02 Propiedades de Los Fluidos

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Propiedades de losFluidos

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1. INTRODUCCION........................................................................................................ 11.1. NATURALEZA DE LOS FLUIDOS......................................................................... 11.2. CLASIFICACIÓN ............................................................................................... 1

2. PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS.............................................................................. 22.1. DENSIDAD ....................................................................................................... 2

2.1.1. DEFINICIÓN.......................................................................................... 22.1.2. APLICACIONES PRACTICAS .................................................................... 3

2.2. FACTOR DE DILATACIÓN.................................................................................. 62.2.1. DEFINICIÓN.......................................................................................... 62.2.2. APLICACIONES PRÁCTICAS .................................................................... 7

2.3. VOLUMEN ESPECÍFICO (∇) .............................................................................. 72.3.1. DEFINICIÓN.......................................................................................... 72.3.2. APLICACIÓN PRÁCTICA.......................................................................... 8

2.4. GRAVEDAD ESPECÍFICA.................................................................................... 82.4.1. DEFINICIÓN.......................................................................................... 82.4.2. APLICACIÓN PRACTICA.......................................................................... 9

2.5. DENSIDAD DE SOLUCIONES LÍQUIDAS ............................................................. 92.5.1. CONCEPTO DE SOLUCIÓN...................................................................... 92.5.2. DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO DE LAS SOLUCIONES ............................102.5.3. ESCALAS DE EXPRESIONES DE PESOS ESPECÍFICOS .............................10

2.5.3.1. ESCALA BAUMÉ........................................................................10 2.5.3.2. ESCALA API ..........................................................................12

2.6. VISCOSIDAD...................................................................................................132.6.1. DEFINICIÓN.........................................................................................132.6.2. UNIDADES DE VISCOSIDAD ..................................................................14

2.7. PRESIÓN DE VAPOR DE LOS LÍQUIDOS............................................................162.7.1. DEFINICIÓN.........................................................................................162.7.2. FENÓMENO DE EVAPORACIÓN..............................................................162.7.3. PRESIÓN DE VAPOR .............................................................................182.7.4. VARIACIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR CON LA TEMPERATURA..............192.7.5. VAPOR SATURADO ...............................................................................202.7.6. RESUMEN DE LA PRESIÓN DE VAPOR....................................................212.7.7. APLICACIÓN PRÁCTICA.........................................................................21

3. PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN ...........................................................................234. SOLUCIÓN A LA PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN ..................................................24

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"PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS"

1. INTRODUCCION

El transporte de FLUIDOS es importante en muchas de la operaciones industriales. Elmanejo de líquidos es más sencillo, más barato y menos enojoso que el manejo de sólidos.En consecuencia, el técnico industrial maneja todo; en forma de líquidos, soluciones osuspensiones, siempre que sea posible. Únicamente cuando estos métodos fallan, se tieneque recurrir al manejo de sólidos. Incluso entonces, en muchas operaciones se manejasólidos en un estado de tan fina subdivisión, de forma que permanezca en suspensión en unfluido. Estas mezclas de dos fases, se comportan en muchos aspectos en forma semejante alos fluidos y se denominan “sólidos fluidizados”.

1.1. NATURALEZA DE LOS FLUIDOS

DefiniciónUn fluido es una sustancia que no resiste permanentemente una distorsión. Unintento de cambiar la forma de una masa de fluido dará lugar a un deslizamiento delas capas del mismo, unas sobre otras, hasta que se alcance una nueva forma.Durante este cambio existirán esfuerzos cortantes, la magnitud de los cuales dependede la viscosidad del fluido y la velocidad de deslizamiento, pero cuando alcanza laforma final todos los esfuerzos cortantes habrán desaparecido. Un fluido en equilibrioestá libre de efectos cortantes. Se observará que esta definición cubre tanto loslíquidos y gases.

1.2. CLASIFICACIÓN

Los fluidos pueden clasificarse en:• Gases• Líquidos

A una temperatura y presión dada un fluido posee una densidad definida.

Las BOMBAS HIDRÁULICAS son máquinas que transportan líquidos. Por ello noslimitaremos al estudio de las propiedades de los líquidos, de los cuales depende eltrabajo de transporte que efectúan las BOMBAS CENTRÍFUGAS.

En el caso de los líquidos la densidad no varía apreciablemente con la presión. Espor eso que a los líquidos también se les llama “fluidos incompresibles”.

La densidad de los líquidos varía con la temperatura

Cuando aumenta la temperatura de un líquido su densidad disminuye y viceversa.


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El estudio del transporte de líquidos es la ciencia llamada Hidromecánica oHidráulica, que es parte de la Mecánica de Fluidos

La Hidráulica estudia:

• Los líquidos en reposo, o Hidrostática• Los líquidos en movimiento o Hidrodinámica.

2. PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS

Las propiedades de los líquidos de los cuales depende el funcionamiento de las bombashidráulicas son:

• La densidad,• la viscosidad,• la presión de vapor

2.1. DENSIDAD

2.1.1. DEFINICIÓN

La densidad de un líquido se puede definir como el peso de una unidad devolumen de líquido. El símbolo de densidad es “ρ” ( letra griega que llamada“rho”).

Su expresión matemática es:

Las unidades de ρ son:

Ib/gl Ib/pie TM/m Kg/l /

galónlibra ;

pielibra ;

m3tonelada;

litrokilogramos ;

cmgramos

33

33

lg=

=

ρ

ρ

Por ejemplo:

La densidad del agua a 4°C = 1 g/cc = 1 TM/m3 = 1 kg/l

La densidad del agua a 60°F = 62.37 lb/pié3 (Sistema Inglés)

En el sistema de hidráulica de bombas y tuberías, se utiliza el sistema ingléstanto como el sistema métrico y el sistema internacional.Por ello siempre es necesario utilizar una Tabla de Conversión de Unidades.(Se adjunta una Tabla en el Apéndice al final de esta Unidad)

líquido de volumenlíquido del peso

=ρ (1)


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La presión no tiene efecto práctico sobre la densidad de un líquido. Sinembargo el aumento de la temperatura causa que un líquido se dilate y enconsecuencia disminuye su peso por unidad de volumen o sea disminuye sudensidad.

2.1.2. APLICACIONES PRACTICAS

EJERCICIO DE APLICACIÓN N°1.

Determinar la densidad de un aceite comestible

Colocamos 100 centímetros cúbicos ( 100 cm3 ) de aceite, en un vaso cuyopeso vacío es conocido e igual a 150 gramos. Tomamos el vaso conteniendoel aceite y lo llevamos a una balanza. Supongamos que la balanza nos indicaun peso de 235 gramos.

Solución:

a. Peso del vaso conteniendo el aceite = 235 gb. Peso del vaso vacío = 150 gc. Peso del aceite: (a) - (b) = 85 g

Aplicando la ecuación (1):

Densidad del aceite: ρ = Peso del aceite volumen del aceite

ρ = 85 gramos = 0.85 g/cc 100 cm3

Fig. 1 Determinación práctica de la densidad de un líquido

probeta con100 c.c. de aceite

Balanza

100 c.c

VasoVacío

150 g 235 g


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EJERCICIO DE APLICACIÓN N°2

Se desea determinar la densidad de un alcohol.

Para ello medimos 80 cm3 de alcohol y los colocamos en un vaso cuyo pesovacío es 153.5 gramos. Al pesar el vaso con el alcohol, la balanza indica229.1 gramos.

Solución

a. Peso del vaso con el alcohol = 229.1 gb. Peso del vaso vacío = 153.5 gc. Peso del alcohol: (a) - (b) = 75.6 g

Aplicando la ecuación (1) de definición de densidad:

3alcohol

3

TM/m 0.945 Kg/l 0.945 g/cc 0.945

g/cc 945.0cm 80

6.75

===

===

ρ

ρ gvolumen

peso

EJERCICIO DE APLICACIÓN N° 3

Inventario de tanques.

En una planta de refinación de aceite de pescado se efectúa el inventariomensual.-. Un tanque cilíndrico vertical tiene las siguientes dimensiones:

diámetro = 3 metrosaltura = 9 metros

Fig.2 : Esquema del tanque

9 m

3 m

5 m


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Este tanque está lleno de aceite hasta un nivel de 5 metros de altura. Serequiere determinar el peso de aceite contenido en el tanque, pero no seconoce la densidad del aceite a las condiciones del tanque. Para ello, setoma un vaso de vidrio vacío de 150 cm3 y se pesa, dando un peso de 230gramos. Luego se agrega 100 cm3 de aceite a dicho vaso de vidrio y sevuelve a pesar, indicando en la balanza 313 gramos.

Determinar el peso de aceite en el tanque para el inventario.

Solución:

Primer Paso: Determinar la densidad del aceite:

a. Peso del vaso con 100 cm3 aceite = 313 gb. Peso del vaso vacío = 230 gc. Peso de los 100 cm3 de aceite: (a) - (b) = 83 g

Densidad del aceite: ρ = 83 gramos = 0.83 g/cc = 0.83 TM/m3

100 cm3

Segundo Paso: Determinación del volumen de aceite en el tanque:

Fórmula del volumen de un cilindro: Area de Base x Altura

Area de Base = (Π . d2) = Π (3 m)2 = 7.07 m2

4 4

Altura = Nivel de aceite = 5 m.

Luego,

Volumen = 7.07 m2 x 5 m = 35.35 m3

Tercer Paso: Hallar el peso de aceite contenido en el tanque:

Peso = Volumen x densidad

Peso = 35.35 m3 x 0.83 TM/m3 = 29.34 TM de aceite.

