clase 2 - mecanica de fluidos
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MECÁNICA DE FLUIDOS Y TERMODINÁMICA
INGENIERIA DE SISTEMAS
Aprovechamiento de LA ENERGÍA
Aprovechamiento de LA ENERGÍA
Aprovechamiento de LA ENERGÍA
Transmisión de energía
Objetivos del curso
Identificar y describir el comportamiento de los fluidos en
reposo y movimiento.
Relacionar y aplicar los fundamentos de los fluidos y leyes
termodinámicas en procesos energéticos industriales.
Evaluar y optimizar sistemas térmicos, teniendo presente el
ahorro de energía y su implicancia en el medio ambiente.
Analizar los procesos aplicados a máquinas industriales,
que utilizan las leyes de la mecánica de fluidos y
termodinámica.
Resultados a los que aporta
• b) Los estudiantes aplican conocimientos
actuales y emergentes de ciencia, matemática y
tecnología.
• i) Los estudiantes aplican y promueven la
calidad, la seguridad en el trabajo, el aprendizaje
permanente y practican principios éticos
Evaluación del curso
Nota Final = 0,30 E1 + 0,30 E2 + 0,40 PA
• E1 = Examen 1
• E2 = Examen 2
• PA = Promedio de prácticas calificadas y otros ( 7 notas) – Práctica calificada 01.
– Práctica calificada 02.
– Práctica calificada 03.
– Práctica calificada 04.
– Práctica calificada 05. • Portafolio/cuaderno del alumno.
• Participación en clase.
• Ejercicios propuestos.
– Práctica calificada 06. • Rúbrica: Selecciona componentes para un sistema de transferencia de calor, utilizando las leyes de la
Mecánica de Fluidos y Termodinámica
• Rúbrica: Realiza cálculos aplicando matemática superior para analizar sistemas mecánicos y de fluidos
– Práctica calificada 07. • Proyecto final: diseño de un sistema
• Nota de sustentación.
Evaluación del curso
Nota Final = (EP (E1 ) + 2EF(E2 )+ PP)/4
• E1 = Examen PARCIAL
• E2 = Examen FINAL
• PP = Promedio de prácticas calificadas y otros ( 7 notas) – Práctica calificada 03.
– Práctica calificada 04.
– Práctica calificada 05. • Portafolio/cuaderno del alumno.
• Participación en clase.
• Ejercicios propuestos. LECTURAS
– Práctica calificada 06. • Rúbrica: Selecciona componentes para un sistema de transferencia de calor, utilizando las leyes de la
Mecánica de Fluidos y Termodinámica
• Rúbrica: Realiza cálculos aplicando matemática superior para analizar sistemas mecánicos y de fluidos
– Práctica calificada 07. • Proyecto final: diseño de un sistema
• Nota de sustentación.
Sesión 01
Propiedades de los fluidos
Concepto de Fluido
• Es un estado de la materia en el que la forma de los
cuerpos no es constante, sino que se adapta a la del
recipiente que los contiene.
Los fluidos y sus propiedades
• Líquidos y gases son fluidos por que tienen la capacidad
de fluir : pueden deslizarse a través de canales u orificios
adaptando su forma al recipiente que los contiene.
Mecánica de Fluidos
• Estudia y describe el comportamiento de los fluidos:
– En reposo -------------- (Hidrostática)
– En movimiento ------- (Hidrodinámica)
Propiedades de los fluidos
• Densidad
• Peso específico
• Gravedad específica
• Viscosidad
• Tensión superficial
• Capilaridad
• Presión de vapor
Densidad
• La densidad se define como
el cociente entre la masa de
un cuerpo y el volumen que
ocupa.
Densidad de algunas sustancias
Peso especifico
• Cantidad de peso que
contiene cada unidad de
volumen de una
determinada sustancia o
materia.
3m
N
volumen
peso
En los líquidos, puede considerarse constante
para las variaciones ordinarias de presión.
Ejercicio resuelto (ER-01)
• Si 15m3 de un aceite
tienen una masa de
12000 kg, calcular:
– Su densidad
– Su peso específico
– Su densidad relativa
• Rpta: 800kg/m3;
7848N/m3; 0,8
ER-02
• ¿Qué volumen
ocupan 3850 kg de un
aceite que tiene una
gravedad especifica
de 0,85?. • Rpta. 4,53m3
ER-03
• ¿Calcule el peso y la
gravedad específica
de un metro cúbico de
kerosene, si este
fluido tiene una masa
de 825 kg. • Rpta. 8093,25N; 0,825
ER-04
• Encontrar la masa y el
peso del aire contenido
en el salón de clases.
