2.-Introducción_EIC 322.pptx

8/16/2019 2.-Introducción_EIC 322.pptx

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FACULTAD DE INGENIERIA Escuela de Ingeniería Civil

Prof. CARLOS ARDISSONI

MECÁNICA DE FLUIDOS-EIC 322

Facultad de Inen!er"a

E#cuela de Inen!er"a C!$!l

Un!$er#!dad de %al&ara"#o

Pr!'er #e'e#tre 2()*


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IN+RODUCCIONCAPI+ULO )

Def!n!c!,n de flu!do#

Pro&!edade# de lo# flu!do#

Le de $!#co#!dad de Neton

S!#te'a# de un!dade#

Otra# &ro&!edade# de lo# flu!do#

Fuer/a# !nterna# #o0re flu!do#

+en#!,n #u&erf!c!al

Ecuac!one# de E#tado

FACULTAD DE INGENIERIA Escuela de Ingeniería Civil


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Mec1n!ca de flu!do# se define como la parte de la Física que seocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, asícomo de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizanfluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan

diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil eindustrial, la meteorología y la oceanografía.

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LA MECANICA DE FLUIDOS

CAPI+ULO ) - IN+RODUCCIONPROF. IN. CARLOS ARDISSONI

MENÚ PRINCIPAL

Un Flu!do es una sustancia que se deforma continuamente cuandose somete a un esfuerzo constante, sin importar cuán pequeo seaese esfuerzo. !e a"í se desprende que el t#rmino incluye Líquidos y$ases. La distinción no es ta%ante, puesto que, dependiendo de la presión y temperatura, el fluido puede manifestarse en una u otraforma.


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La &ecánica de Fluidos puede su'dividirse en dos campos principales,la !dro#t1t!ca (se ocupa de fluidos en reposo), y la D!n1'!ca deFlu!do# (que trata de fluidos en movimiento). La C!ne'1t!ca, por su

parte, estudia el movimiento sin que intervenga la noción de fuerzas.

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CAMPOS DE LA MECANICA DE FLUIDOS

MENÚ PRINCIPAL

La !drod!n1'!ca se aplica al flu%o de líquidos o al flu%o de los gases a 'a%a velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente

incompresi'le. La Aerod!n1'!ca (dinámica de gases) se ocupa delcomportamiento de los gases cuando los cam'ios de velocidad y presiónson suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos decompresi'ilidad.



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Las partículas que componen un líquido no están rígidamentead"eridas entre sí, pero están más unidas que las de un gas. +uesto queun fluido en reposo no puede soportar fuerza tangencial (propiedadque le permite cam'iar su forma o fluir) presenta su forma igual al

recipiente que lo contiene.

n particular, si se presenta en forma líquida, entonces presentará unvolumen constante definido por la forma y volumen del recipiente.

Las propiedades de los fluidos no son continuas en el espacio y paraesta'lecer relaciones matemáticas, es necesario considerar la estructuramolecular original por un 'ed!o 4!&ot5t!co cont!nuo.

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PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

MENÚ PRINCIPALCAPI+ULO ) - IN+RODUCCIONPROF. IN. CARLOS ARDISSONI


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n contraste, un gas no tiene límite natural, y se epande en el airedisminuyendo su densidad. / veces resulta difícil distinguir entre sólidosy fluidos, porque los sólidos pueden fluir muy lentamente cuando estánsometidos a presión, como ocurre, por e%emplo, en los glaciares.

s necesario esta'lecer un paralelo entre la Mec1n!ca de S,l!do# y laMec1n!ca de Flu!do#. Los sólidos presentan una deformación proporcional a la fuerza aplicada, de acuerdo a la Le de oo6e.

+ara deformaciones de corte0


MENÚ PRINCIPAL

γ

∆x

L

F


L

x E ∆

=τ

γ τ G=


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Los fluidos, en cam'io, presentan una relación proporcional entre elesfuerzo cortante y el gradiente de velocidad para el flu%o unidimensionalde un fluido. La constante de proporcionalidad es llamada viscosidad (µ).

n l"7u!do#, la viscosidad dinámica disminuye con el aumento detemperatura, de'ido a que se genera un aumento en la distancia entre partículas. n a#e#, la viscosidad dinámica es proporcional a latemperatura, de'ido al aumento en la actividad molecular.

