Costos y Presupuestos

INSTITUTO TECNOLOGICO DE TAPACHULAINGENIERIA CIVIL

CATEDRATICO: Moiss Alejandro Valdivia LimonPresenta: Sebastin Solrzano SnchezQuinto semestre Grupo: ACostos y Presupuestos

UNIDAD 1

Catlogo de conceptos

Tapachula, Chiapas06/10/2014

IntroduccinEn este trabajo de investigacin correspondiente de la materia de Hidrulica Bsica impartida en el ciclo escolar agosto- diciembre del 2014 por el ing. Julio Cesar Albores Abarca, es una materia o asignatura que estudia el comportamiento mecnico de los fluidos (en reposo o en movimiento) y su efecto sobre su entorno, tal como superficies de slidos o interfaces con otros fluidos. Es por ello que el concepto o punto fundamental de esta materia a estudiar son los fluidos. Por lo tanto un fluido es un medio que toma la forma del recipiente que lo contiene y es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le aplica un esfuerzo tangencial por pequeo que sea, para estudiar y conocer acerca de los fluidos es importante o fundamental importancia conocer sus propiedades de en s. Es por ello el contenido o la informacin que encontraremos en este trabajo es dar a conocer de forma muy breve las propiedades de los fluidos ya que son aquellas magnitudes fsicas cuyos valores definen el estado en que se encuentra, ya que tienen distinto valor para fluidos diferentes y pueden variar para un fluido determinado cuando vara el valor de alguna otra propiedad como lo son: densidad, peso especfico, viscosidad, compresibilidad, tensin superficial, presin de saturacin, etc. Tambin as conocer cada una de sus frmulas correspondientes.

Marco tericoPropiedades bsicas de los fluidosLos principios bsicos del movimiento de los fluidos se comenzaron a desarrollaron entre los siglos XVI y XIX al ser resultados de trabajos de diversos cientficos como Da Vinci, Galileo, Torricelli, Pascal, Bernoulli, Euler, Navier, Stokes, Kelvin, Reynolds.

La Mecnica de Fluidos moderna aparece a principios del siglo XX como un esfuerzo de unin entre dos tendencias: experimental y cientfica. Generalmente se reconoce como fundador de la mecnica de fluidos modela al alemn L. Prandtl (1875-1953).

Definicin de fluido: Es el comportamiento de los elementos frente a situaciones especiales, de acuerdo a esto se definen los estados bsicos de slido,plstico, fluidos y plasma. La clasificacin de fluidos depende delestadoy no del material en s.

Los fluidos reaccionan de una manera caracterstica a las fuerzas. Si se compara lo que ocurre a un slido y a un fluido cuando son sometidos a un esfuerzo de corteo tangencial se tienen reacciones caractersticas que se pueden verificar experimentalmente y que permiten diferenciarlos.

Con base al comportamiento que desarrollan los fluidos se definen de la siguiente manera: "Fluido es una sustancia que se deforma continuamente, o sea se escurre, cuando est sometido a un esfuerzo de corte o tangencial". De esta definicin se desprende que un fluido en reposo no soporta ningn esfuerzo de corte. Partcula fluida y medio contnuo.

En las aplicaciones comunes de la ingeniera se considera al fluido, no como un conglomerado de molculas, sino como un continuo, esto es una distribucin de materia sin espacios vacos.

Se define partcula fluida a aquella porcin de fluido que es lo suficientemente grande para que se manifiesten las propiedades fsicas de la sustancia, sin que se pierda su identidad, pero lo suficientemente pequea, como para que se pueda aplicar en ella el clculo diferencial.

Es preciso recordar que esos valores son medias temporales y espaciales referidas a un intervalo de tiempo t y al conjunto de los paquetes de molculas que constituyen la partcula.

Con este concepto se define en forma ms precisa a un medio continuo como la sucesin de partculas en contacto mutuo, sin choque entre ellas, que conservan las propiedades del fluido y que siguen las leyes del movimiento del conjunto, las que resultan de las acciones que ejercen las molculas que las constituyen.

