1) DEFINICIONES Y PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS. 1.1) DEFINICIONES DE FLUIDO a) Fluido:

Cuando se habla de fluidos se asocia con sustancias que tienen una gran capacidad de deformacin y se dice que adoptan la forma del recipiente que los contiene. De un punto de vista ms riguroso se entiende por fluido a toda sustancia que bajo la accin de esfuerzos de corte, por pequeos que sean, se pone en movimiento. b) Fluido incompresible: Se entiende por fluido incompresible a aquellas sustancias, lquidas o gaseosas, cuya densidad no cambia en forma significativa con respecto a su valor en condiciones de presin y temperatura normales. Presin normal = 101325 Pa = 1,03 kgpeso/cm

2 = 1 atm = 14,69 PSI (absoluta) Temperatura normal = en general se usa una temperatura entre 0C y 25C

0C = 273,15 K Obviamente los clculos varan si se usa una temperatura diferente, razn por la que debe ser informada con claridad para poder comparar resultados. c) Fluido newtoniano: es toda sustancia que cumple con el comportamiento definido por la ley de Newton para la viscosidad, que postula que el esfuerzo de corte es directamente proporcional al gradiente de velocidad (dicha ley se comenta ms adelante). d) Fluido ideal: Todo fluido tiene viscosidad y, por pequea que sea, su efecto es importante en sectores donde el gradiente de velocidad es grande, es decir, en el entorno de una pared en contacto con fluido en movimiento, sector conocido como capa lmite hidrodinmica. Sin embargo, en algunas oportunidades es til definir como fluido ideal a aqul que no tiene viscosidad. 1.2) ENERGIA POR UNIDAD DE PESO (N m / N = m o kgpeso m / kgpeso = m)

Magnitud fsica Sistema Internacional (SI) Sistema Tcnico

Masa = m (escalar) kg (kilgramo masa) UTM (unidad tcnica de masa)

Peso = m g (vector) N (Newton) kgpeso (kilgramo peso)

g = aceleracin de gravedad (es variable)

Factor de conversin 9,8 N = 1 kgpeso (es constante)

1.3) PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

a) DENSIDAD () Corresponde al cuociente entre la masa (m) del fluido y el volumen (V) que ocupa.

m

V

Unidades de medida: kg/m3, UTM/m3 (UTM unidad en desuso) La densidad de los gases es pequea en relacin a la de los lquidos y vara significativamente con los cambios de la presin (P) y la temperatura (T).

En gases perfectos: P Rp T (con presin P y temperatura T absolutas)

Rp = constante particular que depende de cada gas, para el aire es 287 J/(kg K). Es til recordar que a presin y temperatura normales la densidad del agua es 1000 kg/m3 y la densidad del aire a 1 atm y 20 C es 1,20 kg/m3.

b) PESO ESPECIFICO ( ) Corresponde al cuociente entre el peso (W) del fluido y el volumen (V) que ocupa.

W

V

Unidades de medida: N/m3 , kg(peso)/m

3 El peso especfico se relaciona con la densidad a travs de la aceleracin de gravedad (g), la que a su vez vara segn el lugar geogrfico.

g

En general se considera g = 9,8 m/s2, para clculos ms precisos se puede debe considerar la influencia de la latitud y la altura sobre el nivel del mar. Es til recordar que a presin y temperatura normales el peso especfico del agua es 1000 kgpeso/m

3 o 9800 N/m3 y el peso especfico del aire a 1 atm y 20 C es 1,20 kgpeso/m

3 o 12 N/m3 aprox.

c) GRAVEDAD (S), DENSIDAD RELATIVA O PESO ESPECIFICO RELATIVO

fluidoparticular

fluidodereferencia

S

Unidad de medida: S es adimensional. Fluidos de referencia: En lquidos se usa el agua a 4C o 60F (15,6C). En tal caso S = 1 para el agua. En gases se usa hidrgeno a 0C y presin normal, lo que corresponde a una densidad de 0,0899 kg/m3. d) VISCOSIDAD Es una medida de la resistencia a la deformacin que opone el fluido y que se manifiesta en fluidos en movimiento. Se distinguen dos tipos de viscosidad:

la viscosidad absoluta ( )

la viscosidad cinemtica ( )

La viscosidad absoluta ( ) est definida por la Ley de Newton para la

viscosidad.

F dv

A dy

= esfuerzo de cizalle viscoso. dv/dy = gradiente de velocidad, o tambin, velocidad angular de deformacin.

Unidades de medida: son de la forma presin multiplicada por tiempo. 1 poise = 1 dina s / cm2 (1 N = 100000 dina) Pa s kgpeso s / m

2 En los lquidos a medida que aumenta la temperatura la viscosidad disminuye, como consecuencia de la disminucin de la coherencia intermolecular. En tanto que en los gases, a medida que aumenta la temperatura la viscosidad aumenta, como consecuencia del aumento del grado de agitacin molecular.

Comportamiento viscosidad versus temperatura.

La influencia de la presin en la viscosidad absoluta de lquidos es prcticamente despreciable, salvo a presiones relativamente altas. En el diagrama reolgico siguiente se compara el comportamiento de fluidos y otras sustancias. (Reologa: estudio de la relacin entre esfuerzos y deformaciones).

La viscosidad cinemtica ( ) se expresa por el cuociente entre la viscosidad absoluta y la densidad del fluido.

Unidades de medida: existen diversas unidades para la viscosidad cinemtica, entre ellas: 1 stoke = 1 cm2/s

SSU = Segundos Saybolt Universales

SSF = Segundos Saybolt Furol

E = Grados Engler

Estas ltimas toman el nombre del procedimiento de medicin utilizado. Ver tabla comparativa de propiedades para el agua y el aire (EES), para tener orden de magnitud y observar la influencia de la presin y de la temperatura.

Las equivalencias entre unidades de medida de la viscosidad cinemtica debe ser realizada con precaucin, pues la proporcionalidad entre ellas no suele ser constante en todo el rango de viscosidades (ver grfico bi logartmico en pgina siguiente que ilustra lo comentado).

Equivalencias entre algunas viscosidades cinemticas.

e) MODULO DE COMPRESIBILIDAD VOLUMETRICO ( ) Cuantifica la variacin de volumen (dv) que experimenta un volumen (V) de fluido cuando es sometido a una variacin de presin (dp).

dp

-dv

V

Unidades de medida: las mismas de la presin. El mdulo de elasticidad volumtrico aumenta a medida que aumenta la temperatura del lquido. La variacin de volumen en lquidos sometidos a presin es muy pequea, por lo que se puede suponer que son incompresibles. Esta suposicin no es vlida en fenmenos como el golpe de ariete.

f) TENSION SUPERFICIAL ( ) Esta propiedad de los lquidos se manifiesta en especial en la interfase lquido-gas y cuando estn en contacto con un contorno slido. Tiene su origen en las fuerzas de cohesin molecular y la fuerza de adhesin del lquido a la pared.

F

L

F = fuerza. L = longitud en la que acta dicha fuerza. Unidades de medida: N/m, kg(peso)/m La tensin superficial explica fenmenos tal cmo la formacin de meniscos, la capilaridad y la tendencia de los lquidos a ofrecer la menor superficie en contacto con los gases. Ejemplos: el mercurio forma esferas al derramarse sobre una mesa, la tinta forma crculos en el papel secante, el agua sube una cierta altura por el interior de un tubo capilar.