Fluido Comprensible e Incompresible:
Todos los fluidos son compresibles,
incluyendo los líquidos. Cuando estos cambios de volumen son demasiado grandes
se opta por considerar el flujo como compresible, esto sucede cuando la
velocidad del flujo es cercana a la velocidad del sonido. Generalmente la
velocidad de flujo de un líquido es muy inferior a la velocidad en la que se
propaga la perturbación de presión dentro del líquido. En cambio, el flujo de
gases puede alcanzar velocidades semejantes e incluso superiores a la velocidad
a que se propaga la perturbación de presión.
El flujo de un fluido compresible se rige
por la primera ley de la termodinámica en los balances de energía y con la
segunda ley de la termodinámica, que relaciona la transferencia de calor y la
irreversibilidad con la entropía.
Se dice que el flujo es incompresible si
la densidad permanece aproximadamente constante a lo largo de todo el flujo.
Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado
sobre el curso de su movimiento cuando el flujo o el fluido es incompresible.
En esencia, las densidades de los líquidos son constantes y así el flujo de
ellos es típicamente incompresible. Por lo tanto, se suele decir que los
líquidos son sustancias incompresibles.
Transferencia de Cantidad de Movimiento:
Mecanismos de transferencia de calor, masa
y momentum.
La transferencia
de calor siempre se produce del sistema
de temperatura más elevada hacia el de temperatura más baja. La
transferencia de calor se detiene
cuando los dos sistemas alcanzan la
misma temperatura. La energía no se transfiere de un sistema de
temperatura baja a otro de temperatura más alta si no se realiza trabajo.
*Conducción:
La conducción
es el mecanismo de transferencia de calor debido a la interacción entre partículas adyacentes del medio. No se produce movimiento macroscópico
de las mismas. Puede tener lugar en sólidos, líquidos y gases aunque es característica de los sólidos, puesto
que en gases y líquidos siempre se producirá convección simultáneamente.
*Convección:
Es el modo en que se transfiere la energía entre una superficie sólida y el
fluido adyacente (líquido o gas) . Comprende los efectos combinados de la conducción y el movimiento del fluido.
Existe movimiento macroscópico de las
partículas del fluido. Cuanto más
rápido es el movimiento del fluido mayor es la transferencia de calor
por convección. En ausencia de dicho movimiento la transferencia de calor entre
una superficie sólida y el fluido adyacente sería por conducción pura.
*Radiación:
Es la energía
emitida por la materia en forma de ondas electromagnéticas ( o fotones ) , como resultado de los
cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas. En lo
que respecta a la transferencia de calor es de interés la radiación térmica o forma de radiación
emitida por los cuerpos debido a su temperatura. La radiación térmica suele
corresponder a la banda de frecuencias del infrarrojo.
Transferencia
de Masa:
La
transferencia de masa cambia la composición de soluciones y mezclas mediante
métodos que no implican necesariamente reacciones químicas y se caracteriza por
transferir una sustancia a través de otra u otras a escala molecular. Cuando se
ponen en contacto dos fases que tienen diferente composición, la sustancia que
se difunde abandona un lugar de una región de alta concentración y pasa a un
lugar de baja concentración.
En esta ecuación la velocidad de transferencia de masa depende de una
fuerza impulsora (diferencia de concentración) sobre una resistencia, que
indica la dificultad de las moléculas para transferirse en el medio. Esta
resistencia se expresa como una constante de proporcionalidad entre la
velocidad de transferencia y la diferencia de concentraciones denominado:
"difusividad de masa". Un valor elevado de este parámetro significa
que las moléculas se difunden fácilmente en el medio.
Diferencia entre Fluido y Flujo.
El fluido es aquella sustancia que se
deforma continuamente bajo acción de un esfuerzo cortante. En cambio el flujo
es la fuerza de superficie son las provocadas por la presión, que sumadas a las
demás fuerzas, o de gravedad, son las responsables del movimiento del
fluido". Bajo estas condicione newton represento su segunda ley, aplicada
a un elemento fluido, o ecuación de cantidad de movimiento, la que se conoce
como ecuación de euler.
Los fluidos ya comprenden cálculos
matemáticos mediante fórmulas complejas, las cuales corresponderán a
movimientos de flujos sin comprimir. De aquí se deriva una ramificación de la
dinámica y así mismo de la mecánica de fluidos: el flujo incompresible y sin
rozamiento, el cual es experimentado por la segunda ley de newton.
Flujo Estacionario y No-Estacionario.
Cuando las variables que lo caracterizan
son constantes en el tiempo, estas variables ya no dependerían del tiempo. Por
ejemplo: la velocidad, la cual puede tener un valor en un punto y otro valor en
otro.
Las líneas de corriente pueden cambiar de
dirección de un instante a otro por lo que una partícula puede seguir una línea
de corriente en un instante y al siguiente seguir otra línea de corriente
distinta a eso lo conocemos como no estacionario.
Operador Gradiente.
El operador gradiente de un campo escalar f
es un campo vectorial que indica en cada punto del campo escalar la dirección
de máximo incremento del mismo. El gradiente se representa con el operador
diferencial nabla seguido de la función.
