Mecánica de Fluidos

1. Mecánicade Fluidos

2. ¿A qué le llamaremos fluido? Reciben el nombre de fluidos aquellos cuerpos que tienen la propiedad de adaptarse a la forma del recipiente que los contiene. A esta propiedad se le da el nombre de fluidez.

3. Mecánica de fluidos

4. OBJETIVOS

5. ¿QUE SE DEBE ENTENDER POR “OBJETO” O “CUERPO”?

6. Mecánica de Fluidos La Mecánica de los Fluidos es la ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo o en movimiento y la interacción de estos con sólidos o con otros fluidos en las fronteras.

7. Mecánica de Fluidos Es una parte de una disciplina más amplia llamada mecánica de medios continuos, que incluye también el estudio de sólidos sometidos a esfuerzos.

8. El conocimiento de los fluidos es esencial, no solamente para tratar con exactitud los problemas de movimiento de fluidos a través de tuberías, bombas y otros tipos de aparatos, sino también para el estudio del flujo de calor y de muchas operaciones de separación que dependen de la difusión y la transferencia de materia.

9. Caracterización de Fluidos • Un fluido puede ser caracterizado de diferentes maneras: • Espaciamiento molecular • Actividad molecular • En un fluido el espaciamiento entre moléculas es mayor que en un sólido, como también es mayor el rango de movimiento de las moléculas.

10. FLUIDO La materia ordinaria se presenta en alguno de los tres estados siguientes: sólido, líquido o gaseoso. Existe un cuarto estado de la materia denominado plasma que es esencialmente un gas ionizado con igual número de cargas positivas que negativas. Un sólido cristalino es aquél que tiene una estructura periódica y ordenada, como consecuencia, tiene una forma que no cambia, salvo por la acción de fuerzas externas

11. FLUIDO En el estado gaseoso, las moléculas están en continuo movimiento y la interacción entre ellas es muy débil. Las interacciones tienen lugar, cuando las moléculas chocan entre sí. Un gas se adapta al recipiente que lo contiene pero trata de ocupar todo el espacio disponible. En este capítulo, se estudiarán los denominados fluidos ideales o perfectos, aquellos que se pueden desplazar sin que presenten resistencia alguna.

12. Hidrostática: estudia los fluidos en reposo Hidrodinámica: estudia los fluidos en movimiento

13. Diferencias entres líquidos y gases

14. DISPOSICION DE LAS MOLECULAS

15. Masa y Peso

16. Sistema Internacional de Unidades

17. Diferencias entres líquidos y gases

20. Propiedades de los fluidos • Estabilidad • Turbulencia • Densidad • Gravedad especifica • Peso específico • Densidad relativa • Viscosidad • Tensión Superficial: Capilaridad • Presión Elaboró: Yovany Londoño

21. ESTABILIDAD Se dice que el flujo es estable cuando sus partículas siguen una trayectoria uniforme, es decir, nunca se cruzan entre si. La velocidad en cualquier punto se mantiene constante en el tiempo.

22. TURBULENCIA Debido a la rapidez en el que se desplaza las moléculas el fluido se vuelve turbulento. Un flujo irregular caracterizado por pequeñas regiones similares a torbellinos.

23. DENSIDAD r = m / v • Describe como están unidas los átomos que componen el fluido. Es decir, el grado de compactación que existe internamente. • La 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/m3, también se utiliza frecuentemente la unidad g/cm3

24. Densidades de algunas substancias (kg/m3)

25. Fluido Densidad (kg/m3) Núcleo del Sol 1.6 x 105 Mercurio líquido 13.6 x 103 Núcleo de la Tierra 9.5 x 103 Glicerina 1.26 x 103 Agua 1.00 x 103 Un buen aceite de oliva 0.92 x 103 Alcohol etílico 0.79 x 103 Aire a nivel del mar 1.29 Densidad La densidad media, r, se define como: La relación entre la densidad de cualquier líquido y la densidad del agua se llama gravedad específica.

26. GRAVEDAD ESPECÍFICA Indica la densidad de un fluido respecto la densidad del agua a temperatura estándar. La gravedad específica es adimensional, no tiene unidades debido a que resulta del cociente entre dos unidades de igual magnitud.

27. PESO ESPECÍFICO.

28. Ejercicios • Imagine que compra una pieza rectangular de metal de 5,0 mm  15,0 mm  30,0 mm y masa de 0,0158 kg . El vendedor le dice que es de oro. Para verificarlo, usted calcula la densidad media de la pieza. ¿Qué valor obtiene? ¿Fue una estafa? • Solución: • Comparando con la tabla de densidades, no es oro. En un trabajo de medio tiempo, un supervisor le pide traer del almacén una varilla cilíndrica de acero de 85,78 cm de longitud y 2,85 cm de diámetro. ¿Necesitará usted un carrito? (Para contestar calcule el peso de la varilla) Densidad del acero = 7,8103 kg/m3. Solución: No necesita un carrito.

29. VISCOSIDAD En general la viscosidad es una propiedad de los fluidos que se refiere al grado de fricción interna. Se asocia con la resistencia que presentan dos capas adyacentes moviéndose dentro del fluido. Debido a la viscosidad parte de la energía cinética del fluido se convierte en energía interna.

30. Tensión superficial Numerosas observaciones sugieren que la superficie actúa como una membrana estirada bajo tensión. Esta fuerza, que actúa paralela a la superficie, proviene de las fuerzas atractivas entre las moléculas. Este efecto se llama tensión superficial . Se define a la fuerza como: F =  L Donde L es la longitud de la superficie a través de la cual actúa la fuerza y  es el coeficiente de tensión superficial, que depende fuertemente de la temperatura y de la composición del líquido

31. Algunos valores

32. Algunos ejemplos

33. CAPILARIDAD • Esta propiedad le permite a un fluido, avanzar a través de un canal delgado, siempre y cuando, las paredes de este canal estén lo suficientemente cerca.

