DEFINICIÓN DE
FLUIDOS
Se denomina fluido a
un tipo de medio continuo
formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas hay una fuerza de atracción
débil. Los fluidos se caracterizan por cambiar de forma sin que existan fuerzas
restitutivas tendientes a recuperar la forma "original" (lo cual
constituye la principal diferencia con un sólido deformable).
Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre sí por
fuerzas cohesivas débiles; el término engloba a los líquidos y los gases. En el
cambio de forma de un fluido la posición que toman sus moléculas varía, ante
una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen. Los líquidos toman la
forma del recipiente que los aloja, manteniendo su propio volumen, mientras que
los gases carecen tanto de volumen como de forma propios. Las moléculas no
cohesionadas se deslizan en los líquidos, y se mueven con libertad en los
gases. Los fluidos están conformados por los líquidos y los gases, siendo los
segundos mucho menos viscosos (casi fluidos ideales).
Clasificación
Los fluidos se pueden clasificar de acuerdo a diferentes características
que presentan en:
- Newtonianos
- No newtonianos
O también en:
- Líquidos
- Gases
Incluso el plasma puede llegar a
modelarse como un fluido, aunque este contenga cargas eléctricas.
Características
·
Movimiento no acotado de las moléculas. Son
infinitamente deformables, los desplazamientos que un punto material o molécula puede
alcanzar en el seno del fluido no están acotados (esto contrasta con los
sólidos deformables, donde los desplazamientos están mucho más limitados). Esto
se debe a que sus moléculas no tienen una posición de equilibrio, como sucede
en los sólidos donde la mayoría de moléculas ejecutan pequeños movimientos
alrededor de sus posiciones de equilibrio.
·
Compresibilidad. Todos los fluidos
son compresibles en cierto grado.
No obstante, los líquidos son altamente incompresibles a diferencia de los
gases que son altamente compresibles. Sin embargo, la compresibilidad no
diferencia a los fluidos de los sólidos, ya que la compresibilidad de los
sólidos es similar a la de los líquidos.
·
Viscosidad, aunque la
viscosidad en los gases es mucho menor que en los líquidos. La viscosidad hace
que la velocidad de deformación puede aumentar las tensiones en el seno del medio
continuo. Esta propiedad acerca a los fluidos viscosos a los sólidos visco
elásticos.
·
Distancia Molecular Grande: Esta es
unas características de los fluidos por la cual sus moléculas se encuentran
separadas a una gran distancia en comparación con los sólidos y esto le permite
cambiar muy fácilmente su velocidad debido a fuerzas externas y facilita su
compresión.
·
Fuerzas de Van der Waals: Esta
fuerza fue descubierta por el físico holandés Johannes Van der Waals, el físico
encontró la importancia de considerar el volumen de las moléculas y las fuerzas
intermoleculares y en la distribución de cargas positivas y negativas en las
moléculas estableciendo la relación entre presión, volumen, y temperatura de
los fluidos.
·
Ausencia de memoria de forma, es decir,
toman la forma del recipiente que lo contenga, sin que existan fuerzas de
recuperación elástica como en los sólidos. Debido a su separación molecular los
fluidos no poseen una forma definida por tanto no se puede calcular su volumen
o densidad a simple vista, para esto se introduce el fluido en un recipiente en
el cual toma su forma y así podemos calcular su volumen y densidad, esto
facilita su estudio. Esta última propiedad es la que diferencia más claramente
a fluidos (líquidos y gases) de sólidos deformables.
Para el estudio de los fluidos es indispensable referirnos a la mecánica
de fluidos que es la ciencia que estudia los movimientos de los fluidos y una
rama de la mecánica de medios continuos. También estudia las interacciones
entre el fluido y el contorno que lo limita.
Propiedades
Las propiedades de un fluido son
las que definen el comportamiento y características del mismo tanto en reposo
como en movimiento. Existen propiedades primarias y propiedades secundarias del
fluido.
