02 -Propiedades

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INGENIERIA ELECTROMECANICA MECANICA DE LOS FLUIDOS 2014

CAPITULO 1 - Introducción Continuacion CAPITULO 2 Propiedades Página 1

Clasificación de los flujos de fluidos

Viscosos – No viscosos

Dos capas de fluido que se mueven en relación una con otra, se

generan fuerzas de fricción entre ellas -Esta resistencia interna al

flujo - propiedad VISCOSIDAD (μ)

FLUJO VISCOSO : efectos viscosos son significativos

FLUJO NO VISCOSO: esfuerzos viscosos son pequeños(despreciables) comparados esfuerzos de presión ó de inercia


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Interno – Externo

Flujo interno: el fluido limitado por unasuperficie sólida, por ejemplo tubería,

ducto ó canal (flujo a canal abierto).

Están influenciados por μ.

Flujo Externo: no está limitado y fluye sobre una placa, alambre óun cuerpo.

Efectos viscosos limitados a la región de Capa

Límite, muy cerca de la superficie sólida ó a las

regiones de estela corriente abajo.


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Incompresible - Compresible

Incompresibilidad densidad r ≈ a lo largo de todo el flujo.El volumen de todas las porciones de fluido ≈ invarianteLos flujos que no involucren grandes ∆ se llaman incompresibles (a pesar de que el fluido sea un gas).

Los flujos que involucran grandes ∆ son compresibles.En los líquidos r ≈ todos son incompresibles.Ejem:

Agua, = 210 hace que su a 1 atm cambie solo un 1%.En el aire un ∆ = 0,01 modifica en un 15 su densidad.


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Análisis de cohetes, naves espaciales, gases a alta velocidad, el

número de Mach () define la incompresibilidad ó no del flujo.

= = 346 /

= 1 sónico; 1 subsónico; 1 Supersónico; >>Hipersónico

Gases incompresibles si


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Laminar – Turbulento

Laminar: suave y ordenado, en láminas, capas no alteradas.Ejemplo: aceites a bajas velocidades - petróleo

Turbulento: caótico, se presenta a velocidades altas- fluctuaciones

de la velocidad. Rápida mezcla macroscópica entre las distintas

capas de fluido


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Forzado – No forzado (natural)

Forzado: usan medios externos para producir el flujo, ejemplo unabomba.No forzado: flujos naturales elevación del aire caliente a capassuperiores - canal

Estacionarios - No estacionario

Estacionario (o permanente): no hay cambio en las propiedadesdel fluido con el tiempo

No estacionario: lo opuesto.Transitorio: se aplica a flujos en desarrollo.


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Uniformes- No uniforme

Uniforme: No varían las propiedades con la posición.No Uniforme(o variado): lo opuesto.

Turbinas, compresores ó calderas como operan durante largos

períodos en las mismas condiciones se clasifican como equipos de

flujos estacionarios.

Campo cercano a los álabes de una turbina es No estacionario.


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Sistemas y Volumen de Control

Sistema: cantidad de materia en el espacio elegida para su estudioEntorno La masa o región externa

Frontera ( fija ó móvil).

Sistema abierto – Volumen

de Control

Sistema cerrado - masa decontrol

Sistema Aislado

Sistema Adiabático


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Dimensiones – Unidades

Una cantidad física se caracteriza mediante sus dimensiones, lasmagnitudes asociadas a las dimensiones se denominan unidades

Dimensiones básicas- primarias ó fundamentales

Masa M; Longitud L; tiempo t y temperatura T.

Dimensiones secundarias ó derivadas

Velocidad V, Energía E, volumen V .


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Sistema Internacional de unidades SI.

-Magnitudes básicas

Magnitud Dimensión Unidad Abrev

Masa M Kilogramo kg

Longitud L metro m

tiempo t segundo s

temperatura T Kelvin K


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Magnitudes derivadas

Magnitud Unidad Abrev

minuto min

hora h

Pascal Pa

bares ba

Energía /Trabajo/ calor Joule J

Potencia /Flujo de energía / calor Watt W

tiempo

presión


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Sistema de Unidades Inglesas

Masa: libra masa lbm = 0,45359 kg

Longitud: pie ft = 0,3048 mFuerza = m.a Sistema Internacional - Newton 1 N = 1 kg . 1 m/s

2

Sistema Inglés - Libra fuerza 1 lbf = 32,174 lbm. 1 ft/s2

Peso considerar g = 9,807 m/s2 = 32,174 ft/s2

Otra unidad frecuente es el kilogramo fuerza kg = kgf = 9,807 N

Para el Trabajo (Energía)

Sistema Internacional Joule 1 J = 1N. 1m 1 cal=4,1868 J

Sistema Ingles BTU = 1,0551 kJ


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2.- Propiedades

Propiedades Intensivas y Extensivas

Intensivas: independientes de la masa. Ejemplo temperatura,

presión.

Extensivas: dependen de su tamaño ó extensión, masa total,

volumen, cantidad de movimiento.Propiedades Específicas: propiedades extensivas por unidad de

masa, ejemplo

Volumen específico, v =V /m

Energía específica, e = E/m


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Densidad y Gravedad Específica

Densidad: =

Dimensiones

= Unidades

ó

En general la densidad depende de la presión y la temperatura:

= − + , : coeficientes de compresibilidad

isotérmico e isobárico.