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LE8 DE %ISCOSIDAD DE NE9+ON


dy

du

A

Fµ==τ


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Fluido Neton!ano es aquel que presenta una relación lineal entre lamagnitud de la fuerza aplicada y la deformación resultante (µ esconstante), para una temperatura constante. %0 /gua, solucionessimples, aire y otros gases.

Fluido No-Neton!ano es aquel que no presenta una relación linealentre la magnitud de la fuerza y la deformación (µ es función delesfuerzo). %0 idrocar'uros de cadena larga, lodos, sangre ysuspensiones.

Fluido Pl1#t!co Ideal es aquel que tiene un esfuerzo de cedenciadefinido a partir del cual se define una relación lineal de esfuerzo

deformación angular. %0 +asta de diente.

Fluido +!:otr,&!co es aquel que tiene una viscosidad que depende de ladeformación angular y tiende a asentarse en reposo. %0 4inta deimpresión.

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CARAC+ERI;ACI


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Para efectos de laIngeniería Hidráulica,tiene especialimportancia ladeterminación de laspropiedades del agua. Este elemento presentaun comportamientoNewtoniano.

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AGUA

DIARAMA REOL


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7e utiliza en muc"os países el S!#te'a Internac!onal deUn!dade# =SI>? que adopta las siguientes unidades 'ásicas a

partir de las que se derivan todas las cantidades eistentes enlas ciencias eactas.

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CAN!"A" N#$%&E '!$%#L#

Lon(itud $etro m$asa )ilo(ramo *(

iempo 'e(undo s

Corriente el+ctrica Ampere A emperatura termodinmica )el-in ) Cantidad de sustancia $ol $ol!ntensidad luminosa candela Cd

SIS+EMA IN+ERNACIONAL DE UNIDADES



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isten además otros sistemas de unidades ampliamenteutilizados en el mundo, como por e%emplo, los sistemasUSC y U.S. Incon#!#tente, utilizados en stados Unidos, oel S!#te'a M5tr!co (m:s y cgs), conocido tam'i#n comoS!#te'a +5cn!co en ;"ile.

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'!'E$A $A'A L#NG!U" !E$P# FUE&A'! *( m s NU'C slu( ft s l/

U.'. inconsistente l/m ft s l/$+trico, c(s ( cm s dina$+trico, m*s *( m s *(f

O+ROS SIS+EMAS DE MEDICION



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%ISCOSIDAD DINÁMICA =µ>

7e define como la &ro&!edad de un flu!do &or $!rtud de la cualofrece re#!#tenc!a al corte.

!imensionalmente0 µ @ F + L-2 @ M L-) +-)

7istema


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%ISCOSIDAD DINAMICA =µ>

n un líquido la viscosidad disminuye con la temperatura, puestoque a mayor temperatura, eiste mayor distanciamiento entre las

partículas y las fuerzas de cohesión (que determinan la viscosidad)disminuyen.

n los gases la viscosidad aumenta con la temperatura puesto que laactividad molecular aumenta, generando un resistencia al esfuerzo

cortante que es más importante que las fuerzas co"esivas. 83




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%ISCOSIDAD DINAMICA =µ>

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%ISCOSIDAD CINEMA+ICA =ν>

>azón de la viscosidad dinámica a la densidad de masa.

!imensionalmente0 ν @ L2 +-)

7istema


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DENSIDAD =ρ>

&asa de un cuerpo por unidad de volumen.

!imensionalmente0 ρ @ M L-3

n 7istema cgs0 [ρ] = [ gr cm3 ]

n 7istema


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DENSIDAD =ρ>La densidad del agua varía con la temperatura y tiene un valormáimo a una temperatura de *@;. sto se de'e a que, a taltemperatura el volumen del agua es menor.

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DENSIDAD =ρ>

n un lago en invierno el agua se enfría desde altas a 'a%astemperaturas. ;uando la temperatura alcanza los *@; el aguaalcanza su máima densidad y por lo tanto se "unde al fondo dellago.

