Dinámica de los fluidos.

Fluido ideal:

Se llama fluido ideal, a un fluido de viscosidad nula, incompresible y deformable

cuando es sometido a tensiones cortantes por muy pequeñas que éstas sean.

Los fluidos ideales son aquellos en los que no existen esfuerzos cortantes,

incluso cuando están en movimiento, de modo que las fuerzas superficiales sobre

un elemento de fluido son debidas exclusivamente a la presión. Por definición, los

fluidos no soportan esfuerzos cortantes cuando están en equilibrio; pero todos los

fluidos poseen cierta viscosidad, que introduce esfuerzos cortantes entre las capas

fluidas adyacentes en movimiento relativo. Los fluidos ideales no poseen

viscosidad.

Velocidad y Línea de Corriente.

El movimiento de un fluido real es muy complejo. Para simplificar su

descripción consideraremos el comportamiento de un fluido ideal cuyas

características son las siguientes:

1.-Fluido no viscoso. Se desprecia la fricción interna entre las distintas partes del

fluido

2.-Flujo estacionario. La velocidad del fluido en un punto es constante con el

tiempo

3.-Fluido incompresible. La densidad del fluido permanece constante con el

tiempo

4.-Flujo irrotacional. No presenta torbellinos, es decir, no hay momento angular

del fluido respecto de cualquier punto.

Línea de corriente:

Es una línea imaginaria, tangente en cada punto a la vector velocidad de la

partícula que en un instante determinado pasa por dicho punto. Las líneas de

corriente son las envolventes de la velocidad de todas las partículas en un

determinado instante, por lo que varían en general con el tiempo. Las líneas de

corriente no pueden cortarse (excepto en puntos singulares como fuentes o

sumideros), pues entonces una misma partícula pertenecería a la vez a ambas y

tendría dos direcciones simultáneas de movimiento.

Se calculan resolviendo el sistema de ecuaciones diferenciales, expresado en

forma continua:

Su integración, para un instante determinado, proporciona dos familias de

superficies de cuya intersección resultan las líneas de corriente correspondientes

al instante considerado. Por tanto, son curvas que cambian de forma con el

tiempo.

Tubo de corriente o superficie de corriente:

Tubo real o imaginario cuyas paredes son líneas de corriente. En los flujos en

tuberías el tubo de corriente puede ser uno de los tubos reales que la componen.

Flujo Estacionario:

Consideremos el flujo de un fluido ideal en régimen estacionario. Entonces será

y la ecuación de Euler se reduce a:

Integraremos esta ecuación diferencial a lo largo de una línea de corriente.

Para ello, multiplicaremos escalarmente todos sus términos por el desplazamiento

elemental dr a lo largo de una línea de corriente.

Para un fluido incompresible (ρ=cte) tendremos

Si, además, la fuerza másica conservativa es debida exclusivamente al propio

peso del fluido (en un campo gravitatorio uniforme), podemos escribir la ecuación

anterior en la forma

Conocida como ecuación de Bernoulli para un flujo estacionario, no viscoso e

incompresible. Fue presentada por primera vez por Daniel Bernoulli en su

Hydrodynamica en 1738.

Aplicación de la ecuación de Bernoulli

La ecuación de Bernoulli desarrollada anteriormente es aplicable entre dos

puntos de una línea de corriente cualquiera en un flujo estacionario, no viscoso e

incompresible. Pero si, además, el flujo es irrotacional, podemos demostrar que la

ecuación de Bernoulli es aplicable entre dos puntos cualesquiera del flujo.

Consideremos un flujo ideal en régimen de flujo estacionario e irrotacional;

entonces serán de modo que la ecuación de Euler se reduce

Ahora, multiplicaremos escalarmente los tres términos de esta expresión por el

vector desplazamiento elemental dr, de dirección arbitraria

Los tres términos de esta expresión son de la son de la forma general

donde la diferencial representa el cambio infinitesimal que

experimenta la magnitud escalar ϕ en la dirección (arbitraria) del desplazamiento

dr. Así pues obtendremos:

Esta expresión es idéntica a la expresión de la presión de un fluido

incomprensible de modo que de ella se siguen las mismas expresiones menos

pero como ahora la dirección del desplazamiento elemental dr es arbitraria, de

modo que no existen restricciones direccionales en las diferenciales de la misma,

tendremos que las fórmulas finitas son aplicables a todos los puntos del flujo, sin

estar restringidas a los puntos situados sobre una misma línea de corriente.

