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MECÁNICA DE FLUIDOS
Prof. Francisco Vargas
2013
UNIVERSIDAD FERMIN TORO
ESCUELA DE MANTENIMIENTO MECÁNICO
MECANICA DE LOS FLUIDOS
V SEMESTRE
UNIDAD I Conceptos Básicos -
Propiedades de los Fluidos
Ambito de la Mecánica de Fluidos
 Existen dos tipos de fluidos: gases y líquidos,
siendo el aire y el agua los más comunes. En
muchos aspectos de nuestra vida diaria esta
presente la mecánica de fluidos, como en el flujo de
tuberias y canales, los movimientos del aire y de la
sangre en el cuerpo, el movimiento de proyectiles,
los chorros, las ondas de choque, etc.
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Definición
 Es la rama de la ingeniería que trata del
comportamiento de los fluidos (líquidos,
gases y vapores), es a su vez, una parte de
una disciplina más amplia llamada Mecánica
de Medios Continuos, que incluye también
el estudio de sólidos sometidos a esfuerzos.
Prof. Francisco Vargas
MECÁNICA DE FLUIDOS
Estática de Fluidos1
Dinámica de Fluidos2
Cinemática3
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
RAMAS DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS
Prof. Francisco Vargas
MECÁNICA DE FLUIDOS
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Estática de Fluidos
 Es el estudio de la mecánica de fluidos en reposo, es
decir, trata a los fluidos en el estado de equilibrio sin
esfuerzo cortante.
Dinámica de Fluidos
 Es el estudio de la mecánica de fluidos que trata de las
relaciones entre velocidades y aceleraciones y las
fuerzas ejercidas por o sobre fluidos en movimiento.
Cinemática
 Es el estudio de la mecánica de fluidos que trata de las
velocidades y las lineas de corriente sin considerar
fuerzas y energías.
MECÁNICA DE FLUIDOS
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Definición
 Un fluido puede definirse como una
sustancia que no resiste, de manera
permanente, la deformación causada por
una fuerza, por tanto, cambia de forma.
FLUIDOS
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Comportamiento de los fluidos
 El comportamiento de los fluidos es importante para
los procesos de ingeniería en general y constituye
uno de los fundamentos para el estudio de las
operaciones industriales. El conocimiento de los
fluidos es esencial, no solamente para tratar con
exactitud los problemas de movimento de fluidos a
través de tuberías, bombas, etc; sino también para
el estudio de flujo de calor y muchas operaciones
de separación que dependen de la difusión y la
transferencia de materia.
FLUIDOS
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Reología
 La Reología es la ciencia del flujo que estudia la
deformación de un cuerpo sometido a esfuerzos
externos .Su estudio es esencial en muchas industrias,
incluyendo las de plásticos, pinturas, alimentación,
tintas de impresión, detergentes o aceites lubricantes,
por ejemplo.
FLUIDOS
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Reología
FLUIDOS
Figura Nº1: Algunos tipos de comportamiento reológicos
Prof. Francisco Vargas
Mecánica de fluidos, es la parte de la física que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las
aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos
como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía.
Mecánica
de fluidos
Dinámica de
fluidos
Estática de
fluidos,
(hidrostática)
Hidrodinámica
Aerodinámica
Prof. Francisco Vargas
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
ANTECENDENTES HISTORICOS
Arquímedes (287-212 a.C.) Leyes de la Flotación.
Leonardo da Vinci (1452-1519) Ecuación de Continuidad.
Torricelli (1608-1647) Salida por un orificio. Relación entre la altura y la presión
atmosférica.
 Pascal (1623-1662) Ley de Pascal.
 Newton (1642-1726) Ley de viscosidad dinámica.
Bernoulli (1700-1782) Teorema de Bernoulli.
Euler (1707-1783) Ecuaciones diferenciales del movimiento del fluido ideal;
formulación del teorema de Bernoulli; Teorema fundamental de las Turbomáquinas.
D’Alembert (1717-1783) Ecuación diferencial de continuidad.
Lagrange (1736-1813) Función potencial y función de corriente.
Venturi (1746-1822) Flujo en embocaduras y contracciones; Medidor de Venturi.
Poiseuille (1799-1869) Resistencia en tubos capilares: Ecuación de Poiseuille.
Weisbach (1806-1871) Fórmula de resistencia en tuberías.
 Froude (1810-1879) Ley de semejanza de Froude.
 Navier (1785-1836) y Stokes (1819-1903) Ecuaciones diferenciales de Navier-Stokes
del movimiento de los fluidos viscosos.
Reynolds (1842-1912) Número de Reynolds; Distinción entre flujo laminar y
turbulento.
 Rayleigh (1842-1919) Propuso la técnica del análisis dimensional.
Joukowski (1847-1921) Estudios del golpe de ariete; perfiles aerodinámicos de
Joukowski.
 Prandtl (1875-1953) Teoría de la capa límite. Fundador de la moderna mecánica de
fluidos. Prof. Francisco Vargas
CONCEPTOS BASICOS
DEFINICION DE FLUIDO
Estados de
la materia
Plasma
Plásticos
Fluidos
Líquidos
(Incompresibles)
Volumen definido
Gases
(Compresibles)
Volumen indefinido, baja densidad
Sólidos
Prof. Francisco Vargas
El fluido como medio continuo
 Como toda la materia, los fluidos están compuestos por un gran número de moléculas en
permanente movimiento. Esto se debe a que en la mayor parte de las aplicaciones de ingeniería
lo que interesa son los efectos promedio o macroscópicos de un gran número de moléculas.
Estos efectos macroscópicos son los que corrientemente percibimos y medimos.
Por esta razón se trata a un fluido como
una sustancia infinitamente indivisible,
dicho de otro modo un medio continuo,
sin importar el comportamiento individual
de las moléculas.
Por ello, la densidad,
temperatura, velocidad, etc., se
consideran como funciones
continuas de la posición y el
tiempo.
Prof. Francisco Vargas
Medio continuo en la
mecánica de fluidos
Turbulento
ExternoInternoIncompresibleCompresible
Laminar
Viscoso μ ≠ 0No viscoso μ = 0
Prof. Francisco Vargas
Unidades y dimensiones
Densidad
Presión
Temperatura
¿Cómo se
expresan?
¿Cómo se
agrupan?
¿Cómo se
clasifican?
Abstractas Derivadas
Fundamentales
Dimensión
Unidad
Manifestaciones
moleculares
Longitud
Tiempo
Velocidad
Longitud,
Tiempo,
Masa y
temperatura
Se definen en
función a las
fundamentales.
velocidad,
densidad,
viscosidad, etc.
