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1
DEFINICIONES Y PROPIEDADES 2DA PARTE
MECÁNICA DE FLUIDOS
M.Sc. Edisson Paguatian
2
• SISTEMA
• FLUJO
• PROPIEDADES DE UN FLUIDO
• VISCOSIDAD DE TURBULENCIA
TEMARIO:TEMARIO:
3
Sistema
Cualquier porción de materia a estudiar. Un
fluido será el sistema elegido.
A la superficie, real o imaginaria, que lo
envuelve se llama límite, frontera o
contorno.
El conjunto de varios sistemas puede formar
uno solo; o bien, un sistema puede
descomponerse en muchos, incluso infinitos,
sistemas parciales.
4
Medio exterior de un sistema
El conjunto de sistemas que influye sobre el
sistema en
estudio será el medio exterior de éste. El
medio ambiente
suele formar parte del medio exterior.
La influencia sobre el sistema puede ser
térmica debida a una diferencia de
temperaturas, o mecánica debida a una
diferencia de presiones.
5
Clasificación de sistemas
Sistema cerrado
Es aquel cuya masa no varía durante un cambio de situación;
por ejemplo, cuando el émbolo pasa de la posición I a la
posición II.
I II
F
Fm
h
p S
Sp
a
receptor
mecánico
·
·
sistema
(gas)
SISTEMA ABIERTO O FLUJOSISTEMA ABIERTO O FLUJO
6
volumen de control
FLUJO SECCIÓN TRANSVERSALFLUJO SECCIÓN TRANSVERSAL
7
v v
v
v
v
v
v v
Línea de flujo
La formada por la posición instantánea de una serie de
partículas, que forman como un hilo; cada partícula ha
de estar en la dirección del vector velocidad de la
anterior.
8
Tubo de flujo
Una superficie (dS, por ejemplo) está rodeada por
líneas de flujo que formarán una superficie tubular
(como una tripa). Al fluido que circula en su interior se
le llama tubo de flujo.
S
1
2
dS
v
9
Caudal
Llamamos caudal (volumétrico) Q al volumen de fluido que
atraviesa una sección en la unidad de tiempo, y caudal
másico m a la masa correspondiente:
dSvdQ 
  S
dSvQ S
1
2
dS
v
.
Q 
.
m
10
dSvdQ 
  S
dSvQ
V
perfil de
velocidades
S
v
v
v
v
v
En función de la velocidad media V
11
dSvdQ 
  S
dSvQ
SVQ 
V
perfil de
velocidades
S
v
v
v
v
v
En función de la velocidad media V
12
'
t 2
V
D
tiempos
V
V
t 1
C
BA
Clasificaciones de flujo
Permanente, o estacionario
Las características medias no varían con el tiempo (AB y CD).
• Variable, o transitorio
Varían con el tiempo (BC); por ejemplo, cuando maniobramos
una válvula.
13
• Uniforme
La velocidad no varía en el trayecto (entre 1 y 2).
• No uniforme
Cuando sí varía (entre 2 y V).
Clasificaciones de flujo
21
V
14
• Laminar
Flujo ordenado
• Turbulento
Flujo desordenado
laminar turbulento
Clasificaciones de flujo
V V
15
Experimento de Reynolds
Ensayó en qué situación el régimen en una tubería circular
pasaba de laminar a turbulento, que es cuando dejaba de
visualizarse la línea teñida a su paso por A.
Más adelante veremos cuándo ocurre esto.
VA
16
PROPIEDADES DE UN FLUIDO
Propiedades de un fluido son aquellas
magnitudes físicas cuyo valor nos define el
estado en que se encuentra.
Son propiedades la presión, la temperatura
(común a todas las sustancias), la densidad, la
viscosidad, la elasticidad, la tensión superficial,
etc.
17
fluido
a constante a varía
Definición de un fluido
Un fluido es una sustancia que se deforma
continuamente (ángulo a) cuando se le aplica un
esfuerzo tangencial por pequeño que sea.
Con un dF, la placa se movería a una velocidad du.
sólido
F
A
CB C'B'
D
a
placa fija

a
v
v B' B''
A
u
F
B'''B
u placa móvil
18
Viscosidad Viscosidad (m) de un fluido es la resistencia a
que las distin- tas láminas deslicen entre sí.
Ley de Newton de la viscosidad
La resistencia debida a la viscosidad depende, además, de la
variación de velocidad entre las capas: velocidad de defor-
mación (dv/dy). No es lo mismo intentar sacar una cuchara de
un tarro de miel despacio que rápido (mayor resistencia).
placa fija