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DENSIDAD =ρ>

/ medida que la temperatura sigue 'a%ando "asta alcanzar el puntode congelamiento, la densidad del "ielo disminuye al epandirse suvolumen y por tanto el "ielo su'e a la superficie. ste "ielo sirvecomo capa aislante del frío impidiendo que las capas inferiores sesigan congelando, y por tanto se asegura la so'revivencia de la

vida acuática.

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DENSIDAD RELA+I%A =ρr>>elación entre la densidad de un cuerpo y la densidad del agua a *@;, que se toma como unidad. ;omo un centímetro cA'ico de agua a* @; tiene una masa de 8 (g), la densidad relativa de la sustanciaequivale a su densidad epresada en gramos por centímetro cA'ico.

La densidad relativa es adimensional.

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PESO ESPECIFICO =γ>7e define como el peso por unidad de volumen.

!imensionalmente0 γ @ F L-3

s de fácil compro'ación que el peso específico y la densidad serelacionan de la siguiente manera, donde g es la aceleracióngravitacional.

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FUER;AS IN+ERNAS SORE FLUIDOS



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La presión tam'i#n se epresa en t#rminos de la AL+URA DECOLUMNA DE FLUIDO. /l considerar un recipiente, el peso de lacolumna de agua (4=*@;) contenida en #ste es0

W = ρ AGUA x g x ∀ = ρ AGUA x g x A x h

n t#rminos de fuerza por unidad de área (presión)0

P =W/A= ( ρ AGUA x g x A x h)/A= ρ AGUA x g x h

7i consideramos 8 metro de columna de agua, es decir "=8 BmC, se tiene0

+=8999 (:gDm3) 6.58 (mDs2) 8(m) =6589 B+aC 8BmcaC=6589B+aC2*



4@) B'

&@) B'ca


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APLICACI


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PRESI


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PRESI


28/42

PRESI


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Nótese 3ue en ladeterminación de lapresión a/soluta, se usa

el -alor local de lapresión atmosf+rica




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COMPRESIILIDAD =E>

>epresenta la razón entre un incremento de presión (dp) y suconsecuente variación de volumen por unidad de volumen ( d∀D∀ ).

!imensionalmente0 E @ F L-2

+ara el agua se tiene que 2= 22.999 (:gfDcm2).

7i se considera una variación en el volumen equivalente al 8G delvolumen total del sistema (d∀D∀ =9,98), se tiene que la variación de

presión es0

dp = d∀D∀ = 22.999 (:gfDcm2) 9.98= 229 (:gfDcm2)38



∀∀−=d

dpE


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+ENSION SUPERFICIAL

Fuerza que se manifiesta en la interfase entre un gas y un líquido (aireagua), un líquido, un gas y un sólido (aireaguavidrio), etc.

La 4ensión 7uperficial se eplica considerando las fuerzas intermoleculares

en el líquido. Las mol#culas ale%adas de la superficie son atraídas con igualintensidad desde todas partes y permanecen, por ende, en equili'rio.Las mol#culas superficiales, en cam'io, son atraídas por diferentesmol#culas a un lado y al otro de la superficie, generando una fuerza netaresultante.

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+ENSION SUPERFICIAL

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+ENSION SUPERFICIAL

3*



+ara cuantificar esta fuerza de co"esión consideremos una estructura dealam're con un lado deslizante, en la que se coloca una capa de líquido. Lasuperficie se comporta como una película que ofrece resistencia a sudeformación y por tanto a romperse.

l líquido tratará de minimizar la superficie 7 e%erciendo una fuerza F so'reel lado deslizante, que podemos medir. 7e o'serva que F@2l, donde H es la

tensión superficial.


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+ENSION SUPERFICIAL

3-



+ara cuantificar esta fuerza de co"esión consideremos una estructura dealam're con un lado deslizante, en la que se coloca una capa de líquido. Lasuperficie se comporta como una película que ofrece resistencia a sudeformación y por tanto a romperse.

l líquido tratará de minimizar la superficie 7 e%erciendo una fuerza F so'reel lado deslizante, que podemos medir. 7e o'serva que F@2l, donde H es la

tensión superficial.