Ecuación de continuidad.

Es un principio de conservación de masa. La ecuación de continuidad para un

fluido incompresible, no viscoso, en régimen estacionario y con movimiento

uniforme establece que el caudal es igual al producto de la sección por la

velocidad se mantiene constante.

Por tanto, la velocidad es máxima en los estrechamientos y mínima en los

ensanchamientos.

En ausencia de manantiales y de sumideros se escribe de la forma

Introducción a la térmica.

Térmica

Es la rama de la física encargada de los fenómenos de la naturaleza

relacionada con el calor, sus efectos y transformaciones con otros tipos de

energía.

Temperatura

Es una magnitud física descriptiva de un sistema que caracteriza la

transferencia de energía térmica o calor entre ese sistema y otros. Desde un punto

de vista microscópico, es una medida de la energía cinética asociada al

movimiento aleatorio de las partículas que componen el sistema.

La sensación de calor o frío al tocar una sustancia depende de su temperatura,

de la capacidad de la sustancia para conducir el calor y de otros factores. Aunque,

si se procede con cuidado, es posible comparar las temperaturas relativas de dos

sustancias mediante el tacto, es imposible evaluar la magnitud absoluta de las

temperaturas a partir de reacciones subjetivas.

Cuando se aporta calor a una sustancia, no sólo se eleva su temperatura, con

lo que proporciona una mayor sensación de calor, sino que se producen

alteraciones en varias propiedades físicas que pueden medirse con precisión. Al

variar la temperatura, las sustancias se dilatan o se contraen, su resistencia

eléctrica cambia, y (en el caso de un gas) su presión varía. La variación de alguna

de estas propiedades suele servir como base para una escala numérica precisa de

temperaturas.

A manera de conclusión la temperatura es una propiedad física de la materia

que mide el grado de calor que un cuerpo posee.

Equilibrio Térmico

Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en equilibrio

térmico cuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro. Esta definición

requiere además que las propiedades físicas del sistema, que varían con la

temperatura, no cambien con el tiempo.

Medida de la temperatura

Una de las primeras escalas de temperatura, todavía empleada en los países

anglosajones, fue diseñada por el físico alemán Gabriel Daniel Fahrenheit. Según

esta escala, a la presión atmosférica normal, el punto de solidificación del agua (y

de fusión del hielo) es de 32 °F, y su punto de ebullición es de 212 °F. La escala

centígrada o Celsius, ideada por el astrónomo sueco Anders Celsius y utilizada en

casi todo el mundo, asigna un valor de 0 °C al punto de congelación del agua y de

100 °C a su punto de ebullición. En ciencia, la escala más empleada es la escala

absoluta o Kelvin, inventada por el matemático y físico británico William Thomson,

lord Kelvin. En esta escala, el cero absoluto, que está situado en -273,15 °C,

corresponde a 0 K, y una diferencia de un kelvin equivale a una diferencia de un

grado en la escala centígrada.

Las ecuaciones para transformar de una escala a otra son las siguientes:

T(ºF) = 1,8 T(ºC) + 32

T(K) = T(ºC) + 273,16

Estados de agregación de la materia y sus transformaciones

En la naturaleza existen tres estados usuales de la materia (además del

plasma): sólido, líquido y gaseoso. Al aplicarle calor a una sustancia (o presión),

ésta puede cambiar de un estado a otro. Los posibles cambios de estado son:

de estado sólido a líquido, llamado fusión.

de estado líquido a sólido, llamado solidificación.

de estado líquido a gaseoso, llamado evaporación o vaporización.

de estado gaseoso a líquido, llamado condensación.

de estado sólido a gaseoso, llamado sublimación progresiva.

de estado gaseoso a sólido, llamado sublimación regresiva.