En la Fig. 1, se ve un esquema bidimensional de este concepto.

p1 p2 p3

pn

V1V2

V3

Vn

1 2 3Fig. 1

n

Las partculas se mueven, deformndose, pero sin separarse; en el baricentro de cada una podemos imaginar concentradas las propiedades fsicas que deseamos y que pueden, con toda generalidad, variar de partcula a partcula, y de instante a instante. En la figura se indican las presiones ( p ) y los peso especficos ( ), cuyas magnitudes que pertenecen a los campos escalares; y adems las velocidades ( V ), perteneciente a los campos vectoriales.

Propiedades generales ms comunes de los fluidos.

a) Movilidad: no tienen forma propia, la misma depende de la gravedad y del recipiente que lo contiene.

b) Isotropa: las propiedades remanifiestan en cualquier direccin en forma idntica.

c) Los lquidos oponen gran resistencia a los esfuerzos de compresin, no siendo as para los esfuerzos tangenciales. Es decir que presentan una muy elevada resistencia a los esfuerzos que tiendan a disminuir su volumen, pero a su vez, es muy baja su resistencia a los cambios de forma.

d) Los gases ofrecen poca resistencia tanto al cambio de volumen como de forma.

Propiedades de los Fluidos

Densidad:Es la medida del grado de compactacin de un material. Para un fluido homogneo se define como la masa por unidad de volumen y depende de factores tales como su temperatura y la presin a la que est sometido. Sus unidades en el SI son: kg/m3. Los lquidos son ligeramente compresibles y su densidad vara poco con la temperatura o la presin. Para una masa dada, la presin, la temperatura y el volumen que ocupa se relacionan por medio de la ley de los gases: pV = mRT, donde R es la constante de los gases ideales y T la temperatura absoluta (grados Kelvin). (1)Densidad

Una de las formas ms tiles de caracterizar una sustancia es especificar la cantidad de sustancia por unidad de volumen. El resultado de sta caracterizacin se denomina densidad de la sustancia.

Definicin: La densidad de un material se define como la masa contenida en la unidad de volumen del material. Por tanto operacionalmente la densidad est dada por:

=mkg

V3

m

Peso especficoLos ingenieros que no han adoptado todava el SI emplean frecuentemente el peso especfico (densidad de peso), definida como el peso de la unidad de volumen de una sustancia, operacionalmente

=Wkg f;N

V

3m3

m

Relacin entre peso especfico y densidad.

Teniendo en cuenta que el peso es igual a W = m.g, en base a las ecuaciones anteriores se puede ver que la densidad y el peso especfico estn relacionados del siguiente modo:

=W=m gm=g

VV= g

V

En este curso usaremos preferentemente la densidad.

La densidad de los materiales cambia, en mayor o menor grado, al variar las condiciones de presin y temperatura, sobre todo en los gases. Una gran parte de los materiales usados en la ingeniera se expanden 3, cuando se les calienta. Como resultado la densidad de estas sustancias disminuye al aumentar la temperatura, hay algunos casos en que la densidad aumenta cuando se eleva la temperatura un determinado intervalo. Es el caso del agua en el intervalo de (0 - 4) oC.

Densidad relativa o Gravedad especficaLa densidad relativa de una sustancia se define como la razn entre la densidad de la sustancia y la densidad del agua a una temperatura determinada (4 oC). Operacionalmente:

3 Esto se debe a que las molculas estn vibrando a distancias mayores cuando la temperatura es elevada y, en consecuencia, se incrementa su distancia promedio de separacin. Ya que la masa en la unidad de volumen cambiar si las molculas se separan, la densidad de una sustancia variar con la temperatura.

sustancia

DR =

agua

En virtud a que la densidad y el peso especfico estn relacionados, la densidad relativa tambin se puede definir como la relacin entre el peso especfico de una sustancia y el peso especfico del agua a una temperatura determinada. As:

DR = sustancia=gsustancia=sustancia

aguagaguaagua

Ntese que la gravedad especfica de una sustancia es una cantidad adimensional.

Compresibilidad:En la mayora de los casos, un lquido se podra considerar incompresible, pero cuando la presin cambia bruscamente, la compresibilidad se hace evidente e importante.Lo mismo ocurre si hay cambios importantes de temperatura. La compresibilidad se expresa mediante el mdulo elstico de compresin.