34. Capilaridad El agua moja el recipiente de vidrio debido a que sus moléculas son atraídas con mayor intensidad por las moléculas de vidrio (fuerzas de adhesión) que por las moléculas de agua (fuerzas de cohesión) . El caso contrario ocurre con el mercurio: las fuerzas de cohesión son mayores que las de adhesión.

35. Capilaridad • El ángulo que la tangente a la superficie del líquido forma con la superficie sólida se llama ángulo de contactoy depende tanto de las fuerzas de cohesión como de las de adhesión. Se puede demostrar que cuando el ángulo de contacto es menor que 90º, el líquido moja el sólido. Si  es mayor que 90º el líquido no moja el sólido.

36. Presión La presión se define como la fuerza por unidad de área, que actúa perpendicularmente a una superficie: Bajo la influencia de la gravedad, la presión varía como función de la profundidad. Suponga una pequeña área DA en un punto r, y calculemos el límite cuando DA 0. Representamos con DF la fuerza perpendicular a esta área, tenemos DF DA r

37. PRESIÓN DE UN FLUÍDO • 1 Pa =1 N/m2 • Otras unidades de presión: • 1 atm = 1,013 x 105 Pa • 1 atm = 760 torr • 1 mm de Hg = 1 torr • 1 libra /pulgada2 (psi) = 6,90 x 103 Pa • 1 bar = 105 Pa Se define presión como el cociente entre la componente normal de la fuerza sobre una superficie y el área de dicha superficie. La unidad de medida recibe el nombre de Pascal (Pa).

38. PRESIÓN DE UN FLUÍDO La fuerza que ejerce un fluido en equilibrio sobre un cuerpo sumergido en cualquier punto es perpendicular a la superficie del cuerpo. La presión es una magnitud escalar y es una característica del punto del fluido en equilibrio, que dependerá únicamente de sus coordenadas.

39. Presión solo del liquido (hidrostática) presión absoluta o total Presión atmosférica Presión en un fluido • Un líquido en reposo con densidad uniforme y ubicado en una región con g constante. • Si determinamos el peso de la columna de fluido mostrada en la figura, • Si se toma en cuenta que la presión x área es igual a la fuerza, • P=P0+ g h

40. 1 2 3 4 Presión absoluta y manométrica • Todos los puntos a una misma profundidad y mismo liquido se encuentran a la misma presión, sin importar la forma del recipiente: • p1= p2 = p3 = p4 • La presión manométrica, es el exceso de presión más allá de la presión atmosférica. • La presión que se mide con relación con el vacío perfecto se conoce con el nombre de presión absoluta. • Pabsoluta = patmosférica + pmanométrica • Vasos comunicantes • La presión en la parte superior de cada columna de fluido es igual a p0 (presión atmosférica). • La presión sólo depende de la altura, pero no de la forma del recipiente.

41. Presión atmosférica Es la presión debida al peso de la atmósfera. Se ejerce sobre todos los cuerpos inmersos en ella. Varía con la altura y con las condiciones climáticas. En condiciones normales, su valor es de 1 atm

42. INSTRUMENTOS DE MEDICCION DE LA PRESION Para medir presión: barómetro manómetro tubo de Pitot ,utilizado para determinar la velocidad

43. Ejemplo El colchón de una cama de agua mide 2.00 m de largo, 2.00m de ancho y 30 cm de profundidad. a) Encuentre el peso del agua en el colchón. b) Encuentre la presión sobre el piso. M = rV = (1.0 x 103)(2 x 2 x 0.3) = = 1.2 x 103 kg. W = Mg = (1.2 x 103)(9.8) = 1.18 x 104 N P = F/A = 1.18 x 104 /(2 x 2) = 2.95 kPa 1 Pa = 1 N/m2 2.00 m 30 cm 2.00 m

44. Variación de la presión en un fluido en reposo Un cilindro delgado imaginario de fluido se aísla para indicar las fuerzas que actúan sobre él, manteniéndolo en equilibrio Fhacia arriba = (p + Dp)A Fhacia abajo = pA + (Dm)g = pA + r (ADy)g Igualando pA + DpA = pA + r (ADy)g

45. Es fácil llegar a: O sea: p = p0 + rgy • La presión es independiente de la posición horizontal • Principio de Pascal: el mismo cambio de presión aplicada a cualquier punto en un fluido en reposo, se transmite a cada una de sus partes.

46. Ecuación de la hidrostática El fluido está en reposo: FR = 0 F’- F - mg = 0 Pero: mg = dgV Es decir, mg= dgAdy Además: F’ = p’A y F = pA Entonces: P’ – p – dgdy = 0 Es decir: p’ = p+dgdy

47. Para un líquido en un recipiente abierto a la atmósfera p = Po + dgh Siendo h la profundidad del punto en el líquido, g = 9.8 m/s2 , d la densidad del líquido y Po la presión atmosférica

48. Presión atmosférica • Es la presión debida al peso de la atmósfera • Se ejerce sobre todos los cuerpos inmersos en ella • Varía con la altura y con las condiciones climáticas • En condiciones normales, su valor es de 1 atm

49. Medición de la presión El primero en medir la presión atmosférica fue Evangelista Torricelli, el año 1643.

50. Medición de la presión: manómetros De tubo en U De Bourdon