Expresión
cualitativa de
una magnitud
medible.
Valor numérico de
una dimensión,
depende del
sistema de
unidades
Magnitudes usadas en la
mecánica de los fluidos
Prof. Francisco Vargas
Dimensiones y unidades
Magnitud Representación dimensional Unidad S.I.
Masa M Kg
Longitud L Mts
Tiempo Θ Seg
Temperatura T OK
Tabla 1. Magnitudes fundamentales usadas en la mecánica de
fluidos
Prof. Francisco Vargas
Magnitud Representación dimensional Unidad S.I.
Velocidad Lθ-1
m/s
Aceleración Lθ-2
m/s2
Fuerza ML2θ-2
N (Kg·m/s2)
Área L2
m2
Volumen L3
m3
Presión F/L2 = ML-1θ-2
Pa (N/m2)
Densidad ML-3
Kg/m3
Energía FL = ML-1θ-2
J (Kg/ m/s2)
Potencia FL/θ = ML-1θ-3
W (Kg/ m/s3)
Energía interna FL/M = M2L-2
J/kg (N·m/Kg)
Viscosidad absoluta ML-1θ-1
Kg/m/s
Viscosidad cinemática L2θ-1
m2/s
Tabla 2. Magnitudes derivadas importantes en la mecánica de fluidos
Prof. Francisco Vargas
Principio de Homogeneidad dimensional
Cualquier ecuación deducida
analíticamente y que represente un
fenómeno físico debe satisfacerse en
cualquier sistema de unidades.
2 manzanas + 2 naranjas ≠ 4 manzanas
3 conejos ≠ 3 zanahorias
Prof. Francisco Vargas
Propiedades de los Fluidos
Temperatura
Presión
Densidad
Velocidad
Extensivas
Propiedades de los
fluidos
Dependen de la masa
total del sistema
No dependen de la
masa total del sistema
Intensivas
Masa
Cantidad de movimiento
Momento angular
Energía almacenada
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Densidad
 ρ=m/v → Líquidos, sólidos
Peso específico
 γ=ρ*g → Líquidos, sólidos
Volumen específico
 V=V/n →Gases, vapores
 V=V/m →Líquidos, sólidos
 V=1/ ρ
Densidad relativa
 DR= ρi/ ρH2O →Líquidos
 DR= ρi/ ρH2,Aire →Gases, vapores
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
ρi: densidad de la sustancia
ρH2O: densidad del agua
=1000Kg/m3=1g/ml
ρH2,Aire: densidad de
hidrogeno gaseoso ó del aire
Prof. Francisco Vargas
COMPRESIBILIDAD
INCOMPRESIBLES
Si se ve poco afectado por
los cambios de presión. Su
densidad es constante para
los cálculos. La mayoría de
los líquidos son
incompresibles. Los gases
tambien pueden ser
considerados incompresibles
cuando la variación de la
presión es pequeña en
comparación con la presión
absoluta.
ρ:constante
Fluidos
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
COMPRESIBLES
Cuando la densidad de un
fluido no puede considerarse
constante para los cálculos
bajo condisiones estáticas
como en un gas. La mayoría
de los gases se consideran
como fluidos compresibles
en algunos casos donde los
cambios de T y P son
grandes.
ρ:variable
Hidrostática Aerostática
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Compresibilidad de un Líquido
 La compresibilidad es el cambio de volumen
debido a un cambio de presión. Para un
líquido es inversamente proporcional a su
módulo de elásticidad volumétrico, también
denominado: Coeficiente de Compresibilidad.
Ev = -vdP/dv = -(v/dv)*dP [=] psia
 Ev: en tablas a diferentes T y P
COMPRESIBILIDAD
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Compresibilidad de un Gas
 La compresibilidad es el cambio de volumen
debido a un cambio de presión. Para un gas
involucra el tipo de proceso
 P*v=constante
Ev = -vdP/dv = nP [=] psia
 n=1 → procesos isotérmicos
 n=K → procesos adiabáticos-isentrópicos
COMPRESIBILIDAD
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Ecuaciones de estado de los gases
perfectos
 Las propiedades de un gas cumplen ciertas
relaciones entre sí y varían para cada gas.
Cuando las condiciones de la mayoría de los
gases reales están alejadas de la fase
líquida, estas relaciones se aproximan a la
de los gases perfectos ó ideales.
 Los gases perfectos se definen de la forma
usual, aquellos que tienen calor específico
constante y cumple la Ley de los Gases
Ideales.
GASES PERFECTOS
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Ley de los Gases Ideales
P*V=n*R*T
 P:presión del gas
 V: volumen del gas
 n: número de moles del gas
 R: constante de los gases ideales=0.0821 atm.L/gmol.K
 T: temperatura del gas
GASES PERFECTOS
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Para un volumen específico
P*v = R*T → v = 1/ρ
P/ρ =R*T → 1era Ecuación de
Estado
GASES PERFECTOS
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Densidad de un Gas
P*V=n*R*T → n= m/PM
P*V= (m*R*T)/PM
P*PM= (m*R*T)/V → m/V= ρ
ρgas = (P*PM)/(R*T) → Densidad de un Gas
GASES PERFECTOS
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Para el peso específico → γ=ρ*g
P/ρ =R*T → γ/g=ρ
Sustituyendo:
γgas = (g*P)/(R*T) 2da Ecuación de
Estado
GASES PERFECTOS
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Ley de Avogadro
 Establece que todos los gases a la misma
temperatura y presión bajo la acción de la gravedad
(g) tiene el mismo número de moléculas por unidad
de volumen, de donde se deduce que el peso
específico de un gas es proporcional a su peso
molecular (PM).
γ2/γ1=PM2/PM1=R1/R2
R1 y R2: dependen de la sustancia y se encuentra en tablas.
GASES PERFECTOS
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Ecuación de Proceso para un Gas
Perfecto
P*vn = P1*v1
n = P2*v2
n = constante
 Donde n: es cualquier valor no negativo entre cero e
infinito según el proceso que sufra el gas.
 Isotérmico n: 1
 Adiabático-Reversible n:k
 k=Cp/Cv → relación entre el calor específico a
presión y volumen constante.
