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8/17/2019 UNIDAD I PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS ABRIL - AGOSTO 2016.docx

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Hidromecánica I Propiedades de los

Fluidos

HIDROMECANICA I

UNIDAD I: PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

I.1.- INTRODUCCION Y DEFINICION:

Mecánica de Fluid!.- Es la parte de la mecánica de medios continuos (que a su vez esuna rama de la física) que estudia las leyes del comportamiento de los fluidos, tanto enreposo como en movimiento. Dichas leyes son las de la conservación de la materia y dela energía y las leyes del movimiento de e!ton.

De"e aclararse que dentro del estudio de los fluidos compresi"les se aplican tam"i#nalgunas leyes de la termodinámica.

I.".- APLICACIONES DE LA HIDROMECANICA.

$os fluidos constituyen un aspecto de gran inter#s en la t#cnica y en primer lugar elagua y el aire% sin el estudio del primero no se puede dar un paso en la oceanografía,ingeniería naval, canalizaciones y conducciones hidráulicas, estructuras hidráulicas,aprovechamiento de la energía hidráulica, estaciones de "om"eo, etc% sin el estudio delsegundo es imposi"le la aeronáutica, meteorología, refrigeración y aire acondicionado,control y transmisión neumática, aire comprimido, etc. &tros fluidos importantes sonlos com"usti"les (motores t#rmicos), los lu"ricantes (rendimiento mecánico de lasmáquinas) y los refrigerantes. En particular, las aplicaciones específicas de lahidromecánica son las siguientes'

I.".1.- Má#uina! de $luid.- ransforman la energía de un fluido en energíaaprovecha"le. or e*emplo en una central hidroel#ctrica una tur"ina hidráulicatransforma la energía de posición del agua en energía el#ctrica y en una central t#rmicauna tur"ina de vapor transforma tam"i#n la energía del vapor producido por una caldera

por la com"ustión de otro fluido (gas+oil, fuel+oil, gas natural, diesel) en energíael#ctrica.

I.".".- Rede! de di!%&i'uci(n.- $a llegada de los fluidos a los puntos de consumo (agua,gas natural) a las viviendas% gasolina y diesel a las estaciones de servicio% aire

comprimido en talleres y fá"ricas, etc. se hace a trav#s de sistemas de redes dedistri"ución (redes de agua, oleoductos, gasoductos, etc) que presentan mltiples pro"lemas en cuanto a la selección de diámetros de tu"erías y distri"ución de presionesy caudales.

I.".).- Re*ulaci(n de la! +á#uina!.- $a regulación hidráulica o electrohidráulica delas tur"inas en las centrales hidroel#ctricas y t#rmicas, la regulación de mltiples

procesos industriales, etc, es otro campo muy relacionado con la mecánica de fluidos ehidromecánica.

I.".,.- T&an!+i!ine! cn%&le! id&áulic! neu+á%ic!.- $a -idráulica y laneumática industrial, que son ramas de la mecánica de fluidos, se ocupan del diseo y

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Fluidos

funcionamiento de los sistemas hidráulicos, servomotores, etc que el automatismo seutiliza *unto con los controles electrónicos.

I.).- DEFINICION DE FLUIDO.

/0luido es una sustancia que se deforma continuamente, o sea se escurre, cuando estásometido a un esfuerzo de corte o tangencial/. $os fluidos son su"stancias capaces de1fluir2 y de"ido a su poca cohesión intermolecular carecen de forma propia y adoptan laforma de los recipientes que los contienen.

Esta fuerza tangencial dividida para el área de la superficie se conoce como tensión de

cortadura o esfuerzo cortante. ( τ = F / A ). $a deformación resultante se llama

deformación angular ( δα ). 3uando están en equili"rio, los fluidos no pueden

soportar fuerzas tangenciales o cortantes.

Fluid ideal.- Es un fluido sin fricción e incompresi"le. 4n fluido ideal tiene viscosidadcero, es decir no puede soportar esfuerzos cortantes en ningn punto.

$os fluidos se clasifican en líquidos y gases.

$os líquidos a una presión y temperatura determinada ocupan un volumen determinado.5ntroducido el líquido en un recipiente adopta la forma del mismo.

$os gases a una presión y temperatura determinada tienen tam"i#n un volumen

determinado, pero puestos en li"ertad se e6panden hasta ocupar el volumen completodel recipiente que lo contiene y no presenta superficie li"re.

