UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL MECÁNICA DE FLUIDOS.

PROPIEDADES BÁSICAS DE LOS FLUIDOS

LABORATORIO MECANICA DE FLUIDOS

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CONTENIDO

DEFINICION DE FLUIDOS ......................................................................................................... 3

¿Qué es un fluido? .............................................................................................................. 3

DENSIDAD ........................................................................................................................... 3

PESO ESPECÍFICO ................................................................................................................ 4

VOLUMEN ESPECÍFICO ........................................................................................................ 4

DENSIDAD RELATIVA........................................................................................................... 4

PRESIÓN HIDROSTÁTICA ..................................................................................................... 5

COMPRESIBILIDAD .............................................................................................................. 6

VISCOSIDAD ........................................................................................................................ 6

DESCRIPCION DEL ENSAYO ..................................................................................................... 8

EQUIPO UTILIZADO ................................................................................................................. 8

DATOS DE LAVORATORIO ....................................................................................................... 9

CALCULOS ............................................................................................................................... 9

RESULTADOS ......................................................................................................................... 11

Mercurio ........................................................................................................................... 11

Aceite ................................................................................................................................ 11

Gasolina ............................................................................................................................ 11

ANEXOS ................................................................................................................................. 12

BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................................... 13

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DEFINICION DE FLUIDOS

¿Qué es un fluido?

Contestaciones informales: Sustancia que puede fluir. Sustancia que se adapta al recipiente que la contiene. Definición formal: Un fluido es una sustancia que no puede soportar ningún esfuerzo de cizalla sin moverse (fluir). Como podemos ver en la figura cuando un esfuerzo de cizalla actúa sobre un sólido, éste se deforma un cierto ángulo. Si el esfuerzo se mantiene, en un sólido, el ángulo permanece constante, mientras que en el fluido el ángulo aumenta indefinidamente con el tiempo. Además cuando el esfuerzo de cizalla desaparece, el movimiento desaparece, pero a diferencia del sólido, el fluido ya no recupera su forma inicial.

Los fluidos engloban tanto a líquidos como gases. El origen de la diferencia entre líquidos y gases está en la magnitud de sus fuerzas cohesivas. En un líquido la distancia intermolecular es menor, por tanto, las fuerzas cohesivas son también mayores. Esto se traduce en el campo macroscópico a que los líquidos tienden a conservar su volumen Sin embargo, un gas es libre de expansionarse hasta que encuentre paredes que lo confinan.

DENSIDAD

La densidad se define como la cantidad de materia contenida por unidad de volumen de una sustancia. Se puede expresar como densidad de masa, densidad relativa, peso específico o volumen específico. La densidad másica, ρ se define como la masa de una sustancia por unidad de volumen. Las unidades en el SI son kg/m3.

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¿Depende la densidad del volumen V considerado? Sabemos que la distancia entre las moléculas es mucho mayor que el diámetro molecular en fluidos y éstas se mueven libremente. Como consecuencia, el número de moléculas contenidas en un volumen cambia continuamente. Para que este efecto sea despreciable deben de cumplirse dos condiciones. La primera es que el volumen considerado sea mucho mayor que el cubo del espaciado molecular, λ3. La segunda es que el volumen debe ser lo suficientemente pequeño para que no sean relevantes las fluctuaciones moleculares. El volumen que cumple ambas condiciones está en torno a 10-9 mm3 para todos los líquidos y gases a presión atmosférica. La densidad relativa se define como el cociente entre la densidad de una sustancia y un valor estándar, carece por tanto de unidades. Se usa generalmente sólo en líquidos y sólidos. Un estándar habitual corresponde a la densidad máxima del agua a presión atmosférica que se corresponde a una temperatura de 4 °C.

PESO ESPECÍFICO

Se define como el peso por unidad de volumen, sus unidades en SI son kg m-2 s-2 :

VOLUMEN ESPECÍFICO

Se define como la inversa de la densidad másica, sus unidades en SI son m3/kg.