GASES PERFECTOS
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Ecuación de Proceso para un Gas
Perfecto
P*v n= P1*v1
n = P2*v2
n = constante
 Obteniendose la ecuación de proceso según la
propiedad deseada:
(T2/T1)=(v1 /v2 )n-1=(ρ2/ ρ1)n-1=(P2/P1)(n-1)/n
GASES PERFECTOS
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Fluido Ideal
 Un fluido ideal se puede defirnir como un fluido en el
que no existe fricción, es no viscoso, es decir, su
viscosidad es cero. Por tanto, las fuerzas internas en
cualquier sección dentro del mismo son siempre
normales a la sección, incluso si hay movimiento.
Aunque no existe tal fluido en la práctica, muchos
fluidos se aproximan al flujo sin fricción a una
distancia razonable de los contornos sólidos, por lo
que sus comportamientos muchas veces se pueden
analizar suponiendo la propiedades de un fluido
ideal.
VISCOSIDAD
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Fluido Real
 Un fluido real, líquido o gas, se generan fuerzas
tangenciales o cortantes siempre que se produzca
movimiento relativo a un cuerpo, dando lugar a la
fricción en el fluido, ya que estas fuerzas oponen el
movimiento de una particula respecto a otra. Estas
fuerzas de fricción dan lugar a a una propiedad del
fluido denominada Viscosidad.
VISCOSIDAD
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Definición
 La viscosidad de un fluido es una medida de su
resistencia a la deformación cortante o angular. Las
fuerzas de fricción en un fluido en movimiento son el
resultado de la cohesión y del intercambio de la
cantidad de movimiento entre moléculas.
 Al aumentar T → la viscosidad de todo líquido
disminuye, la viscosidad de todo gas aumenta.
VISCOSIDAD
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Esfuerzo Cortante
 Es la componente de la fuerza tangente a una
superficie, es el valor límite de la fuerza por unidad
de área a medida que el área se reduce a un punto.
 τ= F/A
VISCOSIDAD
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Esfuerzo Cortante
 El comportamiento de la gráfica anterior se explica
como si el fluido se constituyera de una serie de
capas finas, cada una de las cuales se desliza un
poco en relación a la siguiente.
 F (A*u)/y → constante de proporcionalidad
μ: viscosidad
 τ= F/A= μ*(u/y) = μ (du/dy)
 τ = μ (du/dy) → Ley de Viscosidad de Newton
VISCOSIDAD
Prof. Francisco Vargas
Es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales.
En la práctica se utilizan dos tipos de viscosidad:
 Viscosidad dinámica (μ)
El principio de viscosidad de Newton establece que: “para un flujo laminar de ciertos fluidos llamados
newtonianos, la tensión cortante en una interface tangente a la dirección de flujo, es proporcional al
gradiente de la velocidad en dirección normal a la interface”. La unidad en el SI, es el pascal-
segundo (Pa·s), que corresponde exatamente a 1 N·s/m² o 1 kg/(m·s).
1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s
 Viscosidad cinemática (υ)
Frecuentemente en los cálculos de mecánica de fluidos se presenta el cociente de la viscosidad dinámica
entre la densidad del fluido. Por ello, de manera convencional, la viscosidad cinemática se define
como la razón entre la viscosidad dinámica y la densidad. La unidad en el SI es el (m²/s).
1 stoke = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0,0001 m²/s
VISCOSIDAD
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Viscosidad del Fluido
 τ = μ (du/dy) → Ley de Viscosidad de Newton
 μ= τ /(du/dy) →Viscosidad del fluido (coeficiente
de viscosidad, viscosidad absoluta)
 μc= μ/ρ →Viscosidad cinemática
VISCOSIDAD
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Definición
 Es la fuerza de tensión requerida para formar una
película en la interfase entre un liquido y un gas, o dos
líquidos no miscible, debida a la atracción de las
moléculas del líquido por debajo de la superficie.
 La acción de la tensión superficial es incrementar la
presión dentro de una pequeña gota de líquido.
Tensión Superficial
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos -
Propiedades de los Fluidos
FIN DE LA UNIDAD I
Prof. Francisco Vargas
Ahora
ejercicios,
rufianes
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Si una atmósfera artificial se compone de
oxígeno gaseoso en un 20% y nitrogeno
gaseoso en 80% a 14,7 psia y 60 ºF. Calcule
cuales son:
 a) El peso específico y la presión parcial del
oxigeno gaseoso
 b) El peso específico de la mezcla
EJERCICIOS 1
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
O2: 20% Total: tabla RO2=1554 ft2/s2*ºR
N2: 80% 100% RN2=1773 ft2/s2*ºR
γgas = (g*P)/(R*T)
 Para el oxigeno: γO2= (g*P)/(RO2*T)
γO2= [32,2 (ft/s2)*14,7 (lbf/pulg2).(144 pulg2/1ft2)] / [1554
ft2/s2*ºR *(60+460)ºR]
 γO2= 0,0843 lbf/ft3 → 100%
SOLUCIÓN 1
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
 Para el nitrogeno: γN2= (g*P)/(RN2*T)
γN2= [32,2 (ft/s2)*14,7 (lbf/pulg2).(144 pulg2/1ft2)] / [1773
ft2/s2*ºR *(60+460)ºR]
 γN2= 0,0739 lbf/ft3 → 100%
 γO2= (0.20)*0,0843 lbf/ft3 = 0,01687 lbf/ft3 → 20%
 γN2= (0.80)*0,0739 lbf/ft3 = 0,05912 lbf/ft3 → 80%
SOLUCIÓN 1
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
 Para el nitrogeno: γN2= (g*P)/(RN2*T)
γN2= [32,2 (ft/s2)*14,7 (lbf/pulg2).(144 pulg2/1ft2)] / [1773
ft2/s2*ºR *(60+460)ºR]
 γN2= 0,0739 lbf/ft3 → 100%
 γO2= (0,20)*0,0843 lbf/ft3 = 0,01687 lbf/ft3 → 20%
 γN2= (0,80)*0,0739 lbf/ft3 = 0,05912 lbf/ft3 → 80%
SOLUCIÓN 1
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
 PO2= (γO2* RO2*T) / g
PO2= [0,01687 (lbf/ft3) * 1554 (ft2/s2*ºR) * 520 ºR] / [32,2 ft/s2]
PO2= 423,11 lbf / ft2 = 2,94 psia
 γmezcla= γO2 + γN2
γmezcla= 0,01687 lbf/ft3 + 0,05912 lbf/ft3
γmezcla= 0,07599 lbf/ft3
SOLUCIÓN 1
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Una separación de una pulgada entre dos
superficies planas horizontales se llena de
aceite de lubricación SAE 30 western a 80ºF.
