de vapor.

9. Dureza.

4. Definición de fluido. Concepto de fluidos compresibles e

incompresibles.

5. Distinción entre un sólido y un fluido; entre un gas y un líquido.

6. Potencial galvánico de los materiales.

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1.1. Dimensiones y Unidades

Cualquier cantidad física se caracteriza por sus dimensiones, ylas magnitudes arbitrarias asignadas a las dimensiones sellamas unidades.

Algunas dimensiones básicas como la masa m, la longitud L, el

tiempo t y la temperatura T se considera dimensiones primarias o fundamentales.

Otras como la velocidad v, la energía E y el volumen V seexpresan en términos de las dimensiones primarias y reciben el

nombre de dimensiones secundarias o derivadas.

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A los largo de los años se han creado varios sistemas deunidades. A pesar de los grandes esfuerzos decomunidades científica y de ingeniería para unificar al

mundo con un sistema único de unidades,

En la actualidad se utilizan dos conjuntos de unidades: elsistema inglés United Sates Customary System (USCS) yel métrico SI (Le Système International d’Unités),

también conocido como Sistema Internacional.

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El SI es un sistema sencillo y lógico basado en unarelación decimal entre las diversas unidades y es usado enel trabajo científico y de ingeniería en la mayor parte de

las naciones industrializadas, incluso en Inglaterra.

El sistema inglés, si embargo, no tiene una base numéricay sus diversas unidades se relacionan de manera arbitraria(12in en 1ft , 16oz en 1lb, 4qt en 1gal). En USA es el

único país industrializado que todavía no aplica por completo el SI.

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En el sistema inglés la fuerza es consideracomo una dimensión primaria y se considerauna unidad no derivada.

Esta situación es fuente de confusión y errorque necesita el uso de un factor de conversión() en muchas fórmulas. Para evitar molestias,se considera la fuerza como una dimensión

secundaria, cuya unidad se deriva de lasegunda ley de Newton:

= ó

= 6


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En el SI la unidad de fuerza es el newton (N) y se define como la fuerza requerida paraacelerar una masa de 1 kg a razón de 1 /.

En el sistema inglés, la unidad de fuerza es lalibra-fuerza (lbf) y se define como la fuerzarequerida para acelerar una masa 32.174 lbm (1 slug) a una razón de 1 /

1 = 1 ⋅ /

1 = 32.174 ∙ /

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La fuerza en Newton es casiequivalente al peso de unamanzana pequeña ( = 102 ),mientras que la fuerza de una libraes casi equivalente al peso decuatro manzanas mediana( = 454 ).

Otra unidad de fuerza que escomún en muchos países europeos

es el kilogramo fuerza (kgf) que es el peso de 1 kg

de masa al nivel del mar (1 = 9.807 ).8


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Con frecuencia el término peso seemplea de modo incorrecto paraexpresar masa, en particular por los«cuidadores de peso». A

diferencia de la masa, el peso W esuna fuerza.

Es la fuerza gravitacional aplicada aun cuerpo y su magnitud se determinaa partir de la segunda ley de Newton.

= ()

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donde m es la masa del cuerpo y g es la aceleración gravitacionallocal (g es 9.807 / o 32.174 /

al nivel del mar y 45° de latitud).

La báscula casera común mide la fuerza gravitacional

que actúa sobre un cuerpo.El peso de un volumen unitario de una sustancia se

denomina el peso específico y se determina = ,

donde es la densidad.

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La masa de un cuerpo permanece igual, sinimportar su ubicación en el universo. Su peso,sin embargo, cambiará debido a la diferencia

en la aceleración gravitacional.

La fuerza de gravedad que actúa sobre unamasa se debe a la atracción entre las masas, y es directamente proporcional a las magnitudes

de las masas e inversamente proporcional alcuadrado de la distancia entre ellas.

= ∙

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La g varía de 9.8295 m/s 2 a 4500 m por debajodel nivel del mar hasta 7.3218 m/s 2 a100,000 m por encima del nivel del mar.

Para altitudes hasta de 30,000 m, la variaciónde la gravedad desde su valor al nivel del mares de 9.807 m/s 2 es menor de 1% .

Por lo que para propósitos prácticos, laaceleración de la gravedad se supone con unvalor de 9.81 m/s 2 .

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La causa primordial de la confusión entre lamasa y el peso es que la masa es medidaindirectamente por la medición de la fuerza de

gravedad que ejerce. La manera correcta demedir una masa es comparándola con unamasa conocida.