Luego el peso de aceite en dicho tanque es 29.34 TM.


Calcular la cantidad de agua que existe en un tanque que tiene un diámetrode 10 pies y está lleno hasta un nivel de 12 pies, sabiendo que la densidaddel agua es 62.37 lb/pie3. (Aplicando el sistema inglés)

Solución

Primer paso Hallamos el volumen de agua en el tanque:


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Volumen = Area de Base x densidad

Volumen = Π . d2 x altura = Π(10 pies)2 x 12 pies 4 4

Volumen = 942.28 pies3

Segundo paso Hallar el peso de agua en el tanque:

Peso = volumen x densidad

Peso = 942.28 pies3 x 62.37 lb/pie3

Peso = 58782 libras de agua.

Luego, en el tanque hay 58782 libras de agua.

2.2. FACTOR DE DILATACIÓN

2.2.1. DEFINICIÓN

La presión no tiene efecto práctico sobre la densidad de un líquido. Sinembargo, el aumento de temperatura causará que un líquido sedilate.

En los procesos industriales los caudales de líquido pueden ser dados a unatemperatura básica de 60°F (15.5°C), acompañado por un factor dedilatación “ Ε ", en los sectores de una tubería donde la temperatura varíe.

Este factor de dilatación “ Ε ” es,

Donde ρ es la densidad del líquido a la temperatura de la tubería.

Por lo tanto el caudal, Q, en galones por minuto (GPM) de un líquido o litrospor segundo (lps) a la temperatura de flujo en la tubería será:

Donde:Q = Caudal a la temperatura de la tubería (gpm)

Q60°F = Caudal a la temperatura a 60°F (gpm)E = factor de dilatación

( )2 Líquido de Densidad

60 a líquido del Densidad 60

ρρ

==FE

o

(3)EQQ P •= °60


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2.2.2. APLICACIONES PRÁCTICAS

EJERCICIO DE APLICACIÓN N° 1:

En una tubería ingresa 100 gpm de aceite lubricante a 60°F, siendo sudensidad a esta temperatura 0.85 lb/pié3. En un sector de la instalación elaceite se calienta a 110°F y a esa temperatura la densidad del aceite es 0.82lb/pié3. Determinar el caudal en galones por minuto de aceite que estápasando por ese sector calentado.

Solución

Primer Paso Hallar el factor de dilatación “ Ε “

0366.182.085.060

===ρ

ρ FEo

Segundo Paso Hallar el caudal Q, que pasa por el sector:

Q = Q60 x Ε

Q = 100 gpm x 1.0366 = 103.66 gpm

2.3. VOLUMEN ESPECÍFICO (∇)

2.3.1. DEFINICIÓN

Es la inversa (el recíproco) de la densidad. Expresa el volumen por unidadde peso.

Ejemplo¿Cuál será el volumen específico del agua a la temperatura de 190°F, siendosu densidad a esa temperatura 60.35 lb/pié3?

SoluciónAplicando la ecuación (4), tenemos :

∇ = 1/ρ = pies3/lb = l/kg. = m3/TM = c.c./g ( 4)

∇ = 1/ρ = 1/60.35 lb/pié3 = 0.01657 pies3/libra


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2.3.2. APLICACIÓN PRÁCTICA

Ejercicio de aplicación N°2

Determinar el flujo másico de agua en libras por minuto, a 190°F, si unmedidor de caudal indica 60 gpm.

(Dato adicional: 1 pié3 = 7.48 galones)

Solución

Primer pasoConvertimos los galones por minuto a pies cúbicos por minuto.

Segundo paso Determinar el flujo másico por minuto de agua que pasapor la tubería:

Aplicando el valor de ∇del problema anterior,

2.4. GRAVEDAD ESPECÍFICA

2.4.1. DEFINICIÓN

La gravedad específica (S) o peso específico relaciona la densidad deun líquido a 60°F con la densidad del agua a 60°F (ρ = 62.37 lb/pié3 ) En elsistema métrico se toma como referencia la densidad del agua a 4.0°C (ρ =1 g/cm3 o 1 kg./litro)

Por ejemplo, el peso específico 20°/4°, indica la relación de la densidad deun líquido a 20°C con respecto a la densidad del agua a 4°C.

S = ρ/1c.c. = ρ / 1 kg./lt = ρ/1 TM/m3 (Sin dimensiones)

También en el sistema inglés, se puede expresar la gravedad específica S,como la relación de la densidad de un líquido a una temperatura dada conrespecto a la densidad d el agua a 60°F.