¿Cual es la fuerza requerida para arrastrar una
placa muy fina de 4 ft2 de superficie por el
aceite a una velocidad de 20 ft/min si la placa
se encuentra a 0,33 pulg de una de las
superficies?
EJERCICIO 2
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
T=80ºF → Gráfica → μ = 0,0063 lbf*s/ft2
 F=? A=4 ft2 ; U= 20 ft/min
 1 pulg
0,33 pulg
 τ = F/A
τ = μ (du/dy) → Ley de Viscosidad de Newton
SOLUCIÓN 2
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
T=80ºF → Gráfica → μ = 0,0063 lbf*s/ft2
τ1 = μ (du/dy1) → 0,33 pulg
τ2 = μ (du/dy2) → 0,67 pulg
τ1 = 0,0063 lbf*s/ft2 *[(20 ft/min)*(1min/60s)] /
[0,33pulg*(1ft/12pulg)]
τ1 = 0,0764 lbf/ft2
SOLUCIÓN 2
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
T=80ºF → Gráfica → μ = 0,0063 lbf*s/ft2
τ2 = μ (du/dy2) → 0,67 pulg
τ2 = 0,0063 lbf*s/ft2 *[(20 ft/min)*(1min/60s)] /
[0,67pulg*(1ft/12pulg)]
τ2 = 0,0376 lbf/ft2
SOLUCIÓN 2
Prof. Francisco Vargas
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
τ = F/A
F1 = τ1*A = 0,0764 lbf/ft2 *4 ft2 = 0,306 lbf
F2 = τ2 *A= 0,0376 lbf/ft2 *4 ft2 = 0.15 lbf
Ft = F1 + F2 = 0,306 lbf + 0.15 lbf
Ft = 0,456 lbf
SOLUCIÓN 2
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EJERCICIO 3
Dos fluidos se mezclan en forma heterogénea
quedando burbujas en la suspensión. La mezcla
con las burbujas ocupa un volumen total de 1,2
litros. Si las densidades y masas de cada fluido
son: ρ1 = 1gr/cm3, m1 = 600 gr, ρ2 = 0.8 gr/cm3 y
m2 = 400 gr, considerando despreciable la masa
del aire en las burbujas, calcule:
a. El volumen total de las burbujas
b. La densidad de la mezcla.
Prof. Francisco Vargas
SOLUCIÓN 3
a): El volumen de la mezcla está dado por la suma de los volúmenes
individuales de los fluidos 1, 2 y de las burbujas, B.
V1 + V2 + VB = VM (1)
Despejando VB, obtenemos
VB = VM – V1- V2 (2)
VM = 1200 cm3, el volumen de la mezcla es dato; y los volúmenes de los
fluidos 1 y 2 se obtienen de los datos del problema de la siguiente
forma:
V1 = m1/ρ1 = 600gr/1gr/cm3 = 600 cm3;
V2 = m2/ρ2 = 400gr/0.8gr/cm3= 500 cm3
Sustituyendo los valores anteriores en (2), obtenemos:
VB = (1200 – 600 – 500) cm3 = 100 cm3
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SOLUCIÓN 3
b): La densidad de la mezcla esta dada por la masa de la mezcla
entre el volumen de la misma.
ρM = mM/VM =1000gr/1200cm3 = 0,833 gr/cm3
Prof. Francisco Vargas
EJERCICIO 4
Se realiza una aleación de oro y cobre, en proporciones
desconocidas, para formar un lingote con dimensiones de
20cmx10cmx5cm y masa de 12 Kg. Calcular:
La densidad de la aleación, rL =?
El “quilataje” del oro en la aleación
Nota: Recuerde que un quilate de oro equivale a un 4.16%
de este en la aleación.
Densidad del oro
ρAu = 19300 Kg/m3
Densidad del Cobre
ρCu = 8960 Kg/m3
Prof. Francisco Vargas
SOLUCIÓN 4
a. Utilizando la ecuación que define la densidad de un cuerpo, ρ = mM/ VM,
donde mM y VM son datos del problema con los que obtenemos la
densidad del lingote formado por oro y cobre.
ρL = 12Kg/(0,2·0,1·0,05)m3 = 12000 kg/m3
b. Para obtener el “quilataje” necesitamos saber el porcentaje de masa de
oro en el lingote, para lo cual utilizamos la ecuación (1), desarrollada
con el propósito de conocer, la fracción de volúmenes de los
componentes en la mezcla, y obtener el porcentaje de masa del
componente Au, en este caso el oro.
ρL = XAu ρAu + XCu ρCu
SOLUCIÓN 4
Con XAu = VAu/VL y XCu = VCU/VL; las respectivas fracciones de
volumen de oro y del cobre en la aleación. Recordando que XAu +
XCu = 1, obtenemos que:
ρL = XAu ρAu + ρCu·(1- XAu)
Por lo que despejando la proporción de oro tenemos que:
XAu = (ρL – ρCU)/(ρAu – ρCu)
XAu = (12000 – 8960)Kg/m3/ (19300 -8960)kg/m3
XAu = 0,2940
SOLUCIÓN 4
Despejando la masa del oro, de la última ecuación:
mAu = 0,2940(ρAu)(VL) = 0,2940·19300Kg/m3·0,001m3 = 5,6742Kg
Por lo que la proporción de oro en la muestra será
XAu = 5,6742Kg/12Kg = 0,47285
Es decir, el oro ocupa un 47,285% en la aleación, por lo que sus
quilates serán:
1K/4,16% = xK/47,285%
; entonces los “xK”, correspondientes a ese porcentaje de oro será:
xK = 47,285/4,16 = 11,36 quilates
UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos
Para el oxigeno gaseoso cálcule:
 a) Cálcule la densidad, peso específico y
volumen específico del oxigeno gaseoso a
100ºF y 15 psia.
 b) ¿Cuales serían la Temperatura y Presión de
este gas si se comprimiese isentrópicamente al
40% de su volumen original?
 c) Si el proceso descrito en la parte b) hubiera
sido isotérmico, ¿cuales serían la temperatura y
presión?