El Calor común una forma de energía

Es la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre

diferentes cuerpos, en virtud de una diferencia de temperatura. El calor es energía

en tránsito; siempre fluye de una zona de mayor temperatura a una zona de menor

temperatura, con lo que eleva la temperatura de la segunda y reduce la de la

primera, siempre que el volumen de los cuerpos se mantenga constante. La

energía no fluye desde un objeto de temperatura baja a un objeto de temperatura

alta si no se realiza trabajo.

Unidades de medida del calor

Tradicionalmente, la cantidad de energía térmica intercambiada se mide en

calorías, que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de

agua para elevar su temperatura de 14.5 a 15.5 grados celsius. El múltiplo más

utilizado es la kilocaloría (kcal)

Joule, tras múltiples experimentaciones en las que el movimiento de unas

palas, impulsadas, por un juego de pesas, se movían en el interior de un recipiente

con agua, estableció el equivalente mecánico del calor, determinando el

incremento de temperatura que se producía en el fluido como consecuencia de los

rozamientos producidos por la agitación de las palas.

Montaje experimental para la determinación del equivalente mecánico del calor.

El joule (J) es la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades,

(S.I.), tal que 1 caloría equivale a 4186 Joules.

El BTU, (o unidad térmica británica) es una medida para el calor muy usada en

Estados Unidos y en muchos otros países de América. Se define como la cantidad

de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura

en un grado Fahrenheit (o la escala del Gabriel), y equivale a 252 calorías.

Calor específico

En la vida cotidiana se puede observar que, si se le entrega calor a dos

cuerpos de la misma masa y la misma temperatura inicial, la temperatura final será

distinta. Este factor que es característico de cada sistema, depende de la

naturaleza del cuerpo, se llama calor específico, denotado por c y se define como

la cantidad de calor que se le debe entregar a 1 gramo de sustancia para

aumentar su temperatura en 1 grado Celsius. Matemáticamente, la definición de

calor específico se expresa como:

Unidades: J/Kg-ºK y cal/g-ºC.

Calor específico del agua: 1 cal/g-ºC.

Transformaciones en el estado de agregación

Punto de fusión: es la temperatura a la cual el estado sólido y el estado

líquido de una sustancia, coexisten en equilibrio térmico, a una presión de 1

atmósfera. Por lo tanto, el punto de fusión no es el pasaje sino el punto de

equilibrio entre los estados sólido y líquido de una sustancia dada. Al pasaje

se lo conoce como derretimiento. Al proceso inverso se denomina punto de

congelación.

Punto de ebullición: es la temperatura que debe alcanzar éste para pasar

del estado líquido al estado gaseoso. Al proceso inverso se denomina punto

de condensación.

Calor latente de fusión (Lf): cantidad de calor necesaria para fundir cierta

cantidad de material sólido (o solidificarla si está en estado líquido), pero sin

que haya un cambio significativo en su temperatura. Unidades. Cal/g;

joules/Kg.

Calor latente de ebullición (Le): cantidad de calor necesario para

evaporar cierta cantidad de material en estado líquido (o condensar si está

en estado gaseoso), pero sin que haya un cambio significativo en su

temperatura. Unidades. Cal/g; joules/Kg.

Propagación del calor

El calor se puede transmitir por el medio de tres formas distintas:

1. Conducción térmica.

2. Convección térmica.

3. Radiación térmica.

Conducción: es el proceso que se produce por contacto térmico entre dos

cuerpos, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos

que están a diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al

equilibrio térmico. La conducción pura se presenta sólo en materiales sólidos.

Ejemplo: cuchara metálica en la taza de té.

Convección: sólo se produce en fluidos (líquidos o gases), ya que implica

movimiento de volúmenes de fluido de regiones que están a una temperatura, a

regiones que están a otra temperatura. El transporte de calor está

inseparablemente ligado al movimiento del propio medio. La convección siempre

está acompañada de la conducción, debido al contacto directo entre partículas de

distinta temperatura en un líquido o gas en movimiento. Ejemplo: los calefactores

dentro de la casa.