En resumen' los sólidos ofrecen gran resistencia al cam"io de forma y volumen% loslíquidos ofrecen gran resistencia al cam"io de volumen pero no de forma y los gasesofrecen poca resistencia al cam"io de forma y de volumen.

or lo tanto el comportamiento de los líquidos y gases es análogo en conductos cerrados(tu"erías)% pero no en conductos a"iertos (canales), porque solo los líquidos son capacesde crear una superficie li"re.

I.,.- PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS.

$os fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades físicas que permitencaracterizar y cuantificar su comportamiento así como distinguirlos de otros. 7lgunas deestas propiedades son e6clusivas de los fluidos y otras son típicas de todas lassustancias. 3aracterísticas como la viscosidad, tensión superficial y presión de vapor solo se pueden definir en los líquidos y gases. 8in em"argo la masa específica, el pesoespecífico y la densidad son atri"utos de cualquier materia.

I.,.- DENSIDAD /A0SOLUTA DE UN FLUIDO

8e define como la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia.

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Fluidos

ρ=m

V

$a densidad de los sólidos y líquidos se mide en unidades coherentes' g9cm:% ;g9m: y

utm9m:

.$a densidad de los gases se suele e6presar en g9litro o en g9cm:.

$a densidad del agua a ? g9cm: > ?@@@ ;g9m: > ?@A.< utm9m:.

I.2.- DENSIDAD RELATI3A /4RA3EDAD ESPEC5FICA

$a densidad relativa de una su"stancia es la relación o cociente entre la densidad de lamisma y la correspondiente a otra su"stancia que se toma como patrón. En los sólidos ylos líquidos la densidad relativa se suele referir al agua, mientras que los gases

normalmente se refieren al aire.

En condiciones normales' A@=3 y una presión a"soluta de BC@ mm de -g% tam"i#n se puede e6presar como la relación entre su densidad o peso específico y la del agua.

S= ρ

ρagua=

γ

γ agua=

masa( peso)del cuerpomasa( peso)deun volumenigual deagua

$a densidad relativa del agua es igual a ? en cualquier sistema de unidades.

I.6.- 3OLUMEN ESPEC5FICOEs el inverso de la densidad, es decir es el volumen que ocupa la unidad de masa

Vs= 1

ρ=

1

γ

I.7.- PESO ESPEC5FICO /LI8UIDOS

El peso específico de la su"stancia es la relación del peso por unidad de volumen.3am"ia con la situación dependiendo de la gravedad de dicha su"stancia.

γ =W

V ; → W =m∗g

El peso específico del agua es ?@@@ g9m: ($545D&8)

1.9.- PESO ESPEC5FICO /4ASES

p∗VsT = R

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Fluidos

($ey de 3harles y Foyle)% donde p es la presión a"soluta en ;g9m A% Gs es el volumenespecífico o volumen ocupado por la unidad de peso en m:9;g, es la temperaturaa"soluta en grados elvin (? > =3 H AB:) y I la constante del gas en m9=.

3omo γ > ?9Gs, la ecuación anterior puede escri"irse de la siguiente manera'

γ = p

R∗T

I..- PRESION MEDIA

Es la fuerza normal que acta so"re un área media. iene unidades de fuerza so"re área,es decir g9cmA% g9mA% l"9plgA (85)% a (9mA)% atm. am"i#n se puede e6presar enfunción de una longitud de una columna de fluido (m.c.a)

E;ERCICIOS PARA RESOL3ER EN CLASE:

?.+ -allar la densidad a"soluta y relativa de la gasolina sa"iendo que J? g de dichasu"stancia ocupan un volumen de BJ cm:.

A.+ 3alcular la densidad a"soluta en 4K9m:, el peso específico en ;g9m: y la densidadrelativa del aluminio, sa"iendo que : m: pesan L?@@ ;g.

:.+ 3alcular el volumen en litros de


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Fluidos

sólidos. 7demás los fluidos pueden ser en general clasificados de acuerdo a la relaciónque e6ista entre el esfuerzo de corte aplicado y la velocidad de deformación.

$a viscosidad de un fluido es una medida de su resistencia a fluir, como resultado de lainteracción y cohesión de sus mol#culas.

Es aquella propiedad que determina la cantidad de resistencia opuesta a las fuerzascortantes.

$a viscosidad de un gas aumenta con la temperatura, mientras que la viscosidad de unlíquido disminuye con la temperatura.