EJERCICIO PROPUESTO
Prof. Francisco Vargas
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Ambitos de la mecánica de los fluidos 1

  • 1. LOGO MECÁNICA DE FLUIDOS Prof. Francisco Vargas 2013 UNIVERSIDAD FERMIN TORO ESCUELA DE MANTENIMIENTO MECÁNICO MECANICA DE LOS FLUIDOS V SEMESTRE
  • 2. UNIDAD I Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Ambito de la Mecánica de Fluidos  Existen dos tipos de fluidos: gases y líquidos, siendo el aire y el agua los más comunes. En muchos aspectos de nuestra vida diaria esta presente la mecánica de fluidos, como en el flujo de tuberias y canales, los movimientos del aire y de la sangre en el cuerpo, el movimiento de proyectiles, los chorros, las ondas de choque, etc. Prof. Francisco Vargas
  • 3. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Definición  Es la rama de la ingeniería que trata del comportamiento de los fluidos (líquidos, gases y vapores), es a su vez, una parte de una disciplina más amplia llamada Mecánica de Medios Continuos, que incluye también el estudio de sólidos sometidos a esfuerzos. Prof. Francisco Vargas MECÁNICA DE FLUIDOS
  • 4. Estática de Fluidos1 Dinámica de Fluidos2 Cinemática3 UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos RAMAS DE LA MECÁNICA DE FLUIDOS Prof. Francisco Vargas MECÁNICA DE FLUIDOS
  • 5. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Estática de Fluidos  Es el estudio de la mecánica de fluidos en reposo, es decir, trata a los fluidos en el estado de equilibrio sin esfuerzo cortante. Dinámica de Fluidos  Es el estudio de la mecánica de fluidos que trata de las relaciones entre velocidades y aceleraciones y las fuerzas ejercidas por o sobre fluidos en movimiento. Cinemática  Es el estudio de la mecánica de fluidos que trata de las velocidades y las lineas de corriente sin considerar fuerzas y energías. MECÁNICA DE FLUIDOS Prof. Francisco Vargas
  • 6. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Definición  Un fluido puede definirse como una sustancia que no resiste, de manera permanente, la deformación causada por una fuerza, por tanto, cambia de forma. FLUIDOS Prof. Francisco Vargas
  • 7. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Comportamiento de los fluidos  El comportamiento de los fluidos es importante para los procesos de ingeniería en general y constituye uno de los fundamentos para el estudio de las operaciones industriales. El conocimiento de los fluidos es esencial, no solamente para tratar con exactitud los problemas de movimento de fluidos a través de tuberías, bombas, etc; sino también para el estudio de flujo de calor y muchas operaciones de separación que dependen de la difusión y la transferencia de materia. FLUIDOS Prof. Francisco Vargas
  • 8. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Reología  La Reología es la ciencia del flujo que estudia la deformación de un cuerpo sometido a esfuerzos externos .Su estudio es esencial en muchas industrias, incluyendo las de plásticos, pinturas, alimentación, tintas de impresión, detergentes o aceites lubricantes, por ejemplo. FLUIDOS Prof. Francisco Vargas
  • 9. UNIDAD I Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Reología FLUIDOS Figura Nº1: Algunos tipos de comportamiento reológicos Prof. Francisco Vargas
  • 10. Mecánica de fluidos, es la parte de la física que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía. Mecánica de fluidos Dinámica de fluidos Estática de fluidos, (hidrostática) Hidrodinámica Aerodinámica Prof. Francisco Vargas
  • 11. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS ANTECENDENTES HISTORICOS Arquímedes (287-212 a.C.) Leyes de la Flotación. Leonardo da Vinci (1452-1519) Ecuación de Continuidad. Torricelli (1608-1647) Salida por un orificio. Relación entre la altura y la presión atmosférica.  Pascal (1623-1662) Ley de Pascal.  Newton (1642-1726) Ley de viscosidad dinámica. Bernoulli (1700-1782) Teorema de Bernoulli. Euler (1707-1783) Ecuaciones diferenciales del movimiento del fluido ideal; formulación del teorema de Bernoulli; Teorema fundamental de las Turbomáquinas. D’Alembert (1717-1783) Ecuación diferencial de continuidad. Lagrange (1736-1813) Función potencial y función de corriente. Venturi (1746-1822) Flujo en embocaduras y contracciones; Medidor de Venturi. Poiseuille (1799-1869) Resistencia en tubos capilares: Ecuación de Poiseuille. Weisbach (1806-1871) Fórmula de resistencia en tuberías.  Froude (1810-1879) Ley de semejanza de Froude.  Navier (1785-1836) y Stokes (1819-1903) Ecuaciones diferenciales de Navier-Stokes del movimiento de los fluidos viscosos. Reynolds (1842-1912) Número de Reynolds; Distinción entre flujo laminar y turbulento.  Rayleigh (1842-1919) Propuso la técnica del análisis dimensional. Joukowski (1847-1921) Estudios del golpe de ariete; perfiles aerodinámicos de Joukowski.  Prandtl (1875-1953) Teoría de la capa límite. Fundador de la moderna mecánica de fluidos. Prof. Francisco Vargas
  • 12. CONCEPTOS BASICOS DEFINICION DE FLUIDO Estados de la materia Plasma Plásticos Fluidos Líquidos (Incompresibles) Volumen definido Gases (Compresibles) Volumen indefinido, baja densidad Sólidos Prof. Francisco Vargas
  • 13. El fluido como medio continuo  Como toda la materia, los fluidos están compuestos por un gran número de moléculas en permanente movimiento. Esto se debe a que en la mayor parte de las aplicaciones de ingeniería lo que interesa son los efectos promedio o macroscópicos de un gran número de moléculas. Estos efectos macroscópicos son los que corrientemente percibimos y medimos. Por esta razón se trata a un fluido como una sustancia infinitamente indivisible, dicho de otro modo un medio continuo, sin importar el comportamiento individual de las moléculas. Por ello, la densidad, temperatura, velocidad, etc., se consideran como funciones continuas de la posición y el tiempo. Prof. Francisco Vargas