El trabajo, que es una forma de energía, se

mide como el producto de la fuerza por ladistancia; en consecuencia, tiene la unidad«newton-metro (N ⋅ m )»

1 = 1 ∙

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Una unidad mas común para la energía en el SIes el kilojoule (1 = 10 ).

En el sistema inglés, la unidad de energía es el

Btu (unidad térmica británica ), que se define comola energía requerida para elevar por 1° latemperatura de 1 lbm de agua a 68°.

En el sistema métrico, la capacidad de energía

necesaria para aumentar 1° la temperatura de1g de agua a 15° se define como una caloría (cal), y 1c = 4.1848. Las magnitudes del kJ y delBtu son casi idénticas (1 = 1.055).

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1.2. Escalas de Temperaturas

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La escala Celsius va de 0° a 100° y la escala Fahrenheit son 32° y212°.

Existe otra escala en

termodinámica que es independede las propiedades de cualquiersustancia o sustancias.

Se le denomina escala de

temperatura termodinámica, en elSI es la escala Kelvin (Lord Kelvin,1824-1907), en el sistema ingléses la escala Rankine (W. Rankine,1820-1872).


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= ° + 273.15

= ° + 459.67

= 1.8

° = 1.8 ° + 32


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Creada en 1714 por el Físico Alemán

La escala Fahrenheit toma como cero una

temperatura que está por debajo del punto

de fusión del hielo, por lo tanto para el hielo

indica una temperatura de 32º F.

Sal de amonio, agua y hielo 0 °F

Agua y hielo 32 °F

Temperatura Axila 96 °F

Para el agua hirviendo o vapor indica

212ºF.


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Creada en 1742 por el Astrónomo Sueco

La escala Celsius toma como cero la temperatura

del punto de fusión del hielo, por lo tanto para el

hielo indica una temperatura de 0 ºC.

Para el agua hirviendo o vapor indica 100 ºC.


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Creada por Lord Kelvin en 1848.

La escala Kelvin toma como cero la temperatura

del gas ideal a volumen cero, por lo tanto para

el hielo indica una temperatura de 273.16 ºK.

Para el agua hirviendo o vapor indica 373.16 ºK.

Se denomina escala centígrada absoluta.


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Para pasar de Fahrenheit

a grados Celcius usamos

la siguiente fórmula:

2738,1

)32º(º

Tf Tk

8,1

)32º(º

Tf Tc

Para pasar a grados Kelvin

usamos la siguiente:


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Para pasar de grados

Celsius a Fahrenheit

usamos la siguiente

fórmula:

273ºº cT k T

328,1ºº TcTf

Para pasar a grados Kelvin

usamos esta:


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Escala Rankine creada por el ingeniero y

físico escoces en el año de 1859

Su punto de fusión es 460° Ra

Su punto de ebullición es de 672°Ra

Es conocida como Fahrenheit absoluta


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273ºº Tk Tc

4,4598,1ºº Tk Tf

Para pasar de grados

Kelvin a Fahrenheit

usamos la siguiente

fórmula:

Para pasar a grados

Celsius usamos esta:


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° C =(5/9) (° F – 32)° F =(9/5) (° C) + 32

° K =° C + 273.16° C =° K – 273.16

° R =° F + 460° F = ° R - 460



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1.3.1. Propiedades Físicas-Densidad

¿Qué es la densidad?

La densidad relaciona la masa con el volumen(las dos propiedades de la materia).

Surge del cociente entre la masa de un objeto y su volumen.

= ( )

( )

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1.3.1. Densidad

La densidad se mide en unidades de masadivididas entre volumen:

Kilogramo/litro (kg/l)

gramo/mililitro (g/ml)

La densidad del agua es 1kg/l, significa que un

litro de agua pesaría 1kg.

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1.3.1. Densidad

No todas las sustancias tienen la mismadensidad.

Una bola de plomo pesa mucho más que unade goma, del mismo tamaño, porque ladensidad del plomo es mayor.

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1.3.1. Densidad

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Si colocamos en agua estas dos bolas, se

hundiría la de plomo. Por lógica, la densidad

del plomo es mayor que la del agua.

Como la densidad de la

goma es similar a la del

agua, la pelota de gomaflotaría. (Pesca)


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1.3.1. Densidad

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Esta es la densidad de algunas sustancias:

• Agua: 1 kg/l

• Aceite: 0,92 kg/l

• Alcohol: 0,78 kg/l

• Hierro: 7,9 kg/l• Plomo: 11,3 kg/l

¿Cuáles crees que flotarán en el agua?


