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Unidad II
Mecánica de fluidosMecánica de fluidos
Mecánica de fluidosMecánica de fluidos
Es es una parte de una disciplina más amplia llamada mecánica de medios continuos, que incluye también el estudio de sólidos sometidos a esfuerzos.
Ramas de la mecánica de fluidosRamas de la mecánica de fluidos
La estática de fluidos, que trata los fluidos en el estado de equilibrio sin esfuerzo cortante, y
La dinámica de fluidos, que trata los fluidos cuando partes de los mismos se mueven con relación a otras.
El conocimiento de los fluidos es esencial, no solamente para tratar con exactitud los problemas de movimiento de fluidos a través de tuberías, bombas y otros tipos de aparatos, sino también para el estudio del flujo de calor y de muchas operaciones de separación que dependen de la difusión y la transferencia de materia.
Caracterización de FluidosCaracterización de Fluidos Un fluido puede ser caracterizado de
diferentes maneras: Espaciamiento molecular Actividad molecular
En un fluido el espaciamiento entre moléculas es mayor que en un sólido, como también es mayor el rango de movimiento de las moléculas.
Diferencia entre un sólido y un líquido
Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente bajo la acción de esfuerzos cortantes
Flujo entre placas paralelas
Fluido realFluido real
Fluido donde existen efectos de fricción entre partículas adyacentes
Para que el flujo ocurra se deben vencer estas fuerzas de resistencia
En dicho procesos se produce una conversión de energía de calor
Fluido idealFluido ideal Fluidos donde no existen efectos de fricción
entre capas adyacentes Capas se deslizarán unas sobre otras sin
resistencia No existe formación de remolinos o disipación
de energía debido a la fricción
Un fluido es una sustancia que no resiste permanentemente a la distorsión
Durante la variación de la forma, se producen esfuerzos cortantes, cuya magnitud depende de la viscosidad del fluido y de la velocidad de deslizamiento
Un fluido en equilibrio carece de esfuerzos cortantes
Luego resumiendoLuego resumiendo Un fluido es una sustancia que se deforma
continuamente cuando se somete a un esfuerzo cortante, sin importar que tan pequeño sea ese esfuerzo cortante.
Un esfuerzo cortante es el componente de la fuerza
tangente a una superficie, y esta fuerza dividida por el área de la superficie es el esfuerzo cortante promedio sobre dicha superficie.
El esfuerzo cortante en un punto es el valor limite de la fuerza por unidad de área a medida que el área se reduce a un punto.
Un fluido ideal es una sustancia que cuando está en equilibrio estático, NO SOPORTA fuerzas tangenciales o de corte.
Un fluido sometido a esfuerzos de corte fluye inmediatamente, no importa cuan pequeño sea éste (fluido ideal).
Cualquier sustancia que tiene la capacidad de fluir es un fluido: Liquido, Gas, Plasma
Propiedades de los fluidos
Densidad Módulo de elasticidad Volumen específico y densidad
relativa Viscosidad Tensión Superficial: Capilaridad
Densidad La densidad es una de las propiedades más
habituales y útiles en el estudio de los fluidos: relaciona la masa de una porción de fluido y el volumen que esta porción ocupa
Se expresa como: m / v
Sus unidades son:g / cm3 = g / mL
kg / L = 1000 kg / m3 lb / pie3
Aire 1,29 Aluminio 2 700
Helio 0,18 Cobre 8 920
Hidrógeno 0,09 Hierro 7 860
Agua dulce 1 000 Plomo 11 300
Hielo 917 Oro 19 300
Agua salada 1 030 Mercurio 13 600
Alcohol 806 Madera 373
Densidades de algunas substancias (kg/mDensidades de algunas substancias (kg/m33))
Módulo de elasticidad El módulo de elasticidad
es una característica del material que caracteriza la compresibilidad de un líquido - cuan fácil una unidad del volumen fluido puede ser cambiada al cambiar la presión que trabaja sobre ella.
vdv
dpE
Volumen especificoVolumen especifico El volumen especifico en el SI es el
reciproco de la densidad absoluta.
1
sV
Densidad relativaDensidad relativa Es la relación entre la masa del cuerpo a
la masa de un mismo volumen de agua limpia en condiciones normales.
Esta relación es igual a las de los pesos específicos del cuerpo en cuestión y del agua en las mismas condiciones.
VOLUMEN ESPECÍFICO, DENSIDAD RELATIVAVOLUMEN ESPECÍFICO, DENSIDAD RELATIVA
Escalas de densidad relativaEscalas de densidad relativa
Escala API ( Para derivados del petróleo )S = 141.5 / ( 141.5 + ºAPI )
Escala Baumé ( Para productos menos densos que el agua )S = 140 / ( 130 + ºBaumé )
Escala Baumé ( Para productos más densos que el agua )S = 145 / ( 145 - ºBaumé )
ViscosidadViscosidad
Aunque las moléculas de los líquidos pueden deslizarse una sobre otras, esto no ocurre con igual facilidad para todos los líquidos; esta resistencia la da la viscosidad.
Viscosidad es la propiedad molecular que representa la resistencia del fluido a la deformación.
