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CONCEPTOS FUNDAMENTALES. TEMA 1Gabriel López (Dpto. Ingeniería Eléctrica y Térmica, UHU)
TEMA 1
Conceptos Fundamentales
CONCEPTOS FUNDAMENTALES. TEMA 1Gabriel López (Dpto. Ingeniería Eléctrica y Térmica, UHU)
ÍNDICE
1. Concepto de Fluido
2. Propiedades de los fluidos
1. Densidad, peso específico y densidad relativa
2. Viscosidad
3. Compresibilidad
4. Presión de saturación. Cavitación
5. Tensión superficial. Capilaridad
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1. Concepto de Fluido- Un fluido es un medio que toma la forma del recipiente que lo contiene.
- Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le aplica un esfuerzo tangencial F por pequeño que sea.
F
A
CB C'B'
D
placa fija
v
v B' B''
A
u
F
B'''B
u placa móvil
sólidofluido
constante varía
Con un dF, la placa se movería a una
velocidad du.
Hay sustancias plásticas (asfalto, vidrio fundido):F ≥ F0 : hay deformación continuaF< F0: no hay deformación continua
No son fluidos
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2. Propiedades de un fluido
- Propiedades de un fluido son aquellas magnitudes físicas cuyo valor nos define el estado de equilibrio en que se encuentra.
- Ej: la presión, la temperatura, la densidad, la viscosidad, la elasticidad, la tensión superficial, etc.
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2.1 Densidad, peso específico y densidad relativa
- DENSIDAD
2. Propiedades de un fluido
- PESO ESPECÍFICO
- DENSIDAD RELATIVA (PESO ESPECÍFICO RELATIVO)
= g
c = c g
Ej: Agua pura a presión atmosférica y a 4 ºC: ρ = 1000 kg/m3
= 9810 N/m3 = 1000 kgf/m3
d = 1
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2. Propiedades de un fluido
2.2 Viscosidad
- Diferentes capas de fluido pueden moverse a velocidades diferentes. Se define entonces el gradiente de velocidad como la variación de velocidad del fluido por unidad de espesor:
placa fija
perfil de velocidades
'
v
dyv
v
dv
dv
dy
Ftangencial
v1v2
v3v4
F1F2F3
- Todos los fluidos ofrecen una resistencia a cualquier fuerza que le cause una deformación o deslizamiento entre sus capas.
- La fuerza de rozamiento que se genera al moverse una capa sobre otra, dividida por el área de contacto, se denomina esfuerzo cortante [N/m2 = Pa].
v1
v1 + v1
v2 + v2
v2y
y
Perfil de velocidades
m
m/s
dy
dv
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2. Propiedades de un fluido
2.2 Viscosidad
- Ley de Newton de la viscosidad: El esfuerzo cortante es proporcional al gradiente de velocidades.
placa fija
perfil de velocidades
'
v
dyv
v
dv
dv
dy
dy
dv
- A la constante de proporcionalidad se le denomina Viscosidad Dinámica (o absoluta). Es una propiedad del fluido, y caracteriza el grado de resistencia que el fluido opone a su movimiento.
- Unidades de sm
kgs,Pa,
m
sN
2
placa móvil
placa fija
F
perfil de velocidades
v
dv´> dv dv´= dv
Isaac Newton
(1643-1716)
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2. Propiedades de un fluido
2.2 Viscosidad
- Viscosidad Cinemática:
- La viscosidad en los líquidos se debe a la cohesión, y en los gases al intercambio de cantidad de movimiento.