S = ρ / 62.37

minuto por pies 8.02 gal/pie 48.7pie 1 gpm 60 3

3

3=×

Másico) (Flujo lb/min 484.09 lb/pies 1657.0

min/pies 02.83

3=

unidades) (sin lb/pielb/pie

60w 3

3liq60

ρρ

=S( 5 )

Para el sistema métrico, la gravedad especifica relaciona la densidad de unlíquido a una temperatura dada con respecto a la densidad del agua a 4°C.


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En el sistema métrico la gravedad específica tiene el mismo valor numéricoque la densidad.

Ejemplo : La densidad de un líquido a 20°C es 0.875 g/cm3 y la gravedadespecífica del líquido es:

0.875 g/cc 0.1

g/cc 875.0==S

En el sistema inglés la densidad de un líquido es 62.37 veces su pesoespecífico.

2.4.2. APLICACIÓN PRACTICA


La gravedad específica de un petróleo de 41.1° API, tiene un gravedadespecífica de 0.82. Determinar su densidad en:

a. lb/pie3 yb. kg./lt.

SOLUCIÓN

a. En lb/pie3:

0.82 x 62.37 = 51.14 lb/pie3

b. En g/c.c.:0.82 x 1 = 0.82 g/c.c.

2.5. DENSIDAD DE SOLUCIONES LÍQUIDAS

2.5.1. CONCEPTO DE SOLUCIÓN

Por ejemplo una solución de sal común (cloruro de sodio) disuelto en agua.Otro ejemplo, una solución de alcohol en agua.Otro ejemplo, una solución de azúcar en agua.

Como se observa en los ejemplos, las soluciones comprenden sustancias queestán contenidas en diferentes proporciones.

RECORDEMOS SIEMPRE QUE LA GRAVEDAD ESPECIFICA O PESO ESPECIFICO ESUN NUMERO SIN DIMENSIONES.

Una solución líquida, es una mezcla homogénea de dos o más sustancias


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La sustancia que está en mayor proporción, que en los ejemplos anterioreses el agua, se llama solvente.

La sustancia que está en menor proporción en los ejemplos anteriores (sal,alcohol, azúcar) se les llama soluto.

2.5.2. DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO DE LAS SOLUCIONES

Con respecto a la densidad y peso específico de las soluciones líquidas, seaplica todo lo mencionado en los párrafos para los líquidos.

La densidad de las soluciones depende de la concentración ( cantidad desoluto en el solvente) y de la temperatura.

La relación entre estas tres variables (densidad, concentración ytemperatura), ha sido determinada en la mayoría de los sistemas comunes yexisten tablas completas para diferentes soluciones.

Para expresar la gravedad específica o peso específico varias escalas de usoindustrial, donde los pesos específicos son expresados en términos degrados, que están relacionadas a los pesos específicos por funcionesdefinidas en una forma mas o menos arbitraria.

2.5.3. ESCALAS DE EXPRESIONES DE PESOS ESPECÍFICOS

2.5.3.1. ESCALA BAUMÉ

Existen dos escalas Baumé

En resumen, una solución estácompuesta por:• solvente• soluto.

Uno para líquidos más ligeros que el agua (soluciones de alcohol, deácidos orgánicos, etc.) La expresión que relaciona los °Baumé con el pesoespecífico “S”, es la siguiente:

Grados Baumé (°Bé) = 140 - 130 ( 6) S

Otro para líquidos más pesados que el agua (soluciones de hidróxidode sodio, de ácido sulfúrico, de ácido clorhídrico, etc.). La expresión querelaciona los °Baumé con el peso específico “S” es:

Grados Baumé (°Bé) = 145 - 145 ( 7 )S


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S, es el peso específico de una sustancia a 60°F/60°F.De esta definición resulta que un líquido como el agua, que tieneun peso específico de 1.0 tendrá 10° Bé.

EJEMPLO DE APLICACIÓN N°1.Una solución de soda cáustica tiene una concentración de 32% (enpeso) y su peso específico es 1.352 a 15°C (60°F). Hallar sudensidad expresado en grados Baumé.

Solución

Observamos que el peso específico de esta solución ( S = 1.352)es mayor que la del agua(S = 1.00). Por lo tanto usamos la ecuación (7):

y obtenemos:

°Bé = 145 - 145 = 37.75 °Bé 1.352

Luego esta solución es de 37.75°Bé

EJEMPLO DE APLICACIÓN N° 2

Una solución de ácido sulfúrico tiene una densidad de 22.28°Bé.Determinar peso específico.

Solución:

Esta solución es más pesada que el agua (°Bé = 10), por lo tantoaplicamos la fórmula:

De esta ecuación despejamos “S”

Reemplazando datos:

145 = 145 145 - 22.28 122. 72

S = 1.18155

°Bé = 145 - 145 S

°Bé = 145 - 145 S

S = 145145 - °Bé


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2.5.3.2. ESCALA API

Como resultado de una confusión en los estándares para losinstrumentos en la industria petrolera, la AMERICAN PETROLEUMINSTITUTE (API) ha adoptado una escala especial para los pesosespecíficos de los productos de petróleo.