  • 14. Medio continuo en la mecánica de fluidos Turbulento ExternoInternoIncompresibleCompresible Laminar Viscoso μ ≠ 0No viscoso μ = 0 Prof. Francisco Vargas
  • 15. Unidades y dimensiones Densidad Presión Temperatura ¿Cómo se expresan? ¿Cómo se agrupan? ¿Cómo se clasifican? Abstractas Derivadas Fundamentales Dimensión Unidad Manifestaciones moleculares Longitud Tiempo Velocidad Longitud, Tiempo, Masa y temperatura Se definen en función a las fundamentales. velocidad, densidad, viscosidad, etc. Expresión cualitativa de una magnitud medible. Valor numérico de una dimensión, depende del sistema de unidades Magnitudes usadas en la mecánica de los fluidos Prof. Francisco Vargas
  • 16. Dimensiones y unidades Magnitud Representación dimensional Unidad S.I. Masa M Kg Longitud L Mts Tiempo Θ Seg Temperatura T OK Tabla 1. Magnitudes fundamentales usadas en la mecánica de fluidos Prof. Francisco Vargas
  • 17. Magnitud Representación dimensional Unidad S.I. Velocidad Lθ-1 m/s Aceleración Lθ-2 m/s2 Fuerza ML2θ-2 N (Kg·m/s2) Área L2 m2 Volumen L3 m3 Presión F/L2 = ML-1θ-2 Pa (N/m2) Densidad ML-3 Kg/m3 Energía FL = ML-1θ-2 J (Kg/ m/s2) Potencia FL/θ = ML-1θ-3 W (Kg/ m/s3) Energía interna FL/M = M2L-2 J/kg (N·m/Kg) Viscosidad absoluta ML-1θ-1 Kg/m/s Viscosidad cinemática L2θ-1 m2/s Tabla 2. Magnitudes derivadas importantes en la mecánica de fluidos Prof. Francisco Vargas
  • 18. Principio de Homogeneidad dimensional Cualquier ecuación deducida analíticamente y que represente un fenómeno físico debe satisfacerse en cualquier sistema de unidades. 2 manzanas + 2 naranjas ≠ 4 manzanas 3 conejos ≠ 3 zanahorias Prof. Francisco Vargas
  • 19. Propiedades de los Fluidos Temperatura Presión Densidad Velocidad Extensivas Propiedades de los fluidos Dependen de la masa total del sistema No dependen de la masa total del sistema Intensivas Masa Cantidad de movimiento Momento angular Energía almacenada Prof. Francisco Vargas
  • 20. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Densidad  ρ=m/v → Líquidos, sólidos Peso específico  γ=ρ*g → Líquidos, sólidos Volumen específico  V=V/n →Gases, vapores  V=V/m →Líquidos, sólidos  V=1/ ρ Densidad relativa  DR= ρi/ ρH2O →Líquidos  DR= ρi/ ρH2,Aire →Gases, vapores PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS ρi: densidad de la sustancia ρH2O: densidad del agua =1000Kg/m3=1g/ml ρH2,Aire: densidad de hidrogeno gaseoso ó del aire Prof. Francisco Vargas
  • 21. COMPRESIBILIDAD INCOMPRESIBLES Si se ve poco afectado por los cambios de presión. Su densidad es constante para los cálculos. La mayoría de los líquidos son incompresibles. Los gases tambien pueden ser considerados incompresibles cuando la variación de la presión es pequeña en comparación con la presión absoluta. ρ:constante Fluidos UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos COMPRESIBLES Cuando la densidad de un fluido no puede considerarse constante para los cálculos bajo condisiones estáticas como en un gas. La mayoría de los gases se consideran como fluidos compresibles en algunos casos donde los cambios de T y P son grandes. ρ:variable Hidrostática Aerostática Prof. Francisco Vargas
  • 22. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Compresibilidad de un Líquido  La compresibilidad es el cambio de volumen debido a un cambio de presión. Para un líquido es inversamente proporcional a su módulo de elásticidad volumétrico, también denominado: Coeficiente de Compresibilidad. Ev = -vdP/dv = -(v/dv)*dP [=] psia  Ev: en tablas a diferentes T y P COMPRESIBILIDAD Prof. Francisco Vargas
  • 23. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Compresibilidad de un Gas  La compresibilidad es el cambio de volumen debido a un cambio de presión. Para un gas involucra el tipo de proceso  P*v=constante Ev = -vdP/dv = nP [=] psia  n=1 → procesos isotérmicos  n=K → procesos adiabáticos-isentrópicos COMPRESIBILIDAD Prof. Francisco Vargas
  • 24. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Ecuaciones de estado de los gases perfectos  Las propiedades de un gas cumplen ciertas relaciones entre sí y varían para cada gas. Cuando las condiciones de la mayoría de los gases reales están alejadas de la fase líquida, estas relaciones se aproximan a la de los gases perfectos ó ideales.  Los gases perfectos se definen de la forma usual, aquellos que tienen calor específico constante y cumple la Ley de los Gases Ideales. GASES PERFECTOS Prof. Francisco Vargas
  • 25. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Ley de los Gases Ideales P*V=n*R*T  P:presión del gas  V: volumen del gas  n: número de moles del gas  R: constante de los gases ideales=0.0821 atm.L/gmol.K  T: temperatura del gas GASES PERFECTOS Prof. Francisco Vargas
  • 26. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Para un volumen específico P*v = R*T → v = 1/ρ P/ρ =R*T → 1era Ecuación de Estado GASES PERFECTOS Prof. Francisco Vargas
  • 27. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Densidad de un Gas P*V=n*R*T → n= m/PM P*V= (m*R*T)/PM P*PM= (m*R*T)/V → m/V= ρ ρgas = (P*PM)/(R*T) → Densidad de un Gas GASES PERFECTOS Prof. Francisco Vargas
  • 28. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Para el peso específico → γ=ρ*g P/ρ =R*T → γ/g=ρ Sustituyendo: γgas = (g*P)/(R*T) 2da Ecuación de Estado GASES PERFECTOS Prof. Francisco Vargas
  • 29. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Ley de Avogadro  Establece que todos los gases a la misma temperatura y presión bajo la acción de la gravedad (g) tiene el mismo número de moléculas por unidad de volumen, de donde se deduce que el peso específico de un gas es proporcional a su peso molecular (PM). γ2/γ1=PM2/PM1=R1/R2 R1 y R2: dependen de la sustancia y se encuentra en tablas. GASES PERFECTOS Prof. Francisco Vargas