Compresibilidad

A cada incremento/decremento de la presin que se ejerce sobre un fluido le corresponde una contraccin/expansin del fluido. Esta deformacin (cambio del volumen) es llamada elasticidad o ms concretamente compresibilidad. El parmetro usado para medir el grado de compresibilidad de una sustancia es el mdulo volumtrico de elasticidad, EV. Definido operacionalmente por la siguiente ecuacin

EV = dp=dN

dVd2

m

V

Las unidades para EV son las mismas que para la presin. por que?

Los lquidos son en general muy poco compresibles (prcticamente incompresibles), lo que indica que necesitaramos grandes cambios de presin para lograr un cambio muy pequeo en el volumen de un lquido. As por ejemplo para el agua EV = 2.179 10 9 N/m2. Entonces un incremento de la presin de 106 N/m2 dara lugar a un cambio de un 0.05% del volumen.

El mdulo volumtrico de elasticidad de un fluido es una medida de cun difcil es comprimirlo.

El mdulo volumtrico no es normalmente aplicado a los gases, ya que en este caso se aplican en general ecuaciones de la termodinmica. As para un gas ideal a temperatura constante se tiene.

p = RT dp= RT

d

EV = RT = p

LiquidoMdulo volumtrico

MPa

Alcohol Etlico896

Benceno1062

Aceite industrial1303

Agua2179

Glicerina4509

Mercurio24750

Tabla 1.3Valores del mdulo volumtrico para algunos lquidos.

(fuente: mecnica de fluidos aplicada, Robert L. Mott, Prentice Hall,1996)

Viscosidad:Es una medida de la resistencia del fluido al corte cuando el fluido est en movimiento. Se le puede ver como una constante de proporcionalidad entre el esfuerzo de corte y el gradiente de velocidad. Sus unidades en el SI son: kg s/ m3. La viscosidad de un lquido decrece con el aumento de temperatura, pero en los gases crece con el aumento de temperatura. Esta diferencia es debido a las fuerzas de cohesin entre molculas. Esta propiedad tambin depende de la presin.Entonces la viscosidad se puede definir como la resistencia de los fluidos a fluir. A mayor viscosidad, menor flujo. En trminos microscpicos se relaciona con las fuerzas intermoleculares, y con el tamao y forma de las molculas que constituyen el lquido. La viscosidad de la mayora de los lquidos disminuye al aumentar la temperatura

En la prctica se utilizan dos tipos de viscosidad:

Viscosidad dinmica

Viscosidad cinemtica

Viscosidad dinmica El principio de viscosidad de Newton establece que: para un flujo laminar de ciertos fluidos llamados newtonianos, la tensin cortante en una interface tangente a la direccin de flujo, es proporcional al gradiente de la velocidad en direccin normal a la interface.

Para comprender este principio consideremos que entre dos placas paralelas de igual superficie y separadas por una distancia h se encuentra un fluido homogneo a temperatura constante por qu? , como se ve en la figura.

YU

F

u+ du

dx

dy

+ du

(b)(c)

Gradiente de

1. velocidades

Figura 1.3: gradiente de velocidades y tensin cortante

De la figura 1.6.a se puede escribir la siguiente relacin para la velocidad de deformacin angular:

t = x/ty = xt 1y = uy

Ya que para valores pequeos de , se tiene que: = tg( )= x/ y.

Entonces en el lmite.lim= limud= du

t 0ty0ydtdy

Es decir que la deformacin angular que sufre el elemento de fluido mostrado en la figura, cuando es sometido a un es fuerzo de corte, es igual al gradiente de velocidad en la direccin y (du/dy). Entonces, se puede decir que la tensin en la intercara superior del elemento diferencial de fluido es directamente proporcional a la velocidad de deformacin, lo que concuerda con el principio de Newton.

du

dy

Introduciendo un coeficiente de proporcionalidad, se tiene finalmente

du

= dy

La ltima ecuacin es la llamada ecuacin de Newton de la viscosidad y el coeficiente de proporcionalidad, es el llamado coeficiente de viscosidad dinmica.