De forma
geométrica el gradiente es un vector que se encuentra normal a una superficie o
curva en el espacio a la cual se le está estudiando, en un punto cualquiera,
llámese (x,y), (x,y,z), (tiempo, temperatura), etcétera. Algunos ejemplos son:
Considere una
habitación en la cual la temperatura se define a través de un campo escalar, de
tal manera que en cualquier punto, la temperatura. Asumiremos que la
temperatura no varía con respecto al tiempo. Siendo esto así, para cada punto
de la habitación, el gradiente en ese punto nos dará la dirección en la cual se
calienta más rápido. La magnitud del gradiente nos dirá cuán rápido se calienta
en esa dirección.
Considere una
montaña en la cual su altura en el punto (x,y) se define como h(x, y). El
gradiente de h en ese punto estará en la dirección para la que hay un
mayor grado de inclinación. La magnitud del gradiente nos mostrará cuán
empinada se encuentra la pendiente.
Diferencia entre Temperatura y Calor.
Calor y temperatura son conceptos que en
el lenguaje cotidiano se confunden, pero son diferentes. Por ejemplo la frase
“uuuufff, que hace calor” es una expresión común para referirnos al concepto de
temperatura, a pesar de que mencionamos la palabra calor.
*Calor.
El calor se define como la energía
cinética total de todos los átomos o moléculas de una sustancia.
*Temperatura.
La temperatura es una medida de la energía
cinética promedio de los átomos y moléculas individuales de una sustancia.
Cuando se agrega calor a una sustancia, sus átomos o moléculas se mueven más
rápido y su temperatura se eleva, o viceversa.
Teorema de pi o Buckingham.
Este teorema dice lo siguiente:
“si se sabe que un proceso físico
es gobernado por una relación dimensionalmente homogénea que comprende a n
parámetros dimensionales, tales como:
X1= f (x2, x3,....,
xn)
Donde las “x” son variables dimensionales,
existe una relación equivalente que contiene un número (n - k) de parámetros a
dimensionales, donde los “k” son grupos a dimensionales que se construyen a
partir de las “x”. La reducción “k” generalmente es igual al número de
dimensiones fundamentales contenidas en “x”, pero nunca mayor que él”.
Fluidos No-Newtonianos.
Los fluidos
en los cuales el esfuerzo de corte no es directamente proporcional a la
relación de deformación son no newtonianos. Estrictamente hablando la
definición de un fluido es válida solo para materiales que tienen un esfuerzo
de deformación cero. Por lo común, los fluidos no newtonianos se clasifican con
respecto a su comportamiento en el tiempo, es decir, pueden ser dependientes
del tiempo o independientes del mismo.
Un gran
número de ecuaciones empíricas se han propuesto para modelar las relaciones
observadas entre tyx y du/dy para fluidos independientes del tiempo. Pueden
representarse de manera adecuada para muchas aplicaciones de la ingeniería
mediante un modelo de la ley de potencia, el cual se convierte para un flujo
unidimensional en
Tyx = k·(du/dy)n donde el exponente n se llama índice de
comportamiento del flujo y k el índice de consistencia. Esta ecuación se reduce
a la ley de viscosidad de newton para n = 1 y k = m , para un fluido
newtoniano.
Los fluidos
en los cuales la viscosidad aparente disminuye con el aumento de la relación de
deformación (n < 1) se llaman seudoplásticos.
Es decir con un incremento en la tasa de corte el líquido se adelgaza. Casi
todos los fluidos no newtonianos entran en este grupo; los ejemplos incluyen
soluciones poliméricas, suspensiones coloidales y pulpa de papel en agua. Si la
viscosidad aparente aumenta con el incremento de la relación de deformación
(n> 1) el fluido se nombra dilatante;
aquí el fluido se engruesa con un aumento en la tasa de corte.
Ley
de la Viscosidad de Newton:
Para un flujo bien ordenado (laminar) en
el que las partículas de fluido se mueven en línea rectas y paralelas (flujo
paralelo), la ley establece que para ciertos fluidos conocidos como “fluidos
newtonianos”, el esfuerzo cortante sobre una interfaz tangente a la dirección
de flujo es proporcional a la tasa de cambio de velocidad con respecto a la
distancia, donde la diferenciación se toma en una dirección normal a la
interfaz.
La viscosidad no depende en gran medida de
la presión, sin embargo se puede observar que la viscosidad de un líquido
disminuye con un aumento en la temperatura, mientras que en un gas ocurre lo
contrario. En un líquido, las moléculas tienen una movilidad limitada con fuerzas
cohesivas grandes presentes entre moléculas. Un aumento en la temperatura
disminuye la cohesión entre las moléculas y existe un decrecimiento en la
pegajosidad del fluido, es decir, desciende la viscosidad. En un gas, las
moléculas tienen una gran movilidad y generalmente están apartadas, existe poca
cohesión entre ellas, a medida que aumenta la temperatura se producirá una
mayor pegajosidad y con ello mayor viscosidad.
Ley de Fick.
Cuando en un sistema termodinámico multi-componente
hay un gradiente de concentraciones, se origina un flujo irreversible de
materia, desde las altas concentraciones a las bajas. A este flujo se le llama
difusión. Este tiende a devolver al sistema a su estado de equilibrio, de
concentración constante.
Esta ley nos dice, “que el flujo difusivo
que atraviesa una superficie es directamente proporcional al gradiente de
concentración.”
Ley de Graham.
Esta ley establece que las velocidades de
efusión de los gases son inversamente proporcionales a las raíces cuadradas de
sus densidades.
Diferenciación.
Efusión = exclusivo de los gases.
Difusión = los fluidos.