Líquidos: = ()()


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Gases ideales: = Gases no ideales: =

Relación entre la densidad y la presión en un proceso de expansióno compresión depende de la naturaleza del proceso:

Proceso isotérmico ( = ): =

Proceso isoentrópico ( = ): =

: 998 kg/m3 a 1 atm hasta 1003 kg/m3 a 100 atm. (T = 20 C)

Volumen específico: = Volumen por unidad de Masa


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Peso específico = . Peso por unidad de Volumen

Gravedad específica (GE ó SG) - Densidad relativa:Relación entre ladensidad del fluido y la a 4 C ( r = 1000 /)

GE =

°

En el SI el valor numérico de GE = a su densidad.

Ejemplo GEHg = 13,6 ( a 0 C) r = 13,6 g/cm3=13,6 kg/L=13600

kg/m3


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Presión de vapor - Cavitación

Presión de equilibrio que se alcanza sobre un líquido cuando estees colocado en un recipiente cerrado e inicialmente al vacío.

La presión de vapor () y aumenta con ella.Presión a la cual está sometido un líquido = Presión de vapor Se

produce la ebullición del líquido Cavitación – Fenómeno a tener

en cuenta en el diseño de bombas y turbinas.

Coeficiente de compresibilidadEl volumen ó la densidad de un fluido es (, ). Expansión cuando aumenta T ó se despresuriza y se contrae

cuando se enfrían ó presurizan. Cantidad de cambio de volumen es

distinta para cada fluido.


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Existen dos propiedades Módulo de elasticidad de volumen () y el

coeficiente de expansión volumétrica ()

Compresibilidad, Módulo de compresibilidad (óE

v ):

≅ − ⁄ =

⁄ [Pa] a T= cte

Agua (20C): = 21000 atm = 2.127 GPa Aire: ≈ P = 1atm

Compresibilidad isotérmica =

Coeficiente de expansión volumétrica () ≅ ∆ ⁄∆ =∆ ⁄

∆ [1/K] a P = cte


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Viscosidad

La resistencia que ofrece un fluido para deformarse depende de la

velocidad de deformación U y de una propiedad del fluido llamada

viscosidad μ.


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Placa inferior fija-Condición de No deslizamiento-Flujo Laminar

estacionario, la velocidad varía entre 0 y U linealmente.

∝


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Como constante de proporcionalidad se introduce la viscosidaddinámica μ:

= μ

Esfuerzo de corte: = =

/ es la velocidad angular de deformación o variación temporaldel ángulo (velocidad angular de ab): = ̇ =

Elemento diferencial:

= Ley de viscosidad de Newton


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= (, ) : VISCOSIDAD DINÁMICA

Unidad de la viscosidad en el SI es el Pascal segundo [Pa·s]

= τdudy

= [] = = . =

. =

1Poiseuille = 10 Poise = 100 centipoise


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Relación funcional entre μ y

(velocidad de deformación)

Fluidos NEWTONIANOS: μ es independiente de

relación lineal

entre el esfuerzo aplicado y la velocidad de deformación

Fluidos NO NEWTONIANOS: la viscosidad dinámica no es

independiente de la velocidad de deformación


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Viscosidad cinemática =

[

]


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Dependencia de la viscosidad con la temperatura: La resistencia a

la deformación depende de: -cohesión molecular (predominante

en líquidos) que disminuye con la temperatura. -rapidez de

transferencia de cantidad de movimiento que aumenta con la

temperatura (predominante en gases)


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Tensión superficial- Capilaridad

Propiedad de los fluidos [F/L] que resulta de las fuerzas de

atracción molecular y aparece por lo tanto solo en la interfaz entre

dos elementos con diferentes densidades (sólido-líquido; líquido-

gas, etc.)Capilaridad.


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Campo de velocidades, perfil de velocidadesEl campo de velocidades es la representación vectorial de la

velocidad de una partícula fluida genérica del flujo. En general el

campo de velocidades dependerá, además de la posición (,,),del tiempo ().Es un campo vectorial se puede escribir en términos de tres

componentes escalares ,,

= (,, ,) = (,, ,) + (,, ,) + (,, ,) Un flujo se puede clasificar en uni-, bi-y tridimensional

dependiendo del número de coordenadas espaciales (,,) requeridas para especificar el campo de velocidades.

El perfil de velocidades es la representación del campo develocidades en una superficie normal al flujo sobre todo el sistema.


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Flujo uniforme perfil de velocidades es constante en una superficie

normal al flujo.


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Campo de tensiones o esfuerzos

Fuerzas:

Volumen fuerzas gravitacionales (Peso).

Superficiales actúan en los bordes de contacto entre dos

superficies.

Esfuerzos:

Fuerzas por unidad de superficie (Fuerzas superficiales).

Se transmiten a través del medio.



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Fluidos ideales y fluidos viscosos

Fluidos ideales (

μ = 0) Flujos en los cuales los efectos de la

viscosidad son despreciables. -No existirán esfuerzos de corte (ley

de viscosidad de Newton). -Esfuerzos normales persisten. -Las

partículas fluidas no se deforman.

Fluidos viscosos -Efectos de la viscosidad no son despreciables. -

Existirán esfuerzos de corte. -Deformación de las partículas fluidas



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Descripción y clasificación

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