Como en el caso de la escala °Bé, un líquido que tiene un pesoespecífico, S = 1.00 (agua), tiene 10°API.

Un líquido que posee un peso específico, S = 0.80, tiene un APIigual a:

°API = 141.5 - 131.5 = 45.375 °API 0.80

EJERCICIO DE APLICACIÓN N°3

El petróleo diesel N° 2 tiene 30°API. Determinar su densidad a15°C (60°F)

Solución:

Aplicando la ecuación ( 8 ) para calcular el peso específico, S :

°API = 141,5 - 131.5 S

Como queremos hallar el valor de “S”, lo despejamos y hallamos lasiguiente formula:

S = 141.5 . °API + 131.5

reemplazando datos y calculando:

S = 141.5 = 0.876 30°API + 131.5

luego el peso específico del petróleo diesel a 15°C es de 0.876 ysu densidad es 0.876 kg./lt.

Grados API = ° API = 141.5 - 131,5 ( 8 ) S

Como habrá notado cuanto menor es el peso específico (odensidad) de un líquido el °API es mayor.


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EJERCICIO DE APLICACIÓN N°4Se requiere conocer la densidad del petróleo diesel (aplicaciónanterior) en unidades inglesas, para efectos de selección de unabomba.

Solución:

Una vez hallado el peso específico, S, del petróleo diesel,multiplicamos este valor por la densidad del agua (62.37 lb/pié3)

Así: ρ = S x ρagua

ρ = 0.876 X 62.37 lb/pié3 = 54.64 lb/pié3

ρdiesel = 54.64 lb/pié3

2.6. VISCOSIDAD

2.6.1. DEFINICIÓN

Los líquidos presentan una resistencia entre el deslizamiento de una capa delíquido sobre otra capa. Este deslizamiento o frotamiento interno se llamaviscosidad. O sea, viscosidad es la resistencia experimentada por unaporción de líquido cuando se desliza sobre otra.

La viscosidad de los líquidos varía ampliamente, pues mientras algunoslíquidos como el éter son muy móviles, otros líquidos como el alquitrán y losaceites pesados son extremadamente viscosos.

De lo anterior resulta que el volumen de un líquido que fluye por un tubofijado, en la unidad de tiempo y bajo una presión dada, varía ampliamentecon la naturaleza del líquido.

Para un determinado líquido, este volumen varía con la temperatura y con eltipo de flujo, sea turbulento o en línea recta.

Se entiende por flujo en línea recta, llamado también flujo laminar oviscoso, cuando las moléculas de las capas líquidas se mueven paralelas alas paredes del tubo. Este tipo de flujo (laminar) se presenta en los líquidosque se trasladan por tubos de diámetro muy pequeño y a bajas velocidades.En este tipo de flujo la propiedad del líquido que gobierna su velocidad es laviscosidad.

A más altas velocidades del flujo de líquido o por tuberías de diámetrogrande, el tipo de flujo cambia a uno que presenta capas de líquido que semezclan el cual se llama flujo turbulento,


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Fig. 3Flujo turbulento

La clasificación del flujo se hace mediante una cantidad conocida como elNúmero de Reynolds, (NRe) que se define como:

donde:D = diámetro interno del tubov = velocidad del líquidoρ = densidad del líquidoµ = viscosidad del líquido

2.6.2. UNIDADES DE VISCOSIDAD

centímetros cuadrados

Fig. 4Definición de Viscosidad

Consideremos dos capas de fluido separados L cm (ver figura); supóngaseque cada una de estas dos capas tiene un área de A cm2. Supongamos quela capa superior que se mueve paralelamente a la capa inferior. Para unflujo real, se necesita una fuerza de F dinas para mantener esta velocidad“v”. se ha encontrado experimentalmente que la fuerza F es directamenteproporcional a la velocidad “v”, al área A, e inversamente proporcional a ladistancia L. Esto se expresa matemáticamente en la forma:

NRe = D. v .ρ ( 9 ) µ

Cuando el NRe es inferior a 2000 se dice que el flujo es laminar.

Cuando el NRe es superior a 4000 se dice que el flujo es turbulento.

F = µ .v.A (10) L

velocidad = vFuerzaF en dinas

L

cm/seg.A cm2


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En la que “µ “ es la constante de proporcionalidad, llamada viscosidad.