Viscosidad cinemtica

Frecuentemente en los clculos de mecnica de fluidos se presenta el cociente de la viscosidad dinmica entre la densidad del fluido. Por ello, de manera convencional, la viscosidad cinemtica se define como la razn entre la viscosidad dinmica y la densidad.

2

=m

s

Tensin superficial: Una molcula dentro del lquido es atrada en todas direcciones por otras molculas mediante fuerzas cohesivas. Cuando un lquido est en contacto con algn otro medio (aire, otro lquido, un slido) se forma una superficie de contacto entre el lquido y el otro medio. Dentro del lquido, y lejos de su superficie de contacto, una molcula se encuentra en equilibrio: la suma de las fuerzas de atraccin es cero. Sin embargo, en la superficie de contacto, la suma de estas fuerzas tiene como resultante una fuerza neta, perpendicular a la superficie y con sentido hacia el interior del lquido. Esta fuerza hacia el interior hace que la superficie de contacto se comporte como una membrana. Una de las consecuencias de la tensin superficial es la capilaridad.

Capilaridad:Lacapilaridades un proceso de losfluidosque depende de sutensin superficialla cual, a su vez, depende de la cohesin del lquido y que le confiere la capacidad de subir o bajar por untubo capilar.La capilaridad es el fenmeno por el cul un lquido asciende por tubos muy estrechos. El lquido asciende debido a las fuerzas atractivas entre sus molculas y la superficie interior del tubo. Estas fuerzas son las llamadas fuerzas de adhesin.

El meisco de un lquido es la ascendente (como una U) porque las fuerzas que provocan la adhesin de las molculas de agua al vidrio son mayores que la fuerzas de cohesin, en cambio en caso del mercurio, las fuerzas de cohesin son mayores que las de adhesin y el meisco tiene los bordes curvados superficie curvada que forma en un tubo estrecho. Para el agua tiene la forma hacia abajo.

Presin:Lapresin(smbolop) es unamagnitud fsicaque mide la proyeccin de la fuerza en direccinperpendicularporunidad de superficie, y sirve para caracterizar cmo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una lnea.Presin de Vapor

La Presin de Vapor de un lquido es la presin ejercida por su vapor cuando ambas fases estn en equilibrio dinmico.

La presin de vapor aumenta con la temperatura porque las molculas del lquido caliente se mueven con ms energa. Prcticamente toda la vaporizacin tiene lugar en la superficie del lquido.

Temperatura:Latemperaturaes unamagnitudreferida a las nociones comunes decaliente, tibio ofro. Ms especficamente se define como unamagnitud escalarrelacionada con laenerga internade un sistema termodinmico, definida por elprincipio cero de la termodinmica. Ms especficamente, est relacionada directamente con la parte de la energa interna conocida como energa cintica, que es la energa asociada a los movimientos de las partculas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma devibraciones. A medida de que sea mayor la energa cintica de un sistema, se observa que ste se encuentra ms caliente; es decir, que su temperatura es mayor.

Energa interna:Laenerga interna(U)de un sistema intenta ser un reflejo de la energa a escala macroscpica. Ms concretamente, es la suma de: laenerga cintica interna, es decir, de las sumas de las energas cinticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de laenerga potencial interna, que es la energa potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades.

Entalpia:Lavariacin de la entalpa estndar(denotada comoH0o HO) es la variacin de entalpa que ocurre en un sistema cuando una unidad equivalente de materia se transforma mediante una reaccin qumica bajocondiciones normales. Sus unidades son loskJ/molen el sistema internacional.

Unavariacin de la entalpa estndar de una reaccincomn es lavariacin de la entalpa estndar de formacin, que ha sido determinada para una gran cantidad de sustancias. La variacin de entalpa de cualquier reaccin bajo cualesquiera condiciones se puede computar, obtenindose la variacin de entalpa de formacin de todos los reactivos y productos. Otras reacciones con variaciones de entalpa estndar son la combustin (variacin de la entalpa estndar de combustin) y la neutralizacin (variacin de la entalpa estndar de neutralizacin).