Supongamos que el
salón tiene las siguiente
dimensiones: 4m x 5m
de piso y 3m de alto.
¿Cuál sería la masa y
peso de un volumen
igual de agua?. • Rpta. 72kg; 706,32N;
6000kg; 588,60kN
ER-05
• ¿Cuál será la densidad
relativa de un aceite si
su volumen es el
equivalente al peso de
13270 N de agua y el
peso del aceite es de
9955 N.? • Rpta: 0,75
Viscosidad
• Es la propiedad que representa la resistencia interna al movimiento de un fluido.
• La magnitud de la resistencia al flujo de un fluido que atraviesa un cuerpo depende de la viscosidad
• Permite diferenciar Fluidos Newtonianos de Fluidos No Newtonianos.
VISCOSIDAD VISCOSIDAD DINAMICA:
ALTO ESFUERZO DE CORTE
Unidad: Poise o Centipoise Cp
VISCOSIDAD CINEMATICA:
BAJO ESFUERZO DE CORTE
Unidad: Stoke o Centistoke cSt.
VISCOSIDAD ABSOLUTA
DENSIDAD DEL FLUIDO
VISCOSIDAD CINEMATICA =
RELACION VALIDA PARA LOS FLUIDOS NEWTONIANOS
Unidades de la viscosidad dinámica
sPam
sN
m
sm
mN
Y
VA
F
Y
V
NALINTERNACIOSISTEMAUNIDADES
2
2
sPaPoise
cPPoisecenti
sPaPPoise
UNIDADESOTRAS
001.0100
111
1.011
Viscosidad cinemática “ “
s
m
m
kgms
kg
m
kgm
s
s
m.kg
m
kgm
sN
m
kg
sPa
NALINTERNACIOSISTEMAUNIDADES
2
33
22
3
2
3
s
pie
slbpie
pieslb
pie
slb
pie
slb
pie
s/pie
lb
pie
slb
pie
slug
pie
slb
INGLESSISTEMAUNIDADES
2
22
4
4
2
2
3
2
2
3
2
s
mm
s
m10Stoke10Stoke01,0
100
Stoke1cSt1Stokecenti1
s
m10
s
cmSt1Stoke1
TECNICOSISTEMA
2262
24
2
Factores que Afectan a la Viscosidad
Temperatura Presión
Mayor Temperatura
implica
Menor Viscosidad
Mayor Presión
implica
Mayor Viscosidad
Índice de Viscosidad
• Una medida de que tanto cambia la viscosidad de un fluido con la temperatura está dada por su índice de viscosidad (I.V.)
• Un fluido con un alto índice de viscosidad muestra un cambio pequeño de viscosidad con respecto a la temperatura. Un fluido con un bajo índice de viscosidad exhibe un cambio grande en su viscosidad con respecto a la temperatura.
Índice de viscosidad
Temperature
Viscosity
XHVI
LVI
HVI
MVI
Effect of Temperature on Viscosity
low VI - below 35; medium VI - 35 to 80; high VI - 80 to 110; very high VI - above 110.
Índice de viscosidad
• Vis. 0 = IV 0 del aceite nafténico del golfo de México.
• Vis. 100 = IV 100 del aceite parafínico de Pensilvania.
• Vis. X = IV el aceite en análisis.
• El IV 0 y IV 100 tienen la misma viscosidad a 210°F
IV = 100 x (Vis. 0 – Vis. X) @ 100°F
(Vis. 0 – Vis. 100)
Grado de viscosidad ISO
• Los lubricantes que se utilizan en aplicaciones industriales deben estar disponibles en un amplio intervalo de viscosidades, para cumplir con las necesidades de las diferentes maquinarias y equipos.
• Para cumplir con tales requerimientos y la norma ASTM ha definido un conjunto de 18 grados de viscosidad ISO.
• La designación estándar incluye el prefijo ISO VG seguido por un número que representa la viscosidad nominal en centistoke “cSt” (mm2/s) para una temperatura 40ºC en la tabla siguiente se representan los diferentes grados de viscosidad ISO.
Clasificación API
1985 1988 1990 1993 1994 1995 1996 1998 2001 2002 2004 2006
SF SH S
G
SJ
CE CF-4 CG-
4 CI-4 CH-4
C
F CF-2
SL
SM
CJ-4
Viscosidad
• La viscosidad cumple un rol importante en la generación de turbulencia.
• Las pérdidas de energía en el transporte de los fluidos están asociados con la viscosidad del fluido.
• La viscosidad varía con la temperatura.
– Ejm: la miel al ser calentada a 40°C fluye más ráido que a temperatura ambiente.