Radiación: es el proceso por el cual se transmite a través de ondas

electromagnéticas. Implica doble transformación de la energía para llegar al

cuerpo al que se va a propagar: primero de energía térmica a radiante y luego

viceversa. Ejemplo: La energía solar.

Conducción de calor

La transferencia o conducción de calor, en física, es un proceso por el que se

intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes

partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura.

En el caso de la conducción, la temperatura de calentamiento depende del tipo

de material, de la sección del cuerpo y del largo del cuerpo. Esto explica porqué

algunos cuerpos se calientan más rápido que otros a pesar de tener exactamente

la misma forma, y que se les entregue la misma cantidad de calor. La

conductividad térmica de un cuerpo está dado por:

Donde:

Q es el calor entregado, Δt es el intervalo de tiempo durante el cual se entrego calor, A es la sección del cuerpo, L es el largo, y ΔT es el incremento en la temperatura.

Dilatación Térmica:

Se denomina dilatación al cambio de longitud, volumen o alguna otra dimensión

métrica que sufre un cuerpo físico debido al cambio de temperatura que se

provoca en ella por cualquier medio. Cuando se da calor a un sólido se está dando

energía a sus moléculas; éstas, estimuladas, vibran más enérgicamente. Es cierto

que no varían de volumen; pero se labran un espacio más grande para su mayor

oscilación, de manera que al aumentar la distancia entre molécula y molécula el

sólido concluye por dilatarse. La fuerza que se ejerce en estos casos es enorme.

Dilatación lineal: Lf = Lo (1 + α (Tf – To))

Dilatación superficial: Sf = So (1 + 2α (Tf – To))

Dilatación volumétrica: Vf = Vo (1 + 3α (Tf – To))

Líquidos y gases:

Dilatación volumétrica: Vf = Vo (1 + β (Tf – To))

Donde:

α = coeficiente de dilatación lineal [1/C°]

β = coeficiente de dilatación volumétrico (3α) [1/C°]

Lo = Longitud inicial del cuerpo.

Lf = Longitud final del cuerpo.

So = Superficie inicial del cuerpo.

Sf = Superficie final del cuerpo.

Vo = Volumen inicial del cuerpo.

Vf = Volumen final del cuerpo.

To = Temperatura inicial del cuerpo.

Tf = Temperatura final del cuerpo.

Descripción macroscópica y microscópica

El estudio macroscópico o microscópico de un sistema puede hacerse desde

sus aspectos internos, es decir, se puede dirigir el estudio hacia el interior del

sistema, como su energía interna, la presión interna de un gas, la vaporización,

etc. Las magnitudes internas se miden con las coordenadas termodinámicas. Sus

relaciones constituyen la termodinámica.

Descripción o nivel macroscópico

Normalmente todos los objetos visibles a simple vista son a todos los efectos

macroscópicos, en oposición a los objetos microscópicos y los fenómenos

microscópicos, no visibles a simple vista y donde la mecánica cuántica puede

desempeñar un papel importante, en su descripción.

En física, el nivel macroscópico es el nivel de descripción en que la posición o

estado físico concreto de las partículas que integran un cuerpo puede ser

resumido en una ecuación de estado que sólo incluye magnitudes extensivas

(volumen, longitud, masa) y magnitudes intensivas promedio (presión,

temperatura).

La termodinámica (rama de la física), estudia los efectos de los cambios de

magnitudes de los sistemas a un nivel macroscópico.

Macroscópicamente, esta energía cinética promedio de las partículas de un

sistema es lo que en la Termodinámica se llama energía interna, que es una

energía que depende casi exclusivamente de la temperatura del sistema y es la

suma de:

la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas

de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del

sistema, y de

la energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las

interacciones entre estas individualidades

En el plano macroscópico, el incremento de la temperatura produce diversos

efectos perceptibles o mensurables, como un aumento del volumen del cuerpo, la

disminución de la densidad, el cambio de estado o la modificación del color (por

ejemplo, enrojecimiento

Descripción o nivel microscópico

En la Física, al hablar del nivel microscópico se alude a redes cristalinas,

moléculas, átomos e incluso partículas subatómicas (electrones, protones, etc.).

En general, la descripción del nivel microscópico requiere el uso de las ecuaciones

y reglas de la mecánica cuántica.

