Capítulo 1. Propiedades de los Fluidos

Basado en: Mecánica de Fluidos. Víctor L. Streeter. 9na. Edición.Elaborado por: Ing° Caleb Ríos Vargas – Docente UCP

Capítulo 1: PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Definición de Fluido: Sustancia que se deforma constantemente

cuando se somete a un esfuerzo cortante (por más pequeño que sea).

Sustancia que ocupa la forma del recipiente que lo contiene (LIQUIDO).

Sustancia que ocupa la forma y el volumen del recipiente que lo contiene (GAS).

Figura 1.1. Deformación resultante de la aplicación de una fuerza cortante resultante

AFcortanteesfuerzo _

Fuerza que causa que la velocidad U sea uniformeÁrea de la placa superior

El fluido se deforma de abdc a la nueva posición ab’c’d

tAUF

tU

AF

tU Es la rapidez de

deformación angular

dydu En forma más general LEY DE VISCOSIDAD DE NEWTON

El factor de proporcionalidad se denomina viscosidad del fluido.Los fluidos se clasifican en Newtonianos y no Newtonianos

Insertar figura 1.2

Figura 1.2 Diagrama reológico

UNIDADESSistema de unidades es congruente (o consistente) cuando una unidad de fuerza causa que una unidad de masa sufra una unidad de aceleración.Tabla 1.1 Sistemas comunes de unidades y valores de g₀.

Sistema SI 2111segmKgN

Insertar tabla 1.1

Sistema USC 2111segftsluglb

Unidad Derivada Unidad Derivada

20

174.3211segft

glblb m

Sistema USC necesita apoyarse en una cte. de proporcionalidad escribiendo la 2ª ley de Newton de la forma

agmF

0

En condiciones de gravedad estándar en el vacío:

20 174.32seglbftlbg m

Por lo tanto la gravedad específica g0 vale en USC: en EEUU, en China o en la Luna

gMW El peso W de un cuerpo se determina por el producto de la masa M por la aceleración local de la gravedad g.

NOTA: En la contratapa del libro se dan las conversiones en distintos sistemas para varias unidades.

Insertar tabla 1.2

Tabla 1.2 Principales prefijos para potencias de 10 en unidades SI.

Las unidades para el sistema SI, se escriben con minúscula (m, h, s) y con mayúscula cuando es nombre propio (N, Pa, W), a excepción del litro (L).

VISCOSIDAD:

Es la propiedad más importante en el flujo de fluidos.La viscosidad es la propiedad mediante la cual ofrece resistencia al corte.

Según la ley de viscosidad de Newton, para una deformación angular dada, el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la viscosidad.

Ej. La miel y la brea son altamente viscosos; el agua y el aire tienen viscosidades muy pequeñas.

La viscosidad de un gas aumenta con la temperatura.La viscosidad de un líquido disminuye con la temperatura.

VISCOSIDAD:Para presiones bajas la viscosidad depende sólo de la temperatura.

En estado de reposo, o cuando no existe movimiento diferencial entre capas adyacentes, du/dy es cero y no existe esfuerzo cortante (estática de los fluidos Cap. 2).

Las dimensiones de la viscosidad:

Por la 2ª ley de Newton:

entonces la viscosidad también se puede expresar:

][:][:

][:: 1

2

LdyLTdu

FL

dydu

][: 2TFL

][: 2MLTF

][: 11 TML

VISCOSIDAD:

UNIDADES para la viscosidad Absoluta o Dinámica Para el sistema SI

(1 E-3 Ns/m2)

Para el sistema USC

Para el sistema CGS Poise (P)

smKg

msN

2:

sft

slugftslb

2:

scmgr

cmsdina

2:

VISCOSIDAD:

Viscosidad Cinemática:

][:][:: 3

11

MLTML

2 1: [ ]L T

Para el sistema SI(1 E-6 m2/s)

Para el sistema USC

Para sistema CGS Stoke (St)

sm2

:

sft 2

:

s

cm2

:

Valores de

ver figuras

C.1 y C.2 del

apéndice “C”

MEDIO CONTINUO

Para adoptar bases matemáticas o analíticas, es necesario considerar que la estructura molecular original es reemplazada por un medio hipotético llamado medio continuo.