- La cohesión y por tanto la viscosidad de un líquido disminuye al aumentar la temperatura. Por el contrario, la actividad molecular y en consecuencia la viscosidad de un gas aumenta con ella.
s
m2
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2. Propiedades de un fluido
2.2 Viscosidad alta viscosidad
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2. Propiedades de un fluido
2.2 Viscosidad baja viscosidad
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2. Propiedades de un fluido
2.2 Viscosidad Aire: baja viscosidad
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2. Propiedades de un fluido
2.2 Viscosidad
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2. Propiedades de un fluido
2.2 Viscosidad Viscosímetros
de Tubo Capilar Rotatorios Empíricos de Hoppler
Viscosímetro de EnglerViscosímetro de
Caída de BolaViscosímetro de Ostwald
Viscosidades relativas: el tiempo que tarda en fluir un volumen de líquido por un capilar es proporcional a la viscosidad cinemática. Dicho tiempo se compara con el del agua destilada. El valor obtenido es adimensional y no es proporcional a y . Se usan a modo comparativo.
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2. Propiedades de un fluido
2.2 Viscosidad
• Grados SAE (Society Automobile Engineers, EE.UU.)
- 11 categorías para los lubricantes de motor de combustión interna: aceites monogrado y multigrado (baja viscosidad a bajas temperaturas, -W-, y viscoso a altas temperaturas -100 ºC-).
- Mas categorías para otros lubricantes industriales.
• Grados Engler
SA E 10 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0
oE 3 5 5 7 7 9 9 1 2 1 2 1 9 1 9 2 7
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2. Propiedades de un fluido
2.3 Compresibilidad
La variación de volumen ( V) que sufre una sustancia al variar su presión ( p) es diferente para cada sustancia (es una propiedad).
• Coeficiente de compresibilidad:
p
v
2
1
líquido
v p p+v
v
p
• Módulo de elasticidad volumétrico:Sustancia K20 ºC [MPa]
Aire 0.01
Alcohol etílico 896
Benceno 1062
Aceite lubricante 1303
Agua 2179
Glicerina 4509
Mercurio 24750
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2. Propiedades de un fluido
2.4 Presión de saturación. Cavitación
0,01 7
1 100
2 120
20 212
40 250
60 276
80 295
100 311
150 342
200 366
220 374
En instalaciones hidráulicas hay situaciones en las que lapresión del agua puede disminuir tanto, que llega a hervir.
La burbujas de vapor de agua, si se formaran, llegan a zonasde mayor presión, y el vapor se condensa bruscamente.Quedan unas cavidades vacías que son rellenadas conímpetu por el agua que las envuelve (se han llegado a medirhasta el millar de atmósferas). Sólo duran milésimas desegundo; serían como picotazos que reciben las paredes, queserían corroídas en muy poco tiempo.
Aguapsat [bar] Tsat [ºC]
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2. Propiedades de un fluido
2.4 Presión de saturación. Cavitación
Por ejemplo, a la salida del rodete de una turbina Francis conviene que el agua salga con bastante depresión; aunque sólo hasta el límite de cavitación.
burbuja de vapor
cavidad vacía
implosión
rodete
tubo de
aspiración
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2. Propiedades de un fluido
2.4 Presión de saturación. Cavitación
corrosión por cavitación
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2. Propiedades de un fluido
2.4 Presión de saturación. Cavitación
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2. Propiedades de un fluido
Cavitación en bombas hélice
2.4 Presión de saturación. Cavitación
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2. Propiedades de un fluido
2.5 Tensión Superficial. Capilaridad
• Las moléculas a lo largo de la superficie libre del líquido están sometidas a una fuerza neta hacia el interior.
• Consecuencia física de esta fuerza no equilibrada a lo largo de la superficie: creación de una ‘piel’ o ‘membrana’ hipotética.
• Tensión superficial, σ: intensidad de la atracción molecular por unidad de longitud. Unidades en SI: N/m.
• Es la razón de la ascensión o bajada de líquidos por tubos de diámetro muy pequeño (capilaridad).
• Suele despreciarse en las aplicaciones de Ingeniería Fluidomecánica.
Líquido σ [N/m]
Agua 0,073Alcohol 0,0225Benceno 0,029Petróleo 0,025Glicerina 0,065Mercurio 0,490
(Límite de separación con el aire)