DENSIDAD RELATIVA

La densidad relativa es una comparación de la densidad de una sustancia con la densidad de otra que se toma como referencia. La densidad relativa es adimensional (sin unidades), ya que queda definida como el cociente de dos densidades.

A veces se la llama gravedad específica (del inglés specific gravity) especialmente en los países con fuerte influencia anglosajona. Tal denominación es incorrecta, por cuanto que en ciencia el término "específico" significa por unidad de masa.

La densidad relativa está definida como el cociente entre la densidad de una sustancia y la de otra sustancia tomada como referencia, resultando

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Donde:

es la densidad relativa,

es la densidad absoluta,

es la densidad de sustancia.

Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua es de 1000 kg/m3

Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0 °C.

PRESIÓN HIDROSTÁTICA

Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión y de la altura a la que esté sumergido el cuerpo y se calcula mediante la siguiente expresión:

Donde, usando unidades del SI,

es la presión hidrostática (en pascales); es la densidad del líquido (en kilogramos sobre metro cúbico); es la aceleración de la gravedad (en metros sobre segundo al cuadrado); es la altura del fluido (en metros). Un líquido en equilibrio ejerce fuerzas

perpendiculares sobre cualquier superficie sumergida en su interior.

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COMPRESIBILIDAD

Hemos analizado ya el módulo de compresibilidad en el tema anterior. Sin embargo, son los líquidos las sustancias para las que tiene más interés ya que los sólidos son muy poco compresibles y los gases son tan compresibles que B no es constante sino que varía con la presión (la dependencia se pude obtener fácilmente a partir de la ecuación de estado del gas). En el caso de los líquidos el valor de B es grande (compresibilidad es pequeña) y cambia poco con la presión y densidad. Por lo general, B aumenta con la presión (es explicable desde el punto de vista molecular ya que cuando la presión aumenta las moléculas están más juntas) y disminuye con la temperatura (si la temperatura aumenta el fluido se dilata, la distancia entre las moléculas aumenta y B disminuye). Una excepción a la disminución de B con el aumento de la temperatura lo constituye el agua a presión atmosférica donde B aumenta hasta 49 ºC, temperatura a partir de la cual sigue el comportamiento general. A modo de ejemplo, para duplicar el valor de B del agua tenemos que pasar de 1 a 3500 atm. La expresión que dimos para B puede rescribirse en función de la densidad:

Por tanto, si consideramos como aceptable un cambio de 1% en densidad, aceptaremos que un fluido es incompresible si Los efectos de compresibilidad, son importantes en muy pocas situaciones prácticas y en general los cambios de presión que ocurren en Mecánica de Fluidos no son suficientes para causar cambios apreciables en la densidad y los fluidos se pueden considerar como incompresibles. Se demostrará más adelante que la velocidad y el incremento de presión están relacionados ( ). Por tanto, la compresibilidad será apreciable para velocidades altas. A modo de regla práctica la compresibilidad será importante cuando la velocidad de un fluido sea un quinto de la velocidad del sonido en el fluido (velocidad del sonido 340 m/s en el aire).

VISCOSIDAD

Cuando aplicamos un esfuerzo de cizalla a un sólido éste se deforma un cierto ángulo. Si aplicamos el mismo esfuerzo a un fluido en reposo, por definición, no podrá soportar un esfuerzo de cizalla, se deformará un ángulo que aumentará indefinidamente con el tiempo y fluirá. De ahí que en el caso de los fluidos la magnitud relevante no sea el ángulo de deformación sino la velocidad de deformación en cizalla. Imaginemos un fluido en contacto con una superficie sólida que ejerce sobre él un esfuerzo de cizalla en la dirección x. El movimiento del fluido (en dicha dirección) será tal que las partículas en contacto con la superficie sólida tendrán su misma velocidad, mientras que las más alejadas tendrán velocidades menores. Si denotamos como y la dirección perpendicular a la superficie, la velocidad del fluido en la dirección x varía con la distancia y de acuerdo con la expresión:

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Donde μ es la viscosidad. La viscosidad es, por tanto, la constante de proporcionalidad entre el esfuerzo de cizalla y la variación de la velocidad en la dirección transversal al movimiento. A esta viscosidad se le denomina viscosidad absoluta o dinámica (nosotros nos referiremos a ella simplemente como viscosidad). Sus unidades en el SI son Pa.s (o kgm-1s-1). Con frecuencia se emplea para la viscosidad la unidad del sistema cegesimal poise (P), debido a la casualidad de que la viscosidad del agua a 20 ºC es aproximadamente 1 centipoise.

Como veremos en el tema dedicado a la viscosidad en algunas expresiones nos aparece la viscosidad dividida por la densidad. Es útil por tanto definir viscosidad cinemática, , como el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad. Las unidades en el SI de la viscosidad cinemática son m2/s.

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DESCRIPCION DEL ENSAYO

El ensayo consiste en medir la altura de dos líquidos en un barómetro, entre las cuales

se utilizaran diversas combinaciones de líquidos; agua-aceite, agua-gasolina, agua-

mercurio. Con lo cual conociendo la densidad del agua podemos encontrar en función

de esta la densidad del otro liquido:

Utilizando la siguiente exprecion:

Teniendo la densidad del líquido podemos encontrar las propiedades básicas del

líquido.

Como los manómetros tienen una cinta graduada se utilizara para tomar las medidas

de la altura de los liquidos, entre las cuales obtendremos h1, h2 y h3.

EQUIPO UTILIZADO

Para el desarrollo de la práctica se utilizaron barómetros de manguera:

Manómetro con agua-aceite.

Manómetro con agua-gasolina.

Manómetro con agua-mercurio.

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DATOS DE LAVORATORIO

Manómetro agua-mercurio

Manómetro agua-aceite

Manómetro agua-gasolina

CALCULOS

Manómetro agua-mercurio

Densidad:

Peso Especifico:

Densidad Relativa:

Volumen Especifico:

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Manómetro agua-aceite

Densidad:

Peso Especifico:

Densidad Relativa:

Volumen Especifico:

Manómetro agua-gasolina

Densidad:

Peso Especifico:

Densidad Relativa:

Volumen Especifico:

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RESULTADOS

Mercurio

SISTEMA DENSIDAD PESO

ESPECIFICO DENSIDAD RELATIVA

VOLUMEN ESPECIFICO

INTERNACIONAL

GRAVITACIONAL INGLES

13.864

TECNICO GRAVITACIONAL

13.864

Aceite

SISTEMA DENSIDAD PESO

ESPECIFICO DENSIDAD RELATIVA

VOLUMEN ESPECIFICO

INTERNACIONAL

GRAVITACIONAL INGLES

TECNICO GRAVITACIONAL

Gasolina

SISTEMA DENSIDAD PESO

ESPECIFICO DENSIDAD RELATIVA

VOLUMEN ESPECIFICO

INTERNACIONAL

GRAVITACIONAL INGLES

TECNICO GRAVITACIONAL

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ANEXOS

Gasolina-Agua Aceite-Agua Agua-Mercurio

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BIBLIOGRAFIA

Densidad relativa [En línea] // Wikipedia-La ensiclopedia libre. - 30 de Agosto de 2011. -

http://es.wikipedia.org/wiki/Densidad_relativa.

MECANICA DE FLUIDOS. Sexta edición [Libro] / aut. Mott Robert L.. - México : PEARSON,

2006.

Presión en un fluido [En línea] // Wikipedia-La enciclopedia libre. - 30 de Agosto de

2011. - http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_en_un_fluido.

PROPIEDADES BADICAS DE LOS FLUIDOS. [Material de apoyo] /Practica No. 1, Laboratorio

de fluidos.