Esta ecuación puede utilizarse para definir la unidad de viscosidad.Resolviendo esta ecuación con respecto a µ, se tiene:

La dimensión de L es longitud,las de fuerza F son masa por aceleración ó (masa)(longitud)/(tiempo)2

las de velocidad, v, es longitud/tiempo

Si se sustituyen estas dimensiones en la ecuación anterior y se opera, seencuentra que las dimensiones de la viscosidad son:

En el sistema métrico la unidad de viscosidad es lógicamente el:

Esta unidad se conoce con el nombre de poise, y se llama así en honor alcientífico francés Poiseuille, que efectuó investigaciones fundamentales sobrela viscosidad. Pero sucede que esta unidad es demasiado grande para lamayor parte de los fluidos; por ejemplo, el agua a una temperatura de 20°Ctiene una viscosidad de 0.00100 poises. Por esta razón es costumbreexpresar la viscosidad en centipoises.

También por esta causa es frecuente expresar la viscosidad como viscosidadrelativa respecto al agua a 20°C. Esta viscosidad relativa esnuméricamente igual a la viscosidad absoluta expresada en centipoises.

La unidad inglesa de viscosidad puede expresarse en:

µ = L.F ( 11) v.A

µ < > Masa (longitud)(tiempo)

do)(cm)(segungramo ⟩⟨µ

1 centipoise = 0.01 poise

( ) ( )( )segundopiemasa - libra inglesa unidad =µ


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Esta unidad no tiene nombre. Puesto que:

1 gramo = (1/453.6) libra1 cm = (1/30.48) pie

Puede sustituirse estos valores en la ecuación de definición del poise:

La unidad normal, el centipoise, es igual a 0.000672 unidades inglesas,Una unidad inglesa es igual a:

Algunas veces la unidad inglesa se utiliza con las dimensiones

Para convertir centipoises a esta unidad, hay que multiplicar por 2.42. En elsistema técnico,

2.7. PRESIÓN DE VAPOR DE LOS LÍQUIDOS

2.7.1. DEFINICIÓN

El estado líquido resulta cuando las condiciones son tales que la energía deatracción entre las moléculas excede al valor de su propia energía cinética detraslación. Se logra esto cuando las moléculas son apretadas taníntimamente que se aumenta la energía de atracción entre estas o cuandose baja la temperatura de la sustancia, con lo cual disminuye la energíacinética de las moléculas.

2.7.2. FENÓMENO DE EVAPORACIÓN

En base a la teoría anterior, se puede imaginar a la superficie de un líquidocomo una capa de moléculas cada una de las cuales está ligada a lasmoléculas que están debajo, debido a las fuerza atractivas. Se puede retirardel conjunto del líquido a cualquiera de las moléculas superficiales,venciendo a las fuerzas atractivas. Esto es posible si se suministra a lamolécula en consideración una suficiente energía cinética para vencer laenergía máxima de atracción. Una vez que la molécula pasa esta distanciade atracción máxima, está libre y se mueve alejándose de la superficie dellíquido, bajo la acción de su propia energía de traslación, convirtiéndose enuna molécula de un gas.

( )( ) ( ) ( )segundopie

masa - libra6.453

30.48 inglesa) unidad (1 poise 1 ==

scentipoise 1.488 0.000672

1 inglesa unidad 1 ==

( )( )hora piemasa - libra

1 centipoise = 10-2 kg./(m)(seg.)


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Fig.5 : El Estado Líquido y las Fuerzas Intermoleculares

Fig. 6 : Evaporación y Presión de Vapor

Resulta entonces que en cada líquido y en cada gas existen moléculasenergizadas tan fuertemente que se mueven a velocidades mucho más altasque la velocidad promedio. Cuando una de tales moléculas llega a lasuperficie de un líquido, con la tendencia a alejarse del cuerpo principal dellíquido, la molécula posee energía suficiente para deshacerse de las fuerzasque quieren retenerla en la superficie del líquido, y como consecuencia sealeja de dicha superficie. Este fenómeno de desprendimiento de lasmoléculas fuertemente energizadas tiene lugar en toda superficie líquida.De aquí resulta que la materia de un líquido continuamente tiende a asumirel estado de gas o vapor. El fenómeno se llama evaporación.

Cuando un líquido se evapora en un espacio limitado, intervienen dosprocesos opuestos:

• el proceso de evaporación, que tiende a cambiar el líquido en un gas,• el proceso de condensación que es inverso.

PRESIÓN ATMOSFÉRICA

VAPOR MOLÉCULAS QUESALEN DE LA SUPERFICIEDEL LÍQUIDO EJERCENPRESIÓN

MOLÉCULAS EN LALÍQUIDO SUPERFICIE DEL

LÍQUIDO


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2.7.3. PRESIÓN DE VAPOR

La velocidad de condensación va en aumento como procede la evaporación yaumenta entonces la presión de vapor. Si está presente una suficientecantidad de líquido, la presión de vapor alcanzará finalmente tal valor que lavelocidad de condensación llegaría a igualar a la velocidad de evaporación.