  • 30. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Ecuación de Proceso para un Gas Perfecto P*vn = P1*v1 n = P2*v2 n = constante  Donde n: es cualquier valor no negativo entre cero e infinito según el proceso que sufra el gas.  Isotérmico n: 1  Adiabático-Reversible n:k  k=Cp/Cv → relación entre el calor específico a presión y volumen constante. GASES PERFECTOS Prof. Francisco Vargas
  • 31. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Ecuación de Proceso para un Gas Perfecto P*v n= P1*v1 n = P2*v2 n = constante  Obteniendose la ecuación de proceso según la propiedad deseada: (T2/T1)=(v1 /v2 )n-1=(ρ2/ ρ1)n-1=(P2/P1)(n-1)/n GASES PERFECTOS Prof. Francisco Vargas
  • 32. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Fluido Ideal  Un fluido ideal se puede defirnir como un fluido en el que no existe fricción, es no viscoso, es decir, su viscosidad es cero. Por tanto, las fuerzas internas en cualquier sección dentro del mismo son siempre normales a la sección, incluso si hay movimiento. Aunque no existe tal fluido en la práctica, muchos fluidos se aproximan al flujo sin fricción a una distancia razonable de los contornos sólidos, por lo que sus comportamientos muchas veces se pueden analizar suponiendo la propiedades de un fluido ideal. VISCOSIDAD Prof. Francisco Vargas
  • 33. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Fluido Real  Un fluido real, líquido o gas, se generan fuerzas tangenciales o cortantes siempre que se produzca movimiento relativo a un cuerpo, dando lugar a la fricción en el fluido, ya que estas fuerzas oponen el movimiento de una particula respecto a otra. Estas fuerzas de fricción dan lugar a a una propiedad del fluido denominada Viscosidad. VISCOSIDAD Prof. Francisco Vargas
  • 34. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Definición  La viscosidad de un fluido es una medida de su resistencia a la deformación cortante o angular. Las fuerzas de fricción en un fluido en movimiento son el resultado de la cohesión y del intercambio de la cantidad de movimiento entre moléculas.  Al aumentar T → la viscosidad de todo líquido disminuye, la viscosidad de todo gas aumenta. VISCOSIDAD Prof. Francisco Vargas
  • 35. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Esfuerzo Cortante  Es la componente de la fuerza tangente a una superficie, es el valor límite de la fuerza por unidad de área a medida que el área se reduce a un punto.  τ= F/A VISCOSIDAD Prof. Francisco Vargas
  • 36. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Esfuerzo Cortante  El comportamiento de la gráfica anterior se explica como si el fluido se constituyera de una serie de capas finas, cada una de las cuales se desliza un poco en relación a la siguiente.  F (A*u)/y → constante de proporcionalidad μ: viscosidad  τ= F/A= μ*(u/y) = μ (du/dy)  τ = μ (du/dy) → Ley de Viscosidad de Newton VISCOSIDAD Prof. Francisco Vargas
  • 37. Es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. En la práctica se utilizan dos tipos de viscosidad:  Viscosidad dinámica (μ) El principio de viscosidad de Newton establece que: “para un flujo laminar de ciertos fluidos llamados newtonianos, la tensión cortante en una interface tangente a la dirección de flujo, es proporcional al gradiente de la velocidad en dirección normal a la interface”. La unidad en el SI, es el pascal- segundo (Pa·s), que corresponde exatamente a 1 N·s/m² o 1 kg/(m·s). 1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s  Viscosidad cinemática (υ) Frecuentemente en los cálculos de mecánica de fluidos se presenta el cociente de la viscosidad dinámica entre la densidad del fluido. Por ello, de manera convencional, la viscosidad cinemática se define como la razón entre la viscosidad dinámica y la densidad. La unidad en el SI es el (m²/s). 1 stoke = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0,0001 m²/s VISCOSIDAD
  • 38. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Viscosidad del Fluido  τ = μ (du/dy) → Ley de Viscosidad de Newton  μ= τ /(du/dy) →Viscosidad del fluido (coeficiente de viscosidad, viscosidad absoluta)  μc= μ/ρ →Viscosidad cinemática VISCOSIDAD Prof. Francisco Vargas
  • 39. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Definición  Es la fuerza de tensión requerida para formar una película en la interfase entre un liquido y un gas, o dos líquidos no miscible, debida a la atracción de las moléculas del líquido por debajo de la superficie.  La acción de la tensión superficial es incrementar la presión dentro de una pequeña gota de líquido. Tensión Superficial Prof. Francisco Vargas
  • 40. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos FIN DE LA UNIDAD I Prof. Francisco Vargas Ahora ejercicios, rufianes
  • 41. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Si una atmósfera artificial se compone de oxígeno gaseoso en un 20% y nitrogeno gaseoso en 80% a 14,7 psia y 60 ºF. Calcule cuales son:  a) El peso específico y la presión parcial del oxigeno gaseoso  b) El peso específico de la mezcla EJERCICIOS 1 Prof. Francisco Vargas
  • 42. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos O2: 20% Total: tabla RO2=1554 ft2/s2*ºR N2: 80% 100% RN2=1773 ft2/s2*ºR γgas = (g*P)/(R*T)  Para el oxigeno: γO2= (g*P)/(RO2*T) γO2= [32,2 (ft/s2)*14,7 (lbf/pulg2).(144 pulg2/1ft2)] / [1554 ft2/s2*ºR *(60+460)ºR]  γO2= 0,0843 lbf/ft3 → 100% SOLUCIÓN 1 Prof. Francisco Vargas