a
v
v B' B''
A
u
F
B'''B
u placa móvil
19
dy
dv
 m (ley de Newton)
dv´> dv
Esfuerzo cortante 
A dicha resistencia, por unidad de superficie, que aparece
entre dos láminas deslizantes, cuya variación de velocidad es
dv y su separación dy es lo que se llama esfuerzo cortante:
placa fija
perfil de velocidades
'
v
dy
v
v
dv

dv
dy
20
dy
dv
 m (ley de Newton)
dv´> dv
lubricación
Esfuerzo cortante 
A dicha resistencia, por unidad de superficie, que aparece
entre dos láminas deslizantes, cuya variación de velocidad es
dv y su separación dy es lo que se llama esfuerzo cortante:
dv´= dv
placa móvil
placa fija
F
perfil de velocidades
v 
placa fija
perfil de velocidades
'
v
dy
v
v
dv

dv
dy
21
s/mN 2
dv
dy
m
Unidades de viscosidad dinámica en el S.I.
22
s/mN 2
dv
dy
m
s)kg/(m
dv
dy
m
Unidades de viscosidad dinámica en el S.I.
o bien (1 N = 1 kg m/s2),
23
Viscosidad cinemática, n

m
n 
Por definición es el cociente entre la viscosidad absoluta y
la densidad:
24
Viscosidad cinemática, n

m
n 
Por definición es el cociente entre la viscosidad absoluta y
la densidad:
En el S.I. de Unidades:
sm
kg/m
s)kg/(m 2
3 
m

m
n 
25
s
m
E
631
E73110
2
o
o8






 
n
SAE 10 20 30 40 50 60
o
E 3  5 5  7 7  9 9  12 12  19 19  27
En grados Engler (oE):
En números SAE:
A la temperatura de 50 oC,
Ver diagramas I y II, y tablas 4 (agua) y 5 (aire).
26
27
28
29
30
Causas de la viscosidad
 Cohesión molecular
 Intercambio de cantidad de movimiento
La viscosidad en los líquidos se debe a la cohesión, y en los
gases al intercambio de cantidad de movimiento.
31
Causas de la viscosidad
 Cohesión molecular
 Intercambio de cantidad de movimiento
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.
32
alta viscosidad
33
Agua: baja viscosidad
José Agüera Soriano 2012 32
Aire: baja viscosidad
35
p
v


Gases:
dp
dv
v

1

Líquidos:
p
v
v 


1
 Gases:
dp
dv
v

1

p
v
2
1
líquido
v p p+v
v
p
Coeficiente de compresibilidad 
COMPRESIBILIDAD
36
p
v


Gases:
dp
dv
v

1

Líquidos:
p
v
v 


1
 Gases:
dp
dv
v

1
 p
v
2
1
líquido
v p p+v
v
p
Coeficiente de compresibilidad 
COMPRESIBILIDAD
v
p
vK



Módulo de elasticidad volumétrico K
37
Presión y temperatura de saturación
ts = t(ps)
0,01 7
1 100
2 120
20 212
40 250
60 276
80 295
100 311
150 342
200 366
220 374
38
Presión y temperatura de saturación
ts = t(ps)
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 situacio-
nes en las que la presión del agua puede
disminuir tanto, que llega a hervir.
En una olla a presión el agua hierve a
mayor temperatura; por eso la cocción es
más rápida.
39
La burbujas de vapor de agua, si se formaran, llegan a zonas
de mayor presión, y el vapor se condensa bruscamente. Que-
dan unas cavidades vacías que son rellenadas con ímpetu
por el agua que las envuelve (se han llegado a medir hasta el
millar de atmósferas). Sólo duran milésimas de segundo;
serían como picotazos que reciben las paredes, que serían
corroídas en muy poco tiempo.
Cavitación
40
burbuja de vapor
cavidad vacía
implosión
rodete
tubo de
aspiración
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.
41
corrosión por cavitación
42
43
Erosión por cavitación
44
Cavitación en
bombas hélice
45
Sobre cada partícula (M), actúa un par de fuerzas originado
por las partículas 1 y 2. Si el par es pequeño respecto de la
viscosidad del fluido, las partículas no giran: flujo laminar.
De lo contrario, hay giro: flujo turbulento. Aparece un efec-
to similar a la viscosidad en los gases: viscosidad aparente
y/o viscosidad de turbulencia (h), que lógicamente no es
una propiedad del fluido:
1
2
M 2F1F
1v
2v
v
dy
dv
 )( hm
VISCOSIDAD DE TURBULENCIA
GRACIAS POR SU ATENCIÓNGRACIAS POR SU ATENCIÓN
46