Fig. 7TENSIÓN DE VAPOR

Cuando se alcanza la condición que son idénticas las velocidades deevaporación y de condensación, se establece un equilibrio dinámico y lapresión de vapor permanece constante, desde que la formación de unanueva cantidad de vapor se compensará por la condensación de otracantidad exactamente igual de vapor.

Si se tiende a cambiar la presión del vapor en cualquier sentido del valor deequilibrio citado, la propia presión de vapor se corregirá para regresar a suvalor anterior, aumentando o disminuyendo la velocidad de condensación.

Todos los materiales, sean líquidos o sólidos, presentan tensiones de vapordefinidas, con valores grandes o pequeños, cualquiera que sea latemperatura de la sustancia.

PRESIÓN ATMOSFÉRICA

EQUILIBRIO DINÁMICO = PRESIÓN DE VAPOR

Moléculasse vaporizan

Moléculasse condensan

C

La presión ejercida por el vapor en tal condición de equilibrio, se llama latensión de vapor del líquido.


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La magnitud de la tensión de vapor no depende de las cantidades dellíquido y del vapor. Esto proviene del hecho de que:• tanto la velocidad de pérdida de moléculas• como la velocidad de ganancia de moléculas• son directamente proporcionales al área expuesta al vapor.

En la condición de equilibrio, cuando las dos velocidades son idénticas, uncambio en el área de la superficie expuesta no afectará las condicionesen la fase gaseosa.

2.7.4. VARIACIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR CON LA TEMPERATURA

Ahora bien, desde que las moléculas de todos los líquidos están dotadas dela misma energía cinética de traslación a una determinada temperatura,resulta que:

Si una sustancia posee intensas fuerzas atractivas moleculares, puesentonces será pequeña la velocidad de pérdidas de moléculas de susuperficie, lo cual corresponde a una baja tensión de vapor. La magnitud deestas fuerzas atractivas depende del tamaño y la naturaleza de lasmoléculas, de tal modo que de común aumentan de valor según el aumentoen el tamaño y en la complejidad de la molécula. Comparando líquidos deconstitución química similar, sus tensiones de vapor a una mismatemperatura son menores según sus pesos moleculares mas grandes.

TABLA N° 1 TENSIÓN DE VAPOR DE ALGUNOS LÍQUIDOS O PRESIÓN DE VAPOR EN EQUILIBRIO

(EXPRESADO EN TORR = 1 mm de Hg)

Temperatura °C

AguaH2O

EtanolC2H5OH

Tetracloruro decarbono

CCl4

AcetonaCH3-CO

CH3

Eter Etílico(C2H5)2 O

0 4.579 12.2 33 ……….. 185.310 9.209 23.6 56 115.6 291.720 17.535 43.9 91 184.8 442.230 31.824 78.8 143 282.7 647.340 55.324 135.3 216 421.5 1.212 atm50 92.51 222.2 317 612.6 1.680 atm60 149.38 352.7 451 1.14 atm 2.275 atm70 233.7 542.5 622 1.58 atm 3.021 atm80 355.1 1.069 atm 843 2.12 atm 3.939 atm90 525.8 1.562 atm 1122 2.81 atm 5.054 atm100 760.0 2.228 atm 1463 3.67 atm 6.394

El factor más importante que determina la magnitud de la presión de vaporal equilibrio, lo constituye la naturaleza del líquido.

la presión de vapor al equilibrio depende exclusivamente sobre los valoresde las fuerzas atractivas entre las moléculas.


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2.7.5. VAPOR SATURADO

El vapor que se encuentra en equilibrio con su líquido se llama vaporsaturado.

Fig. 8VAPOR SATURADO

Si el volumen aumenta se forma una nueva cantidad de vapor y, alcontrario, si el volumen disminuye, parte del vapor formado vuelve al estadolíquido. Como en ambos casos, el número de moléculas gaseosascontenidas en la unidad de volumen, permanece constante, la presión devapor saturado quedará también constante.

En la Tabla N° 1 (de arriba), se observan las tensiones de vapor paralíquidos comunes a diferentes temperatura. En la Figura 2.9, (abajo) setiene graficados las tensiones de vapor de los mismos líquidos a diferentestemperaturas.

Volumen deVapor

Saturado

LíquidoSaturado

(fase líquida)

La presión de vapor saturado de un líquido tiene para cada temperatura,un valor fijo, independiente del volumen que se le ofrece al vapor.

La presión del vapor saturado depende esencialmente de la temperaturay es idéntica a la tensión de vapor de su líquido a la misma temperatura.

Las tensiones de vapor de los líquidos o presiones de sus vaporessaturados, aumentan con la temperatura en una forma más rápida que

los gases ordinarios.

La temperatura para la cual la tensión de vapor o presión de vaporsaturado de un líquido dado, alcanza el valor de la presión atmosférica(760 mm de Hg) o la presión de sus alrededores, cuando el líquido estáencerrado en un recipiente, se llama Temperatura Normal De Ebullición OPunto De Ebullición.