ÚCAPI+ULO ) IN+RODUCCION


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+ENSION SUPERFICIAL

3?



8. H es una propiedad del líquido.

2. F depende de l (longitud del ca'le deslizante) pero no de la superficie 7 (adiferencia de una mem'rana elástica).

3.7e introduce un factor 2 porque "ay dos superficies (por e%emplo un líquidoen un plato tiene sólo una).



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+ENSION SUPERFICIAL

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CAPILARIDAD (del latín capillus, Ica'elloI)

levación o depresión de la superficie de un líquido en la zona decontacto con un sólido. ste fenómeno es una ecepción a la le4!dro#t1t!ca de lo# $a#o# co'un!cante#, segAn la cual una masa delíquido tiene el mismo nivel en todos los puntos.

La fuerza so're la superficie es0

!onde (σ ) es la tensión superficial de la película (energía por unidadde área necesaria para mantener la superficie)

l peso de la columna de agua es0

!el equili'rio de fuerzas, se o'tiene la altura de columna de líquido0

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!

α

El efecto capilar esimportante para tu/osde dimetro pe3ue5o ocuando el l63uido 7uye atra-+s de medios!orosos, como es elcaso de las a(uassu/terrneas en laa(ronom6a e 8idrolo(6a.


α π σ

π σ σ

sen⋅⋅⋅=

⋅⋅=⋅=

DF

DlF

z

9

:DhW

⋅⋅⋅=

π γ

Dh

⋅

⋅⋅=

γ

α σ sen9

Ú CCAPI+ULO ) IN+RODUCCION


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7i las fuerzas de ad"esión del líquido al sólido superan a latensión superficial, el menisco del líquido será cóncavo y ellíquido ascenderá por encima del nivel "idrostático. 7i ocurre locontrario, el menisco del líquido será conveo y el líquido caerá

por de'a%o del nivel "idrostático.

CAPILARIDAD EN +UOS CIRCULARES

La aracci"n ca!ilar escausada por la tensiónsuper;cial y por el -alor

relati-o de la ad8esión l63uido<sólido a la co8esión del l63uido.Un l63uido 3ue mo=a el sólidotiene mayor ad8esión 3ueco8esión.

MENÚ PRINCIPAL

ELE>AC!#N CAP!LA&

"!A$E&# "EL

U%#


MENÚ PRINCIPALCAPI+ULO ) IN+RODUCCION


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PRESION DE %APOR =e>s la presión que define el cam'io de fase delíquido a gas de un fluido. Jsta depende de latemperatura y se manifiesta a trav#s de un "ervoren el líquido.

CALORES ESPECIFICOS =C$?C&>

;antidad de calor necesaria para elevar latemperatura de una unidad de masa de unasustancia en un grado, a volumen y presiónconstante, respectivamente. l calor específico(;v) del agua es una caloría por gramo y gradocentígrado, es decir, "ay que suministrar unacaloría a un gramo de agua para elevar sutemperatura en un grado centígrado.

CALOR ESPECÍFICO Cv (a 25 ºC)





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+>+

&A'$R

TEN%I$N

%U'ERFICIAL?*pa@ ?Nm@

A(ua 0 :.9B .D9Aceite crudo .B < .1 .:1 .1Aceite Lu/ricante .B . .1B .1Alco8ol et6lico .D B.2 .::1%enceno . 0 .:$ercurio 01.BD .0D .B0Hueroseno .0 .:1 .1:





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>elación termodinámica válida para un gas ideal querelaciona la presión a'soluta, la temperatura y suvolumen (o densidad). stas varia'les se conocen como$ar!a0le# de e#tado.

La LE8 DE O8LE epresa que, para temperaturaconstante, el volumen varía directamente segAn varía la

presión a'soluta.

La LE8 DE CARLES afirma que el volumen de ungas ideal a presión constante es proporcional a sutemperatura a'soluta.

ECUACIONES DE ES+ADO

Un (as ideal de/edistin(uirsecuidadosamente del 7uidoideal. Un (uido ideal nopresenta -iscosidad y esincompresi/le. Un gas


T Rn p ⋅⋅=∀⋅

constant p =∀⋅

constant T p =

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