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Propiedades 2 da parte

  • 1. 1 DEFINICIONES Y PROPIEDADES 2DA PARTE MECÁNICA DE FLUIDOS M.Sc. Edisson Paguatian
  • 2. 2 • SISTEMA • FLUJO • PROPIEDADES DE UN FLUIDO • VISCOSIDAD DE TURBULENCIA TEMARIO:TEMARIO:
  • 3. 3 Sistema Cualquier porción de materia a estudiar. Un fluido será el sistema elegido. A la superficie, real o imaginaria, que lo envuelve se llama límite, frontera o contorno. El conjunto de varios sistemas puede formar uno solo; o bien, un sistema puede descomponerse en muchos, incluso infinitos, sistemas parciales.
  • 4. 4 Medio exterior de un sistema El conjunto de sistemas que influye sobre el sistema en estudio será el medio exterior de éste. El medio ambiente suele formar parte del medio exterior. La influencia sobre el sistema puede ser térmica debida a una diferencia de temperaturas, o mecánica debida a una diferencia de presiones.
  • 5. 5 Clasificación de sistemas Sistema cerrado Es aquel cuya masa no varía durante un cambio de situación; por ejemplo, cuando el émbolo pasa de la posición I a la posición II. I II F Fm h p S Sp a receptor mecánico · · sistema (gas)
  • 6. SISTEMA ABIERTO O FLUJOSISTEMA ABIERTO O FLUJO 6 volumen de control
  • 7. FLUJO SECCIÓN TRANSVERSALFLUJO SECCIÓN TRANSVERSAL 7 v v v v v v v v Línea de flujo La formada por la posición instantánea de una serie de partículas, que forman como un hilo; cada partícula ha de estar en la dirección del vector velocidad de la anterior.
  • 8. 8 Tubo de flujo Una superficie (dS, por ejemplo) está rodeada por líneas de flujo que formarán una superficie tubular (como una tripa). Al fluido que circula en su interior se le llama tubo de flujo. S 1 2 dS v
  • 9. 9 Caudal Llamamos caudal (volumétrico) Q al volumen de fluido que atraviesa una sección en la unidad de tiempo, y caudal másico m a la masa correspondiente: dSvdQ    S dSvQ S 1 2 dS v . Q  . m
  • 10. 10 dSvdQ    S dSvQ V perfil de velocidades S v v v v v En función de la velocidad media V
  • 11. 11 dSvdQ    S dSvQ SVQ  V perfil de velocidades S v v v v v En función de la velocidad media V
  • 12. 12 ' t 2 V D tiempos V V t 1 C BA Clasificaciones de flujo Permanente, o estacionario Las características medias no varían con el tiempo (AB y CD). • Variable, o transitorio Varían con el tiempo (BC); por ejemplo, cuando maniobramos una válvula.
  • 13. 13 • Uniforme La velocidad no varía en el trayecto (entre 1 y 2). • No uniforme Cuando sí varía (entre 2 y V). Clasificaciones de flujo 21 V
  • 14. 14 • Laminar Flujo ordenado • Turbulento Flujo desordenado laminar turbulento Clasificaciones de flujo V V
  • 15. 15 Experimento de Reynolds Ensayó en qué situación el régimen en una tubería circular pasaba de laminar a turbulento, que es cuando dejaba de visualizarse la línea teñida a su paso por A. Más adelante veremos cuándo ocurre esto. VA
  • 16. 16 PROPIEDADES DE UN FLUIDO Propiedades de un fluido son aquellas magnitudes físicas cuyo valor nos define el estado en que se encuentra. Son propiedades la presión, la temperatura (común a todas las sustancias), la densidad, la viscosidad, la elasticidad, la tensión superficial, etc.
  • 17. 17 fluido a constante a varía Definición de un fluido Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente (ángulo a) cuando se le aplica un esfuerzo tangencial por pequeño que sea. Con un dF, la placa se movería a una velocidad du. sólido F A CB C'B' D a placa fija  a v v B' B'' A u F B'''B u placa móvil
  • 18. 18 Viscosidad Viscosidad (m) de un fluido es la resistencia a que las distin- tas láminas deslicen entre sí. Ley de Newton de la viscosidad La resistencia debida a la viscosidad depende, además, de la variación de velocidad entre las capas: velocidad de defor- mación (dv/dy). No es lo mismo intentar sacar una cuchara de un tarro de miel despacio que rápido (mayor resistencia). placa fija  a v v B' B'' A u F B'''B u placa móvil