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1.3.1. Densidad

En general la densidad depende de la temperatura y de la presión. En la mayoría de los gases esdirectamente proporcional a la presión einversamente a la temperatura. Para líquidos y sólidos que son esencialmente sustanciasincompresibles, la variación de su densidad con lapresión es por lo general despreciable.

Algunas veces la densidad de una sustancia seproporciona en relación con la densidad de unasustancia conocida. En ese caso se llama gravedad específica o densidad relativa.


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1.3.2. Peso Específico

Es frecuente escuchar un viejo chiste, ¿Qué pesamás, un kilo de plomo o un kilo de plumas?

La respuesta es sencilla, ambas pesan lo mismo, pues pesan un kilogramo.

Sin embargo es común que algún amigo

desprevenido responda que pesa más el kilo deplomo.

¿Cuál es la razón de su confusión?


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Lo que confunde a las personas, es que un kilo deplomo ocupa mucho menos volumen que un kilo deplumas.

Es esta relación entre peso y volumen de un cuerpola que da origen a una nueva magnitud,Peso específico.

El peso específico de una sustancia es unamagnitud escalar cuyo valor se obtiene como elcociente entre el peso de un cuerpo macizo de dicha

sustancia y su volumen.


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1.3.3. Densidad Relativa

La densidad Relativa o Gravedad

Específica Es una comparación de la

densidad de una sustancia con la

densidad de otra que se toma como

referencia.

Ambas densidades se expresan en las

mismas unidades y en iguales

condiciones de temperaturas y

presión.

Es adimensional (sin unidades)

=

es la densidad absoluta

es la densidad de referencia

Tomada del libro de Y. Cengel

Mecánica de Fluidos


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1.3.4. Volumen Específico

El inverso de la densidad

es el volumen específico,

el cual se define como

volumen por unidad de

masa, es decir

Tomada del libro de Y. Cengel

Mecánica de Fluidos


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1.3.5. Viscosidad

Resistencia de un

líquido o gas a fluir

debido a la fricción que

se genera al moverse.

Los factores que afectanla viscosidad son:

Temperatura: a mayortemperatura, menor será

la viscosidad.

Fuerzas intermoleculares: mientras más fuertes mayor será la

viscosidad.

Geometría de la molécula: mientras más ramificaciones tenga lamolécula más viscosa será.


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1.3.6. Compresibilidad de Líquidos y Sólidos

Compresibilidad es la propiedadde la materia se disminuye su

volumen al someterlos a una

presión o compresión

determinada manteniendo

constantes otros parámetros.

La compresibilidad es un número positivo (sistema estable),

lo que significa que cuando se aumenta la presión sobre el

sistema, este disminuye su volumen.

El caso contrario se puede observar en sistemas inestables

por ejemplo en un sistema químico cuando la presión inicia

una explosión.


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1.3.6. Compresibilidad de Líquidos y Sólidos

Los sólidos a nivel molecular son muy difíciles de comprimir, yaque las moléculas que tienen los sólidos están muy pegadas y

existe poco espacio libre entre ellas como para acercarlas sin

que aparezcan fuerzas de repulsión fuertes.

Esta situación contrasta con la de los gases los cuales tienensus moléculas muy separadas y que en general son altamente

compresibles bajo condiciones de presión y temperatura

normales.

Los líquidos bajo condiciones de temperatura y presiónnormales son también bastante difíciles de comprimir aunque

presenta una pequeña compresibilidad mayor que la de los

sólidos.


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1.3.7. Tensión Superficial

Las moléculas de un líquido se atraen entre sí, de ahí que ellíquido esté “cohesionado” . Cuando existe una superficie, las

moléculas que están justo debajo de la superficie sienten

fuerzas hacia los lados, horizontalmente, y hacia abajo, pero no

hacia arriba, porque no hay moléculas encima de la superficie.

El resultado es que las moléculas que se encuentran en la

superficie son atraídas hacia el interior de éste.


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1.3.7. Tensión Superficial

Para algunos efectos, esta película de moléculas superficiales

se comporta en forma similar a una membrana elástica tirante

(la goma de un globo, por ejemplo). De este modo, es la

tensión superficial la que cierra una gota y es capaz de

sostenerla contra la gravedad mientras cuelga desde un

gotario


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1.3.7.


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1.3.8. Presión de Vapor

Comúnmente conocida como presión de saturación es la presióna la que cada temperatura las fases líquida y vapor se

encuentran en equilibrio, su valor es independiente de las

cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas.

En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominaciónde líquido saturado y vapor saturado.


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1.3.8. Presión de Vapor


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1.3.8. Dureza

Oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como laabrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones

permanentes.