  • 43. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos  Para el nitrogeno: γN2= (g*P)/(RN2*T) γN2= [32,2 (ft/s2)*14,7 (lbf/pulg2).(144 pulg2/1ft2)] / [1773 ft2/s2*ºR *(60+460)ºR]  γN2= 0,0739 lbf/ft3 → 100%  γO2= (0.20)*0,0843 lbf/ft3 = 0,01687 lbf/ft3 → 20%  γN2= (0.80)*0,0739 lbf/ft3 = 0,05912 lbf/ft3 → 80% SOLUCIÓN 1 Prof. Francisco Vargas
  • 44. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos  Para el nitrogeno: γN2= (g*P)/(RN2*T) γN2= [32,2 (ft/s2)*14,7 (lbf/pulg2).(144 pulg2/1ft2)] / [1773 ft2/s2*ºR *(60+460)ºR]  γN2= 0,0739 lbf/ft3 → 100%  γO2= (0,20)*0,0843 lbf/ft3 = 0,01687 lbf/ft3 → 20%  γN2= (0,80)*0,0739 lbf/ft3 = 0,05912 lbf/ft3 → 80% SOLUCIÓN 1 Prof. Francisco Vargas
  • 45. UNIDAD I-II: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos  PO2= (γO2* RO2*T) / g PO2= [0,01687 (lbf/ft3) * 1554 (ft2/s2*ºR) * 520 ºR] / [32,2 ft/s2] PO2= 423,11 lbf / ft2 = 2,94 psia  γmezcla= γO2 + γN2 γmezcla= 0,01687 lbf/ft3 + 0,05912 lbf/ft3 γmezcla= 0,07599 lbf/ft3 SOLUCIÓN 1 Prof. Francisco Vargas
  • 46. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Una separación de una pulgada entre dos superficies planas horizontales se llena de aceite de lubricación SAE 30 western a 80ºF. ¿Cual es la fuerza requerida para arrastrar una placa muy fina de 4 ft2 de superficie por el aceite a una velocidad de 20 ft/min si la placa se encuentra a 0,33 pulg de una de las superficies? EJERCICIO 2 Prof. Francisco Vargas
  • 47. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos T=80ºF → Gráfica → μ = 0,0063 lbf*s/ft2  F=? A=4 ft2 ; U= 20 ft/min  1 pulg 0,33 pulg  τ = F/A τ = μ (du/dy) → Ley de Viscosidad de Newton SOLUCIÓN 2 Prof. Francisco Vargas
  • 48. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos T=80ºF → Gráfica → μ = 0,0063 lbf*s/ft2 τ1 = μ (du/dy1) → 0,33 pulg τ2 = μ (du/dy2) → 0,67 pulg τ1 = 0,0063 lbf*s/ft2 *[(20 ft/min)*(1min/60s)] / [0,33pulg*(1ft/12pulg)] τ1 = 0,0764 lbf/ft2 SOLUCIÓN 2 Prof. Francisco Vargas
  • 49. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos T=80ºF → Gráfica → μ = 0,0063 lbf*s/ft2 τ2 = μ (du/dy2) → 0,67 pulg τ2 = 0,0063 lbf*s/ft2 *[(20 ft/min)*(1min/60s)] / [0,67pulg*(1ft/12pulg)] τ2 = 0,0376 lbf/ft2 SOLUCIÓN 2 Prof. Francisco Vargas
  • 50. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos τ = F/A F1 = τ1*A = 0,0764 lbf/ft2 *4 ft2 = 0,306 lbf F2 = τ2 *A= 0,0376 lbf/ft2 *4 ft2 = 0.15 lbf Ft = F1 + F2 = 0,306 lbf + 0.15 lbf Ft = 0,456 lbf SOLUCIÓN 2 Prof. Francisco Vargas
  • 51. EJERCICIO 3 Dos fluidos se mezclan en forma heterogénea quedando burbujas en la suspensión. La mezcla con las burbujas ocupa un volumen total de 1,2 litros. Si las densidades y masas de cada fluido son: ρ1 = 1gr/cm3, m1 = 600 gr, ρ2 = 0.8 gr/cm3 y m2 = 400 gr, considerando despreciable la masa del aire en las burbujas, calcule: a. El volumen total de las burbujas b. La densidad de la mezcla. Prof. Francisco Vargas
  • 52. SOLUCIÓN 3 a): El volumen de la mezcla está dado por la suma de los volúmenes individuales de los fluidos 1, 2 y de las burbujas, B. V1 + V2 + VB = VM (1) Despejando VB, obtenemos VB = VM – V1- V2 (2) VM = 1200 cm3, el volumen de la mezcla es dato; y los volúmenes de los fluidos 1 y 2 se obtienen de los datos del problema de la siguiente forma: V1 = m1/ρ1 = 600gr/1gr/cm3 = 600 cm3; V2 = m2/ρ2 = 400gr/0.8gr/cm3= 500 cm3 Sustituyendo los valores anteriores en (2), obtenemos: VB = (1200 – 600 – 500) cm3 = 100 cm3 Prof. Francisco Vargas
  • 53. SOLUCIÓN 3 b): La densidad de la mezcla esta dada por la masa de la mezcla entre el volumen de la misma. ρM = mM/VM =1000gr/1200cm3 = 0,833 gr/cm3 Prof. Francisco Vargas
  • 54. EJERCICIO 4 Se realiza una aleación de oro y cobre, en proporciones desconocidas, para formar un lingote con dimensiones de 20cmx10cmx5cm y masa de 12 Kg. Calcular: La densidad de la aleación, rL =? El “quilataje” del oro en la aleación Nota: Recuerde que un quilate de oro equivale a un 4.16% de este en la aleación. Densidad del oro ρAu = 19300 Kg/m3 Densidad del Cobre ρCu = 8960 Kg/m3 Prof. Francisco Vargas
  • 55. SOLUCIÓN 4 a. Utilizando la ecuación que define la densidad de un cuerpo, ρ = mM/ VM, donde mM y VM son datos del problema con los que obtenemos la densidad del lingote formado por oro y cobre. ρL = 12Kg/(0,2·0,1·0,05)m3 = 12000 kg/m3 b. Para obtener el “quilataje” necesitamos saber el porcentaje de masa de oro en el lingote, para lo cual utilizamos la ecuación (1), desarrollada con el propósito de conocer, la fracción de volúmenes de los componentes en la mezcla, y obtener el porcentaje de masa del componente Au, en este caso el oro. ρL = XAu ρAu + XCu ρCu
  • 56. SOLUCIÓN 4 Con XAu = VAu/VL y XCu = VCU/VL; las respectivas fracciones de volumen de oro y del cobre en la aleación. Recordando que XAu + XCu = 1, obtenemos que: ρL = XAu ρAu + ρCu·(1- XAu) Por lo que despejando la proporción de oro tenemos que: XAu = (ρL – ρCU)/(ρAu – ρCu) XAu = (12000 – 8960)Kg/m3/ (19300 -8960)kg/m3 XAu = 0,2940
  • 57. SOLUCIÓN 4 Despejando la masa del oro, de la última ecuación: mAu = 0,2940(ρAu)(VL) = 0,2940·19300Kg/m3·0,001m3 = 5,6742Kg Por lo que la proporción de oro en la muestra será XAu = 5,6742Kg/12Kg = 0,47285 Es decir, el oro ocupa un 47,285% en la aleación, por lo que sus quilates serán: 1K/4,16% = xK/47,285% ; entonces los “xK”, correspondientes a ese porcentaje de oro será: xK = 47,285/4,16 = 11,36 quilates
  • 58. UNIDAD I: Conceptos Básicos - Propiedades de los Fluidos Para el oxigeno gaseoso cálcule:  a) Cálcule la densidad, peso específico y volumen específico del oxigeno gaseoso a 100ºF y 15 psia.  b) ¿Cuales serían la Temperatura y Presión de este gas si se comprimiese isentrópicamente al 40% de su volumen original?  c) Si el proceso descrito en la parte b) hubiera sido isotérmico, ¿cuales serían la temperatura y presión? EJERCICIO PROPUESTO Prof. Francisco Vargas
  • 59. LOGO