Por ej. la velocidad de un punto debe ser considerada como el promedio de la velocidad de la masa que rodea ese punto.

La densidad, el volumen específico, la presión, velocidad y aceleración se supone que varían continuamente en todo el fluido o que son constantes.

DENSIDADse define como la masa por unidad de volumen

para agua a presión estándar (760 mmHg) y a 4 ºC,

o bien

VOLUMEN ESPECÍFICO

es el recíproco de la densidad, es decir, el volumen ocupado por la unidad de masa.

PESO ESPECÍFICO

es el peso por unidad de volumendepende de la aceleración de la gravedad

][: 3ML3/94.1 ftslugs

3/1000 mKg

1sv

g

DENSIDAD RELATIVARelación entre el peso de una sustancia y elpeso de un volumen equivalente de agua encondiciones estándar.

PRESIÓNEs la fuerza normal que empuja contra unárea plana dividida por el área.

Dentro de un recipiente, el fluido ejerce también enuna presión contra las paredes, y el orecipiente ejerce una reacción que serácompresiva para el fluido. En estática de fluidos

aguaagua

S

][: 2 PamN

áreafuerzap

][ psf ][ psi

hp

GAS PERFECTOLas relaciones termodinámicas y los flujos de fluidos compresibles se limitan al los gases prefectos (o ideales), los cuales satisfacen la siguiente ley:

fluido ideal: carece de fricción y es incompresible.gas perfecto: tiene viscosidad (desarrolla esfuerzos de corte) y es

compresible.

La ecuación se puede escribir

y R tiene unidades de

TRvp s

RTp

KKgNm

KKgm

mNR

º1:

3

2

Ley de CHARLES: p = cte., V del gas depende solo de T.

Ley de BOYLE: T = cte., V del gas depende solo de p.

haciendo el análisis a nivel molecular e introduciendo la ley de AVOGADRO (volúmenes iguales de gases a la misma T y p absolutas tienen el mismo número de moléculas, por lo tanto, sus masas son proporcionales a los pesos moleculares) resulta el producto MR llamado cte. universal de los gases.

M: peso molecular

ver tabla C.3 del apéndice “C”

KmolKg

NmMR 8312

KKgNm

MR 8312

Calor específico cv: es el número de unidades de calor agregadas por unidad de masa para aumentar la temperatura 1 grado cuando V es cte.

Calor específico cp: es el número de unidades de calor agregadas por unidad de masa para aumentar la temperatura 1 grado cuando p es cte.

k es la relación de calores específicos

R se relaciona con cv y cp mediante la forma

v

pc

ck

Rcc vp

MODULO ELÁSTICO A LA COMPRESIÓNEs importante cuando existen cambios repentinos o grandes en la presión (GOLPE DE ARIETE). Un aumento de presión dp causará una disminución del volumen -dV.

para agua a 20 ºC, K = 2.2 Gpa. (Ver tabla C.2 apéndice “C”).

PRESIÓN DE VAPOR

Cuando la presión arriba de un líquido es igual a la presión de vapor ocurre la ebullición.Es importante cuando la presión en el flujo tiene una fuerte reducción en algunos lugares del sistema (CAVITACION).

VdVdpK

TENSIÓN SUPERFICIALFenómeno que se observa en la interface entre un líquido y un gas, o entre dos líquidos inmiscibles, debido a la atracción molecular debajo de la superficie del líquido. Tener en cuenta la adhesión y cohesión.

Insertar figura 1.6

Tabla 1.3 Propiedades aproximadas de líquidos comunes a 20°C y presión atmosférica.

Insertar tabla 1.3