  • 19. 19 dy dv  m (ley de Newton) dv´> dv Esfuerzo cortante  A dicha resistencia, por unidad de superficie, que aparece entre dos láminas deslizantes, cuya variación de velocidad es dv y su separación dy es lo que se llama esfuerzo cortante: placa fija perfil de velocidades ' v dy v v dv  dv dy
  • 20. 20 dy dv  m (ley de Newton) dv´> dv lubricación Esfuerzo cortante  A dicha resistencia, por unidad de superficie, que aparece entre dos láminas deslizantes, cuya variación de velocidad es dv y su separación dy es lo que se llama esfuerzo cortante: dv´= dv placa móvil placa fija F perfil de velocidades v  placa fija perfil de velocidades ' v dy v v dv  dv dy
  • 21. 21 s/mN 2 dv dy m Unidades de viscosidad dinámica en el S.I.
  • 22. 22 s/mN 2 dv dy m s)kg/(m dv dy m Unidades de viscosidad dinámica en el S.I. o bien (1 N = 1 kg m/s2),
  • 23. 23 Viscosidad cinemática, n  m n  Por definición es el cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad:
  • 24. 24 Viscosidad cinemática, n  m n  Por definición es el cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad: En el S.I. de Unidades: sm kg/m s)kg/(m 2 3  m  m n 
  • 25. 25 s m E 631 E73110 2 o o8         n SAE 10 20 30 40 50 60 o E 3  5 5  7 7  9 9  12 12  19 19  27 En grados Engler (oE): En números SAE: A la temperatura de 50 oC, Ver diagramas I y II, y tablas 4 (agua) y 5 (aire).
  • 26. 26
  • 27. 27
  • 28. 28
  • 29. 29
  • 30. 30 Causas de la viscosidad  Cohesión molecular  Intercambio de cantidad de movimiento La viscosidad en los líquidos se debe a la cohesión, y en los gases al intercambio de cantidad de movimiento.
  • 31. 31 Causas de la viscosidad  Cohesión molecular  Intercambio de cantidad de movimiento 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.
  • 34. José Agüera Soriano 2012 32 Aire: baja viscosidad
  • 36. 36 p v   Gases: dp dv v  1  Líquidos: p v v    1  Gases: dp dv v  1  p v 2 1 líquido v p p+v v p Coeficiente de compresibilidad  COMPRESIBILIDAD v p vK    Módulo de elasticidad volumétrico K
  • 37. 37 Presión y temperatura de saturación ts = t(ps) 0,01 7 1 100 2 120 20 212 40 250 60 276 80 295 100 311 150 342 200 366 220 374
  • 38. 38 Presión y temperatura de saturación ts = t(ps) 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 situacio- nes en las que la presión del agua puede disminuir tanto, que llega a hervir. En una olla a presión el agua hierve a mayor temperatura; por eso la cocción es más rápida.
  • 39. 39 La burbujas de vapor de agua, si se formaran, llegan a zonas de mayor presión, y el vapor se condensa bruscamente. Que- dan unas cavidades vacías que son rellenadas con ímpetu por el agua que las envuelve (se han llegado a medir hasta el millar de atmósferas). Sólo duran milésimas de segundo; serían como picotazos que reciben las paredes, que serían corroídas en muy poco tiempo. Cavitación
  • 40. 40 burbuja de vapor cavidad vacía implosión rodete tubo de aspiración 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.
  • 42. 42
  • 45. 45 Sobre cada partícula (M), actúa un par de fuerzas originado por las partículas 1 y 2. Si el par es pequeño respecto de la viscosidad del fluido, las partículas no giran: flujo laminar. De lo contrario, hay giro: flujo turbulento. Aparece un efec- to similar a la viscosidad en los gases: viscosidad aparente y/o viscosidad de turbulencia (h), que lógicamente no es una propiedad del fluido: 1 2 M 2F1F 1v 2v v dy dv  )( hm VISCOSIDAD DE TURBULENCIA
  • 46. GRACIAS POR SU ATENCIÓNGRACIAS POR SU ATENCIÓN 46