Dentro de un flujo, la viscosidad es la responsable de las fuerzas de fricción entre capas adyacentes de fluido. Estas fuerzas se denominan de esfuerzo cortante (“shearing stress”) y dependen del gradiente de velocidades del fluido.
zc
AF
Viscosidad dinámica
Gradiente de velocidad
(Pa · s=N·s/m2)(1 Pa · s = 10 Poise)
z
c c+dc
FA
Esfuerzo cortante
ViscosidadViscosidad
En los líquidos depende principal-mente de la cohesión entre las moléculas del fluido.
En los gases depende principalmente del grao de agitación molecular.
Tensión SuperficialTensión Superficial
Mide la capacidad de soporte de tensiones de la superficie de un liquido
Las moléculas que se encuentran en la superficie de un líquido, son atraídas hacia el volumen.
CapilaridadCapilaridad
El contacto de un líquido con las paredes del tubo de sección circular que lo contiene se realiza formando un menisco o ángulo de contacto, Ө
Si el ángulo de contacto es menor que 90°, la adhesión del liquido en la superficie produce una tensión hacia arriba y el liquido sube por el tubo.
Estática de fluidosEstática de fluidos La estática de fluidos estudia los gases y los líquidos en
equilibrio o reposo. A diferencia de los líquidos, los gases tienen la cualidad de comprimirse, por lo tanto el estudio de ambos filudos presentan algunas características diferentes; el estudio de los fluidos líquidos se llama hidrostáticahidrostática y el estudio de los gases se llama aerostática.
Por tener un movimiento uniforme en sus planos adyacentes la estática de fluidos no tiene movimiento relativo u otras fuerzas que traten de deformarlo. El esfuerzo normal es la fuerza que actúa de forma perpendicular al cuerpo.
La estática de fluidos se utiliza para calcular las fuerzas que actúan sobre cuerpos flotantes o sumergidos. Es utilizada como principio de construcción de muchas obras de ingeniería, como presas, túneles submarinos, entre otros.
Esfuerzos de compresión ⇔ Presión La propiedad fundamental de un
fluido estático es la presión.
La presión es la fuerza superficial que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene.
En cualquier punto del interior de un fluido existe también una determinada presión.
En un fluido estático, la presión resulta independiente de la orientación de cualquier superficie interna sobre la que actúa.
Principio de Pascal y ArquimedesPrincipio de Pascal y Arquimedes
“la presión aplicada a un fluido se transmite con el mismo valor a todos los puntos del fluido a las
paredes del recipiente que lo contiene”
hpp 21
Presión en un fluido estático
AplicacionesAplicaciones Manómetros
Decantador gravitatorio continuo
Decantador centrifugo
Decantador gravitatorio continuoDecantador gravitatorio continuo
Un decantador gravitatorio se utiliza para la separación continua de dos líquidos no miscibles de densidades diferentes.
La mezcla de alimentación entra por un extremo del separador; los dos líquidos fluyen lentamente a través del tanque, se separan en dos capas, y descargan por los rebosaderos situados al otro extremo del separador.
Decantador gravitatorio continuoDecantador gravitatorio continuo
Con tal de que los rebosaderos sean lo suficientemente grandes, para que la resistencia de fricción al flujo de líquidos pueda despreciarse, y la descarga se haga a la misma presión que existe en el espacio gaseoso situado sobre el líquido del tanque, el funcionamiento del decantador puede estudiarse según los principios de la estática de fluidos.
El tamaño de un decantador viene dado por el tiempo que se requiere para la separación, que a su vez depende de la diferencia entre las densidades de los dos líquidos y de la viscosidad de la fase continua.
Decantador centrifugoDecantador centrifugo Se utiliza cuando la diferencia de densidades de los dos
líquidos es pequeña, la fuerza de la gravedad es demasiado débil para separar los líquidos en un tiempo razonable
Consta de un recipiente metálico cilíndrico, que en general se dispone verticalmente, y que gira alrededor de su eje a gran velocidad.
El aparato está en reposo, y contiene una cierta cantidad de los dos líquidos no miscibles de densidades diferentes. El líquido pesado forma una capa sobre el fondo del recipiente, debajo de la capa de líquido ligero. Si ahora se hace girar el recipiente, el líquido pesado forma una capa, que se representa en la figura por la zona A, próxima a la pared interior del aparato. En el interior de la capa de líquido pesado se forma una capa de líquido ligero que se representa por la zona B. Las dos capas están separadas por una interfase denominada zona neutra.
Decantador centrifugoDecantador centrifugo
1. Cono cilindro cónico
2. Tornillo Extracción helicoidal (rotador)
3. Alimentación
4. Distribuidor
5. Espacio entre anillos
6. Producto de sedimentación
7. Nivel liquido
8. Zona de secado
9. Liquido clarificado
10.Limite ajustamiento
Ventajas Se puede utilizar para un mayor rango de
usos potenciales,
Operación continua,
Acepta grandes rangos de concentraciones de alimentación al sistema,
Disponibilidad para una gran variedad de capacidades del flujo de alimentación al sistema.
Aplicaciones El decantador centrífugo puede separar la mayoría de
tipos de liquido/ sólido. Se puede utilizar para la clasificación de sólidos en líquidos en suspensión o para la clarificación de líquidos.
Además también se puede utilizar en la recuperación de sólidos de valor desde el liquido en suspensión lavando el sólido recuperado.
El decantador también puede desaguar los lodos consiguiendo un nivel muy alto de secado y finalmente puede ser operado para actuar como un espesante, produciendo liquido claro y lodo mas concentrado.