$a $ey de Giscosidad de e!ton esta"lece que para una velocidad angular dedeformación dada del fluido, la tensión de cortadura (esfuerzo cortante) es directamente

proporcional a la viscosidad'

τ = μ dv

dy N μ=

τ

dv

dy

E6isten dos tipos de viscosidades'

?.+ Giscosidad 7"soluta o Dinámica.+ es directamente proporcional a la tensión decortadura e inversamente proporcional a la velocidad angular'

μ= τ

dv

dy

$as unidades de O son'

μ=

g

m2

m

s

m

μ=g∗s

m2 N 0$+A (8istema Pravitacional)

K$+?+? (8istema 7"soluto) 1( g∗sm2 )=98

g

cm∗s ( !"#S$S )

A.+ Giscosidad 3inemática. Es el cociente de la viscosidad dinámica para la densidad'

ϑ = μ ρ

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Fluidos

$a unidad utilizada para la viscosidad cinemática es el 8&E

? 8&E > ? cmA9s > @.@@@? mA9s

CARACTER5STICAS DE LA 3ELOCIDAD DE DEFORMACI=N 0A;OESFUER>O CORTANTE PARA DI3ERSOS TIPOS DE FLUIDOS

a) $os fluidos ne!tonianos se comportan de acuerdo con la ley de e!ton, es decir que la tensión cortante es proporcional al gradiente de velocidades o velocidad dedeformación tangencial. or tanto, para estos fluidos, la gráfica de la tensióncortante en función del gradiente de velocidades es una línea recta que pasa por elorigen. $a pendiente de esta recta determina la viscosidad.

") En un fluido 1ideal2 la resistencia a la deformación cortante o tangencial es nula, deaquí que su gráfica coincide con el e*e de las a"scisas.

c) ara un sólido rígido 1ideal2 no hay deformación "a*o ningn estado de carga, y lagráfica coincide con el e*e de las ordenadas. $os sólidos reales sufren siemprealguna deformación y, dentro del límite de proporcionalidad (ley de -oo;e), lagráfica es una línea recta casi vertical.

d) $os fluidos no ne!tonianos se deforman de manera que la tensión cortante no es proporcional a la velocidad de deformación tangencial, e6cepto quizá a tensionescortantes muy pequeas. $a deformación de estos fluidos pudiera clasificarse como

plástica.

e) $os materiales plásticos 1ideales2 pueden soportar cierta cantidad de esfuerzocortante sin deformarse, y a partir de un cierto valor de aqu#l se deforman con unavelocidad proporcional a la tensión cortante.

0luidos e!tonianos son' el agua, aire, la mayor parte de los gases y en general losfluidos de pequea viscosidad.

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Fluidos

Entre los fluidos no ne!tonianos se encuentran' las grasas, materiales plásticos, metaleslíquidos, suspensiones, la sangre, etc. $a ciencia que estudia los fluidos no ne!tonianosse llama 1IE&$&P572.

E;ERCICIOS DE 3ISCOSIDAD

?.+ $a viscosidad del agua a A@/ 3 es @,@?@@L poises. 3alcular la viscosidad a"soluta en;g seg9mA. (") 8i la densidad relativa a A@/ 3 es @,QQL, calcular el valor de la viscosidadcinemática en 8&E8 y en mA9seg.

A.+ 4n líquido con viscosidad dinámica de ?,J 6 ?@+: ;g seg9mA fluye so"re una paredhorizontal. 3alcular el gradiente de velocidades y la intensidad del esfuerzo tangencialen la frontera y en puntos situados a uno, dos y tres centímetros desde la misma,suponiendo a) una distri"ución lineal de velocidades, y ") una distri"ución para"ólica develocidades. $a pará"ola tiene su v#rtice en el punto 7 y el origen del sistema de e*es

está en F.

:.+ 4n cilindro de @.?AA m de radio gira conc#ntricamente dentro de otro cilindro fi*o de

@.?ALm de radio, am"os con @.:@m de longitud. Determinar la viscosidad del líquidoque llena el espacio entre am"os cilindros si se necesita un par motor de @.@Q ;gRm paramantener una velocidad angular de C@ rpm en el cilindro móvil.


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Fluidos

C.+ 4n cuerpo de (@,@@AA@t + ?,:J9t)%

entonces'

ϑ > (@,@@AA@RJ?@ + ?,:J9J?@) > ?.??Q 8&E8 (cmA9s)

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Fluidos

ϑ ? 1.11 @ 1


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Fluidos

E;ERCICIOS

?.+ 4n líquido comprimido en un cilindro tiene un volumen de @. p (en ;g9mA)

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Fluidos

PARA CONDICIONES ADIA0ATICAS O ISOENTROPICAS (sin intercam"io decalor) las e6presiones anteriores se convierten en'

p1

V 1

= p2

V 2

y ( γ 1γ

2)

= p1

p2

=cons%an%e

am"i#n'T 2

T 1

=( p2 p1)( −1 )/

Entonces el Kódulo Golum#trico E > ;p (en ;g9mA). Donde ; es la relación de caloresespecíficos a presión constante y a volumen constante, se llama tam"i#n e6ponenteadia"ático.