• La viscosidad hace que un fluido se adhiera a las superficies.
• Fluidos no newtonianos (taxitropia?)
– la viscosidad varia con el tiempo, es decir con la duración del esfuerzo aplicado sobre el fluido (cambia la tensión del fluido ).
• ejemplo: una solución de 4 kg de maizena y 5 kg de agua
• ejm: el ketchup (hay que golpear la botella para fluir).
ER-06
• Convierta una medición de viscosidad dinámica
de 4500 cP en:
– Pa-s
– lb-s/pie2
• Rta
4.5Pa-s
ER-07
• Convierta una medición de viscosidad
cinemática de 5,6 cSt en:
– m2/s
– Pie2/s
Tensión superficial
• Propiedad derivada de las fuerzas de atracción entre moléculas.
• Se presenta en una interfaz: liquido – gas.
• La tensión superficial evita que las gotas se desprendan en un caño mal cerrado.
• La tensión superficial determina el ángulo de contacto entre una gota de líquido y una superficie sólida.
CAPILARIDAD
• La elevación o descenso de un líquido en un tubo capilar (0 en situaciones físicas análogas, tales como en medios porosos) vienen producidos por la tensión superficial, dependiendo de las magnitudes relativas de la cohesión del liquido y de la adhesión del líquido a las paredes del tubo.
• Los líquidos ascienden en tubos que mojan (adhesión> cohesión) y descienden en tubos a los que no mojan (cohesión> adhesión). La capilaridad tiene importancia en tubos de diámetros aproximadamente menores de 10 mm.
Presión de vapor
• Comúnmente conocida
como presión de saturación.
• Es la presión a la que a cada
temperatura las fases líquida
y vapor se encuentran en
equilibrio.
• Condición de equilibrio:
liquido saturado y vapor
saturado.
La presión atmosférica
• El barómetro
• El peso de la columna de
aire determina la presión
atmosférica
Relación de presiones
Presión - Tabla de equivalencias
ER-08
• Calcular la fuerza total sobre el piso del salón de
clase descrito en el ER-04 si la presión del aire
es de 1 atm.
• Rta 2020KN
• Rta 205912.3Kg
ER-09
• En una planta procesadora de alimentos, el caldero de vapor genera vapor de agua a 50psi y es utilizado en el secado de fideo. Se pide determinar el valor absoluto de la presión del caldero a fin de entrar a tablas termodinámicas y determinar el valor de la temperatura con que el fideo está siendo secado.
ER-10
– Se tiene un balón de gas a
una temperatura “T”. El
manómetro mostrado
indica una presión “P. Si
este balón es elevado a
6000 m de altura,
manteniéndose la misma
cantidad de gas y a la
misma temperatura, la
lectura del manómetro:
• Permanecerá invariable.
• Aumentará.
• Disminuirá.
Gas
Manómetro
Problemas propuestos
EP – 01. Un recipiente con 10 m3 de aceite tiene una masa de 6020 kg (mrecipiente=10kg); calcular su
densidad, su peso específico y densidad relativa. Rta 601; 5895.8; 0.601
EP – 02. Si 6 m3 de un aceite pesan 5080 kg, calcular su peso especifico w, densidad p y densidad
re1ativa. Rta 846.6 ; 8305.8 ; 0.84
EP – 03. Si la masa de un volumen de agua es de 5 toneladas, cual será el volumen?. Rta 5
EP – 04. ¿Cuantos m3 de aceite de densidad relativa 0,85 hay en un recipiente, si la masa es de 3850 kg?
(descartar peso del recipiente).Rta 4.53
EP – 05. ¿Cuál será el volumen de un aceite de densidad relativa 0,75, si su masa es la equivalente a la
masa de 3 m3 de agua ?. Rta 4 m3
EP – 06. ¿Cuál será la densidad relativa de un aceite si su volumen es el equivalente al peso.Rta
1.01x10-4
EP – 07. Según la International Critical Tables, la viscosidad del agua: a 200°C es 0,01008 poises.
Calcular (a) la viscosidad absoluta en kg seg/m2. (b) Si la densidad relativa a 20° C es 0,998,
calcular el valor de la viscosidad cinemática en m2/seg.
EP – 08. Hallar la viscosidad cinemática de un liquido cuya viscosidad absoluta es de 15,14 poises y su
densidad relativa 0,964 dando el resultado en m2/seg.
EP – 09. Convertir una altura de presión de 5 m de agua en altura de aceite, de densidad relativa 0,750.
EP –10. Convertir una altura de presión de 60 cm de mercurio en altura de aceite, de densidad relativa
0,750.