La dureza relativa de los minerales se determina gracias a la

escala de dureza de Mohs , nombre del mineralogista alemán

Friedrich Mohs que la ideó.


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1.3.8. DurezaLa dureza de una muestra se obtiene determinando quémineral de la escala de Mohs lo raya. Así, la galena, que

tiene una dureza de 2,5, puede rayar el yeso y es rayado

por la calcita. La dureza de un mineral determina en gran

medida su durabilidad.


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1.4. Definición de Fluido.

Compresibles e Incompresibles.Una sustancia existe en tres estados de agregación: sólido ,líquido y gas . (A temperaturas muy elevadas también existecomo plasma .) Una sustancia en la fase líquida o en la gaseosa se conoce como fluido .

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ESTADOS DE LA MATERIA CAMBIAN AL AGREGAR ADD) ENERGÍA


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Compresibles e Incompresibles.

Un flujo se clasifica como compresible o incompresible,

dependiendo del nivel de variación de la densidad del fluido

durante ese flujo.

La incompresibilidad es una aproximación y se dice que elflujo es incompresible si la densidad permanece aproximadamente constante a lo largo de todo el flujo.

Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del fluido

permanece inalterado sobre el curso de su movimiento cuandoel flujo (o el fluido) es incompresible.

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Compresibles e Incompresibles.En esencia, las densidades de los líquidos son constantes y,así, el flujo de ellos es típicamente incompresible.

Por lo tanto, se suele decir que los líquidos son sustancias incompresibles . Por ejemplo, una presión de 210 atm haceque la densidad del agua líquida a 1 atm cambie en sólo 1%

Por otra parte, los gases son intensamente compresibles . Porejemplo, un cambio de presión de sólo 0.01 atm causa uncambio de 1% en la densidad del aire atmosférico.

Cuando se analizan los cohetes, las naves espaciales y otros

sistemas en los que intervienen flujos de gas a velocidades

altas, la velocidad del flujo a menudo se expresa en términos

del número adimensional de Mach.

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Número de Mach se define como:

Donde c es la velocidad del

sonido cuyo valor es de346 m/s en el aire a

temperatura ambiente al nivel

del mar.

Se dice que el flujo es:

Sónico cuando = 1,

Subsónico cuando < 1,

Supersónico cuando > 1,

Hipersónico cuando ≫ 1.


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La diferencia entre un

sólido y un fluido se hace

con base en la capacidad

de la sustancia para

oponer resistencia a un

esfuerzo cortante (tangencial) aplicado quetiende a cambiar su

forma.

1.5. Distinción entre un Sólido y un Fluido


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En Gases y Líquidos (fluidos) laFuerza/Área se define como la presión

En Sólidos la presión se define comoEsfuerzo (Fuerza/Área)

¿Porque no se utiliza la definición deesfuerzo Normal y se utilizaespecíficamente la de esfuerzoCortante?

El esfuerzo normal en fluidos se aplicacon la tensión superficial, así que estetipo de esfuerzo se descarta parapoder diferenciar fluidos de sólidos.Sin embargo, se utiliza el esfuerzocortante ya que un fluido no lo

soporta



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Un sólido puede oponer resistencia a un esfuerzo cortanteaplicado por medio de la deformación, en tanto que un fluido se

deforma de manera continua bajo la influencia del esfuerzo

cortante, sin importar lo pequeño que sea.

En los sólidos, el esfuerzo es proporcional a la deformación,

pero en los fluidos el esfuerzo es proporcional a la razón de

deformación.

Cuando se aplica un esfuerzo cortante constante, llega un

momento en que un sólido, a un cierto ángulo fijo, deja dedeformarse, en tanto que un fluido nunca deja de deformarse y

tiende a cierta razón de deformación.

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1.6. Potencial Galvánico en los Materiales

Galvanizado o galvanización es el proceso electroquímico porel cual se puede cubrir un metal con otro.

Se denomina galvanización pues este proceso se desarrolló a

partir del trabajo de Luigi Galvani , quien descubrió en susexperimentos que si se pone en contacto un metal con una

pata cercenada de una rana, ésta se contrae como si

estuviese viva; posteriormente se dio cuenta de que cada

metal presentaba un grado diferente de reacción en la pata

de rana, lo que implica que cada metal tiene una carga

eléctrica diferente.

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Más tarde ordenó los metales según su carga y descubrió quepuede recubrirse un metal con otro, aprovechando esta

cualidad (siempre depositando un metal de carga mayor

sobre otro de carga menor).

De su descubrimiento se desarrolló más tarde el galvanizado,

la galvanotecnia, y luego la galvanoplastia.

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