Propiedades primarias
Propiedades primarias o termodinámicas- Densidad
- Presiòn
- Temperatura
- Energía interna
- Entalpía
- Entropía
- Calores específicos
- Viscosidad
- Peso y volumen específico
Propiedades secundarias
Caracterizan el comportamiento específico de los fluidos.- Conductividad térmica
- Tensión superficial
- Compresión
- Capilaridad
PRESIÓN
La presión puede definirse como una fuerza ejercida sobre un cuerpo por unidad
de área o superficie.
La presión sobre un punto se obtiene del cociente entre la
fuerza perpendicular aplicada sobre la
superficie que contiene ese punto y el valor de la superficie.
Un sólido al entrar en contacto con otro ejerce una fuerza en su
superficie tratando de penetrarlo. El efecto deformador de esa fuerza o la
capacidad de penetración depende de la intensidad de la fuerza y del área de
contacto.
P = F/S (aprenderse esta fórmula muy importante)
Donde P = presión F= es la fuerza aplicada en
Newtons y S = área sobre la cual se aplica la fuerza
en metros cuadrados.
La unidad de
presión es el Pascal (Pa). = 1 N /
m2 (Newtons por metro
cuadrado)
Clasificación
de la Presión
Existen varios tipos de presión. Las
podemos clasificar de la siguiente manera:
1. Presión atmosférica.
2. Presión absoluta.
3. Presión relativa.
1. Presión atmosférica.
2. Presión absoluta.
3. Presión relativa.
Presión atmosférica.
La presión atmosférica es la presión que
ejerce la atmósfera sobre todos los cuerpos de la tierra o que están en el
interior de la atmósfera.
Para
medirla, un científico llamado Torricelli realizó un experimento que consistía en verter mercurio en un
tubo de vidrio, colocó el tubo de vidrio en una cubeta rellena de mercurio,
dejando la parte abierta del tubo dentro de la cubeta y la parte cerrada en el
exterior de la cubeta. Realizando dichas operaciones, observó que el mercurio
quedaba a determinada altura dentro del tubo. Pero lo curioso del experimento
era que la altura en que quedaba el mercurio dentro del tubo, variaba
dependiendo de la altitud y de ciertas condiciones climatológicas. Al hacerlo
sobre el nivel del mar, la altura del mercurio alcanzaba los 760 mm. A este
valor se le denominó 1 atmósfera.
Presión
absoluta.
Sin embargo, cuando la presión absoluta es inferior a la presión atmosférica decimos que existe una depresión.
Para complicar un poco el asunto, diremos que la sobrepresión y la depresión son la presión relativa.
Hay que tener en cuenta, que tanto la presión absoluta (Pab) como la presión relativa (Pr) están en función de la presión atmosférica (P0).
Pab = P0 + Pr
Densidad o masa específica
La densidad es la cantidad de masa por unidad de volumen. Se denomina
con la letra ρ. En el sistema internacional se mide en kilogramos / metro
cúbico.
Cuando se trata de una sustancia homogénea, la expresión para su cálculo
es:
∂ = M
/ V
Donde
∂ : densidad de la
sustancia, Kg/m3
M: masa de la
sustancia, Kg
V: volumen de la
sustancia, m3
En consecuencia la unidad de densidad en el Sistema
Internacional será kg/m3
pero es usual especificar densidades en g/cm3, existiendo la equivalencia
1g cm3 =
1.000 kg/ m3.
La densidad de una sustancia varía con la temperatura y la presión; al
resolver cualquier problema debe considerarse la temperatura y la presión a la
que se encuentra el fluido.
Peso específico
El peso específico de un fluido se calcula como su peso por unidad de
volumen (o su densidad por g).
En el sistema internacional se mide en Newton / metro cúbico.
Pe =
Peso / Volumen
Presión hidrostática
Si una superficie se coloca en contacto con un fluido en equilibrio (en reposo)
el fluido, gas o líquido, ejerce fuerzas normales sobre la superficie.
Entonces, presión hidrostática, en mecánica, es la fuerza por unidad de
superficie que ejerce un líquido o un gas perpendicularmente a dicha
superficie.