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FIG. 9RELACIÓN DE PRESIÓN DE VAPOR DE ALGUNOS LÍQUIDOS CON LA

TEMPERATURA

2.7.6. RESUMEN DE LA PRESIÓN DE VAPOR

• Tensión de vapor o presión de vapor saturado de un líquido depende dela naturaleza del líquido y de la temperatura.

• Son las moléculas de un líquido que han salido de su superficie debido ala energía cinética adquirida por un aumento de temperatura.

• Estas moléculas ejercen una presión contra la presión de un ambienteque los confina.

• El ambiente que los confina puede ser la atmósfera• Puede ser dentro de un recipiente, sea un caldero o dentro de la caja de

una bomba.• Un vapor está saturado cuando está en presencia del líquido• En la condición de saturación el número de moléculas que salen del

líquido es igual al número de moléculas que retornan al liquido.

2.7.7. APLICACIÓN PRÁCTICA

EJERCICIO N°1

Utilizando la Tabla N° 1, determinar la temperatura de ebullición del etanol,cuando está confinado en el orificio de ingreso del impulsor de una bombacentrífuga, en el cual hay una presión de 222.2 mm de Hg.

SOLUCIÓNObservando la Tabla mencionada, y en la columna de etanol, vemos que auna presión de vapor de 222.2 torr, la temperatura de saturación o deebullición es de 50°C.


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Significa que si el alcohol (etanol) estando en un ambiente que tiene unapresión absoluta de 222.2 mm de Hg, hervirá a 50°C.

NOTA

Para el caso de bombear alcohol, si este líquido es bombeado 50°C, hervirácuando ingrese en el orificio de succión del impulsor de la bomba, causandoun problema hidráulico a la bomba llamado CAVITACIÓN.

EJERCICIO N°2

Se está bombeando agua caliente (80°C) para alimentar a un caldero,utilizando una bomba centrífuga. El agua ingresa a la succión del impulsorde la bomba, donde existe una presión de 300 mm de Hg absoluto. Estevalor se debe a forma de instalación que tiene el sistema de bombeo. ¿Quésucederá con el agua en dicha zona de succión?

SOLUCIÓN

Observando en la Tabla N°1, en la columna que corresponde al agua.

Vemos que ha 80°C el agua tiene una presión de vapor de 355.1 mm de Hgo sea que el agua hervirá cuando la presión que lo rodea es de 355.1 mm deHg.

Pero en el caso de esta bomba el agua a 80°C ingresa en una zona donde lapresión que lo rodea es mucho menor e igual a 300 mm de Hg.

Si observamos la curva del H2O en el gráfico, vemos que a medida que bajala presión menor será la temperatura de ebullición.

Para el caso de la bomba y en un ambiente de 300 mm de Hg el aguahervirá a una temperatura menor de 80°C, por lo tanto estando el agua a80°C la ebullición será instantánea (vaporización instantánea o Flashing).

Este efecto producirá burbujas de vapor de agua en la zona de ingreso alimpulsor y habrá una mezcla de agua liquida con burbujas de vapor de agua.

Esta mezcla es llevada por el impulsor a la descarga de la bomba donde lapresión se incrementa enormemente.

Lo que ocurrirá luego será que en la descarga del impulsor estas burbujas devapor colapsarán (fenómeno llamado implosión), produciendo erosión en losálabes del impulsor y la caja de la bomba.

LUEGO LO QUE OCURRIRÁ SERÁ QUE LA BOMBA CAVITARÁ, LO QUE ESDAÑINO PARA ELLA.


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3. PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN

1 ¿Qué es un fluido?a. Es una sustancia que no se deformab. Es un gasc. Es un líquidod. Son gases y líquidose. Es una sustancia cuya densidad no varía con la temperatura.

2 Las bombas hidráulicas son máquinas que transportan,a. Gasesb. vaporesc. mezcla de líquidos y gasesd. sólidose. líquidos

3 La densidad es una propiedad cuyas unidades relacionan el peso y el volumen y puedeexpresarse como:a. pié3/librab. m3/segc. TM/m3

d. galones/pié3

e. galones/minuto

4 Un derivado de petróleo que tiene 28° API, tiene una gravedad específica de:a. 0.890b. 0.887c. 0.905d. 1.060e. 1.200

5 El agua estando en un ambiente donde ella presión absoluta es de 92.51 mm de Hg, elagua hervirá a:a. 100°Cb. 60°Cc. 40°Cd. 50°Ce. 80°C


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4. SOLUCIÓN A LA PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN

a. (d)

b. (e)

c. (TM/m3)

d. (b)

e. (50°C)

FIN DE LA UNIDAD

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02 Propiedades de Los Fluidos