Desde un punto de vista microscópico, la temperatura se considera una

representación de la energía cinética interna media de las moléculas que integran

el cuerpo considerado sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de

vibraciones. A medida que es mayor la energía un sistema se observa que esta

más "caliente" es decir, que su temperatura es mayor.

Conclusión

El estudio de la Dinámica de los fluidos es un tema que proporciona las bases

de la hidrodinámica, que se refiere al movimiento de los líquidos, como el agua, y

de la aerodinámica, que concierne al movimiento de los gases, como el aire, y de

cuerpos tales como aviones y cohetes.

La dinámica de los fluidos reales es un tema matemática y físicamente muy

complejo; por ello resulta conveniente introducir ciertas hipótesis simplificativas.

Los fluidos ideales son aquéllos en los que no existen esfuerzos cortantes,

incluso cuando están en movimiento, de modo que las fuerzas superficiales sobre

un elemento de fluido son debidas exclusivamente a la presión.

Por definición, los fluidos no soportan esfuerzos cortantes cuando están en

equilibrio; pero todos los fluidos poseen cierta viscosidad, que introduce esfuerzos

cortantes entre las capas fluidas adyacentes en movimiento relativo. Los fluidos

ideales no poseen viscosidad. Evidentemente, no encontraremos fluidos ideales

en la naturaleza; el fluido ideal no es más que una hipótesis de trabajo

simplificadora. En muchos fluidos la viscosidad es muy pequeña como el agua y el

aire, de modo que el análisis restringido de la dinámica de los fluidos a los fluidos

ideales tendrá una amplia aplicación práctica; si acaso, tras introducir las

correcciones empíricas apropiadas.

Por otro lado la física térmica se basa en el estudio de los fluidos en reposo y

en movimiento, las leyes que rigen el comportamiento del calor y la temperatura,

nos ayuda a entender el calentamiento global, la forma cómo obtenemos calor del

sol o por qué se mueve el agua de los océanos.

Introducción

La mecánica de fluidos es una rama de la mecánica racional que estudia el

comportamiento de los mismos tanto en reposo (estática de fluidos), como en

movimiento (dinámica de fluidos).

La dinámica de los fluidos establece las leyes o ecuaciones que determinan el

movimiento de un fluido, éste queda determinado cuando se conoce en cada

punto del mismo, y en cada instante del movimiento, la velocidad de cada una de

las partículas que lo constituyen. El campo de velocidades, en general, depende

de la posición y del tiempo.

Para estudiar la física térmica, es necesario saber sobre la temperatura de las

cosas. Para medir temperatura se usan tres escalas: Fahrenheit, centígrado (o

Celsius), y Kelvin. En la ciencia, la gama de temperaturas varía bastante desde

millones de grados en el centro de las estrellas, hasta cientos de grados bajo de

cero en las lunas heladas.

También es necesario saber cuánto calor está almacenando un objeto. El calor

puede ir de un objeto a otro. Este flujo del calor puede derretir el hielo o generar

los cambios en nuestra atmósfera que originan tempestades y truenos.

A continuación se estará desarrollando estos temas con mayor amplitud para

su mejor comprensión y conocimiento.

Bibliografía

Física universitaria. Dinámica de los fluidos ideales.

www.buenastareas.com

www.monografias.com

Índice

Introducción…………………………………………………………………...1

Dinámica de los fluidos………………………………………………………2-6

Introducción a la térmica……………………………………………………..6-16

Conclusión………………………………………………………………........17

Bibliografía…………………………………………………………………….18

República Bolivariana de Venezuela.

Ministerio Del Poder Popular Para La Defensa.

Universidad Nacional Experimental Politécnica De Las Fuerzas Armadas

UNEFA.

Núcleo Anzoátegui – Extensión Puerto Píritu.

Ambiente Valle Guanape.

Profesora: Bachilleres:

Marlene Rebolledo Chirinos Teresa

Guaraco Rafael

Tiapa Carlos

Uriepero Yetsybel

Ing.III Semestre Sección “01”

Física II

Valle Guanape 09 de Abril de 2014