Entropa:Laentropa(simbolizada comoS) es unamagnitud fsicaque, mediante clculo, permite determinar la parte de laenergaque no puede utilizarse para producirtrabajo. Es unafuncin de estadode carcterextensivoy su valor, en unsistema aislado, crece en el transcurso de un proceso que se d de forma natural. La entropa describe loirreversiblede los sistemastermodinmicos. La palabraentropaprocede delgriego() y significa evolucin o transformacin. FueRudolf Clausiusquien le dio nombre y la desarroll durante la dcada de 1850;12yLudwig Boltzmann, quien encontr en 1877 la manera de expresar matemticamente este concepto, desde el punto de vista de la probabilidad.

Conductividad trmica:Laconductividad trmicaes unapropiedad fsicade los materiales que mide la capacidad deconduccin de calor. En otras palabras la conductividad trmica es tambin la capacidad de una sustancia de transferir laenerga cinticade sus molculas a otras molculas adyacentes o a sustancias con las que no est en contacto. En elSistema Internacional de Unidadesla conductividad trmica se mide enW/(Km) (equivalente aJ/(sKm) )

Cavitacin:Cuando un lquido escurre en una regin donde la presin es menor que la tensin de vapor de aquel, a la temperatura del proceso, se forman burbujas de vapor en su seno. Las burbujas de vapor son arrastradas por el lquido en movimiento hacia una zona donde la presin es ms elevada, all se condensan por un proceso mecnico-qumico, dando origen a una implosin de las mismas. La formacin de esas cavidades en el lquido se ha denominado cavitacin.

Si las cavidades se forman en contacto con paredes slidas, o en sus cercanas, las fuerzas generadas por estas implosiones crean presiones localizadas elevadsimas que provocan la destruccin de la superficie slida. Este fenmeno est acompaado por sonidos y vibraciones.En la zona en que la presin absoluta del lquido se reduce a valores pequeos, alrededor de la tensin de vapor a la temperatura correspondiente, el desprendimiento de gases ocurre en forma tumultuosa y acompaado de burbujas de vapor, determinando una regin de rotura bien definida entre el medio lquido (casi incompresible) y el fluido compresible.El ataque al material es de menor importancia en la zona de cavitacin que en la regin donde ocurre la condensacin del vapor, y justamente en los lugares donde aumenta la presin rpidamente es donde deben esperarse mayores deterioros de las piezas y su posterior rotura.La prevencin de la cavitacin y sus efectos exige la elevacin de la presin absoluta y la correspondiente disminucin de la velocidad del movimiento del lquido; cuando por las caractersticas del problema, en especial en maquinarias hidrulicas (rotores y hlices de turbinas y bombas, hlices de propulsin, etc.), no sea posible modificar las condiciones sealadas, los efectos de la cavitacin se pueden disminuir mediante el estudio del apropiado diseo de las zonas atacables.

CONCLUSION

Gracias a este trabajo de investigacin sobre las propiedades de los fluidos que se mencionaron son conceptos fundamentales que debemos de conocer y tener en cuenta ya que son de gran relevancia para analizar y estudiar a los fluidos, tomando en cuenta el adquirimiento de esta gama de informacin como una herramienta y a la vez facilitarnos en lo acadmico o no tener problemas alguno en el estudio de Hidrulica Bsica.Por otra parte es importante como futuros Ingenieros Civiles tener muy en cuenta todos estos conocimientos adquiridos ya que suelen ser factores o circunstancias en el cual nos podemos topar en el mbito o campo laboral.

BibliografaFrank M. White; Mecnica de Fluidos; McGraw-Hill; 2004; V Ed.Irving Herman ShamesMechanics of fluids; McGraw-Hill,2003, 4th Ed.Robert L. Mott, Mecnica de Fluidos Aplicada, Prentice-Hall;2006; IV Ed.Robert W. Fox Introductin to Fluid Mechanics, John Wiley & Sons, Inc. IV Ed.Claudio Mataix; Mecnica de Fluidos y Mquinas Hidrulicas; Alfaomega;II Ed. Yunus Cengel; Mecnica de Fluidos; McGraw-Hill;2006http://www.uhu.es/inmaculada.pulido/docencia/PresentacionTema2.pdf