Si la fuerza total (F) está distribuida en forma uniforme sobre el total
de un área horizontal (A), la presión (P) en cualquier punto de esa área será
P
= F / A
P: presión ejercida sobre la superficie, N/m2
F: fuerza perpendicular a la superficie, N
A: área de la superficie donde se aplica la fuerza, m2
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Mismo
nivel, misma presión.
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Ahora bien, si tenemos dos recipientes de igual base conteniendo el
mismo líquido (figura a la izquierda), veremos que el nivel del líquido es el
mismo en los dos recipientes y la presión ejercida sobre la base es la misma.
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Presión solo sobre la base.
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Eso significa que:
La presión es independiente del tamaño de la
sección de la columna: depende sólo de su altura (nivel del líquido) y de la
naturaleza del líquido (peso específico).
Esto se explica porque la base sostiene sólo lo
que está por encima de ella, como se grafica con las líneas punteadas en
la figura a la derecha.
La pregunta que surge naturalmente es: ¿Qué sostiene al líquido
restante?
Y la respuesta es: Las paredes del recipiente. El peso de ese líquido
tiene una componente aplicada a las paredes inclinadas.
La presión se ejerce solo sobre la base y la altura o nivel al cual
llega el líquido indica el equilibrio con la presión atmosférica.
Presión y profundidad
La presión en un fluido en equilibrio aumenta con la profundidad, de
modo que las presiones serán uniformes sólo en superficies planas horizontales
en el fluido.
Por ejemplo, si hacemos mediciones de presión en algún fluido a ciertas
profundidades la fórmula adecuada es
P = ∂ . h . g
Es decir, la presión ejercida por el fluido en un punto situado a una
profundidad h de la superficie es igual al producto de la densidad d
del fluido, por la profundidad h y por la aceleración de la gravedad.
Si consideramos que la densidad del fluido permanece constante, la
presión, del fluido dependería únicamente de la profundidad. Pero no olvidemos
que hay fluidos como el aire o el agua del mar, cuyas densidades no son
constantes y tendríamos que calcular la presión en su interior de otra manera.
DINÁMICA DE
FLUIDOS
• Fluidos: Estudia el
movimiento de los fluidos, y el de los objetos en el seno de estos. Hay dos
formas distintas de describir el movimiento de un fluido:
Dividir el fluido en elementos de volumen infinitesimales (partículas),
y seguir su movimiento. Sería necesario conocer, para cada partícula, x (t),
y(t) y z(t). Método de LaGrange
Especificando la densidad y la velocidad del fluido en cada punto del
espacio, y en cada instante de tiempo, es decir, especificando
. Método de Euler.. Equivale a hacer una fotografica instantánea del fluido.
Nosotros lo estudiaremos interesándonos por lo que pasa en un punto
concreto del espacio en un instante de tiempo determinado.
• Conceptos generales: El
movimiento de un fluido puede obedecer a dos tipos de regímenes:
a) Régimen laminar: La velocidad en cada punto es unívoca. Para cada
instante t y punto r la velocidad es única.
b) Régimen turbulento: La velocidad no es unívoca. En cada punto y a
cada instante, la puede corresponder más de un valor. P. Eje: Remolinos.
Por su parte el flujo puede ser de diversas maneras:
a) Estacionario: La velocidad en cada punto no varía con el tiempo,
aunque sí punto a punto. Las fotografías en distintos instantes son iguales
b) No estacionario: La velocidad en cada punto varía con el tiempo,
además de punto a punto. Las fotografías en distintos instantes no son iguales.
Además, el flujo puede ser compresible, cuando la densidad no es
constante, o incompresible, cuando la densidad es constante. Consideraremos que
los líquidos en general son incompresibles, igual que los gases a bajas
velocidades.
Por otro lado el flujo puede ser viscoso, cuando hay fuerzas de rozamiento
entre las capas de fluido, o no viscoso, cuando no hay tales fuerzas.
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