E;ERCICIOS?.+ 4n cilindro contiene :JC dm: de aire a


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Fluidos

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Fluidos

FUENTE: Piles, Ianald, Editorial KcPra!+-ill. KE3Z537 DE $&8 0$45D&8 E-5DIZ4$537

DE0ER N.1 DE HIDROMECANICA I

PARTE I.

A. CONTESTE EL SI4UIENTE CUESTIONARIO.

?.+ Defina que es fluido y cuando se considera un fluido ideal.

A.+ 5ndique cuatro propiedades generales y cuatro propiedades e6clusivas de los fluidos.

:.+. Defina que es gravedad específica e indique en condiciones normales que unidadestiene.


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Fluidos

?@.+ u# estudia la Ieología.

??.+ 5ndique J e*emplos de líquidos no e!tonianos.

?A.+ Defina que es compresi"ilidad de un fluido e indique qu# relación tiene con el

módulo de elasticidad.?:.+ Defina que es módulo de elasticidad volum#trica e indique si varía o permanececonstante con la temperatura.

?


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Fluidos

C.+ 8i un "arril de petróleo tiene un volumen de ?JQ litros y pesado en una "áscula consu contenedor pesa ?J@@ , en tanto que el peso del contenedor es de ?@@ .Determinar la densidad de dicho petróleo e6presada en ;g9m: y su densidad relativa

B.+ S7 qu# presión en ;g9cmA tendrá el aire un peso específico de ?,Q?@ ;g9m: si la

temperatura es de J@= 3T

L.+ 3on referencia a la figura, el fluido tiene una viscosidad a"soluta de


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Fluidos

?A.+ 4n "loque cuadrado que pesa AB y tiene A@ cm de arista, se de*a deslizar por un plano inclinado en el que e6iste una película de aceite de viscosidad A,?JC 6 ?@+: Rs9mA

y de ? mm de espesor. S8iendo la velocidad límite a la que desciende de JQ@ m9min,

cuál es la inclinación ] del planoT

?:.+ 4na placa que dista @.J mm de otra placa fi*a, se mueve a una velocidad de :@cm9s, requiri#ndose para mantener esta velocidad una fuerza por unidad de área de @,A;g9cmA. Determinar la viscosidad del fluido que ocupa el espacio entre las dos placas, en

poises.

?


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Fluidos

?C.+ 4n vehículo va a ser convertido a gas natural. ara ello se le instalarán doscilindros con un volumen de BJ litros cada uno. 8a"iendo que el gas natural seráinyectado a A@@ atm a"solutas, a una temperatura de ?J=3 y con una constante del gasde J: m9=. Encontrar en cuanto se incrementa el peso del vehículo cuando los tanquesde gas están llenos. E6presar el valor en .

?B.+ ara un aumento de presión de B@ ;g9cmA, la densidad del agua en qu# proporciónaumentaT El módulo de elasticidad volum#trico del agua es A.? 6 ?@L ;g9mA.

?L.+ 4na tu"ería se va a pro"ar hidráulicamente a ?A@ atm. 8e la llena con J@@@ m : deagua hasta presión am"iente. Despreciando la dilatación de la tu"ería y considerando unmódulo de elasticidad de A?@@@ ;g9cmA, determinar el volumen de agua en m: a agregar

para alcanzar la presión de prue"a.

?Q.+ El módulo de elasticidad del agua a una determinada presión y temperatura es de

A?@@@ ;g9cmA. 3uánta presión será necesario aplicar al agua para reducir su volumen en?MT. E6presar el resultado en 9cmA.

A@.+ 4n recipiente de acero se e6pande ?M en volumen cuando la presión en su interior se aumenta en ?@@@@ psi. 7 presión estándar, ? :@@@@@ psi, cuando est# lleno, cuántas li"ras masa de"eránagregarse para aumentar la presión a ?@@@@ psiT

C.- TRA0A;OS DE IN3ESTI4ACION

ensión superficial.3apilaridad

resión de vapor.

3omportamiento de los fluidos no ne!tonianos.

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