Conceptos Clave de Termodinámica y Mecánica de Fluidos

Conceptos Fundamentales de Termodinámica y Mecánica de Fluidos

Número de Reynolds (Re)

El Número de Reynolds es un coeficiente adimensional fundamental en mecánica de fluidos, vinculado al valor de la velocidad crítica. A partir de un cierto límite de velocidad, el flujo de un fluido deja de ser laminar (en capas superpuestas) y se convierte en turbulento. Se calcula como Re = (ρvd)/μ, donde ρ es la densidad del fluido, v su velocidad, d el diámetro característico y μ la viscosidad dinámica.

Factor de Compresibilidad (Z)

El factor de compresibilidad es una medida que cuantifica la desviación del comportamiento de un gas real respecto a un gas ideal. Se define por la ecuación: Z = Pv / RT, donde v es el volumen molar (V/n).

Punto Triple

El punto triple representa el único estado de presión y temperatura en el que las tres fases de una sustancia (sólido, líquido y gaseoso) coexisten en equilibrio termodinámico.

Entropía (S)

La entropía es una magnitud termodinámica que mide el grado de desorden molecular de un sistema. Para procesos reversibles, el cambio de entropía (ΔS) se define como: ΔS = ∫(dQ/T), donde dQ es el calor intercambiado y T es la temperatura absoluta.

Segunda Ley de la Termodinámica y Entropía

La entropía total de un sistema aislado (el sistema más su entorno) nunca puede disminuir durante un proceso. Aumentará en los procesos irreversibles y permanecerá constante en los procesos reversibles.

Cambio de Fase

Durante un cambio de fase (como la ebullición o la fusión), la presión (P) y la temperatura (T) son propiedades dependientes entre sí; si una se mantiene constante, la otra también lo hará.

Viscosidad en el Sistema Internacional

En el Sistema Internacional (SI), el coeficiente de viscosidad dinámica (μ) se mide en Pascal-segundo (Pa·s), lo que equivale a N·s/m².

Difusor

Un difusor es un dispositivo diseñado para aumentar la presión de un fluido en movimiento a expensas de una disminución de su velocidad.

Principio de Arquímedes (Empuje)

El principio de Arquímedes establece que todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un fluido en reposo experimenta un empuje vertical y hacia arriba, igual al peso del volumen del fluido que desaloja. E = m_fluido_desalojado · g.

Sistema Simple Compresible

Los sistemas simples compresibles son aquellos lo suficientemente grandes como para que los efectos superficiales (tensión superficial) sean despreciables y sobre los cuales no actúan campos externos significativos como los eléctricos, magnéticos o gravitatorios.

Calor Específico

El calor específico se define como la cantidad de energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una masa unitaria de una sustancia.

Temperatura de Rocío

La temperatura de rocío del aire atmosférico es la temperatura de saturación del vapor de agua (H₂O) correspondiente a la presión parcial de dicho vapor en la mezcla. Por ejemplo, los cristales se empañan cuando el aire en contacto con su superficie fría alcanza su temperatura de rocío, provocando la condensación.

Postulado de Estado

El postulado de estado afirma que el estado de un sistema compresible simple se especifica por completo mediante dos propiedades intensivas e independientes.

Calor Latente (L)

El calor latente es la energía térmica necesaria, por unidad de masa, para que una sustancia produzca un cambio de estado (de sólido a líquido, o de líquido a gas) a temperatura constante. Se calcula como L = Q/m (unidades: J/kg).

Procesos Reversibles

Un proceso es reversible si, una vez que ha tenido lugar, es posible devolver tanto al sistema como a su entorno a sus respectivos estados iniciales sin dejar ningún cambio neto en el universo.

Comportamiento Anómalo del Agua

A diferencia de la mayoría de las sustancias, el agua se expande al congelarse. Si se contrajera, el hielo sería más denso que el agua líquida y se hundiría, haciendo que lagos y ríos se congelaran desde el fondo hacia la superficie, lo que imposibilitaría la vida acuática. Esta propiedad anómala es crucial para la vida en la Tierra.

Densidad del Agua

La densidad del agua líquida presenta una anomalía: alcanza su valor máximo a los 4 °C. Entre 0 °C y 4 °C, en lugar de contraerse al enfriarse, se expande.

Altura de Presión

La altura de presión, también conocida como carga de presión, representa la altura de una columna de fluido que sería necesaria para producir una determinada presión hidrostática. Se expresa como h = P / (ρg), donde P es la presión, ρ la densidad y g la aceleración de la gravedad.

Intercambiadores de Calor Cerrados

Son dispositivos donde dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin mezclarse físicamente. Algunos ejemplos comunes son:

• Radiadores
• Condensadores
• Evaporadores
• Calderas

Efecto Magnus

El efecto Magnus ocurre cuando un cuerpo en rotación se desplaza a través de un fluido. La rotación crea una diferencia de presiones alrededor del cuerpo, generando una fuerza perpendicular a la dirección del movimiento.

Calidad del Vapor (o Título)

La calidad o título del vapor (x) es una propiedad que solo está definida para una mezcla de líquido y vapor (zona húmeda o bifásica). Representa la fracción de masa que se encuentra en estado de vapor.

Temperatura de Bulbo Seco y Húmedo

La temperatura de bulbo seco (la temperatura del aire medida por un termómetro normal) y la temperatura de bulbo húmedo (medida por un termómetro con el bulbo cubierto de un paño húmedo) coinciden únicamente cuando la humedad relativa del aire es del 100%.

Paradoja Hidrostática

La paradoja hidrostática establece que la presión en un punto en el fondo de un recipiente lleno de líquido solo depende de la profundidad y de la densidad del líquido, y no de la forma del recipiente ni del volumen total de líquido que contiene. Esto explica por qué el líquido alcanza la misma altura en vasos comunicantes de diferentes formas.

Altura Dinámica

La altura dinámica o carga de velocidad representa la energía cinética del fluido por unidad de peso. Equivale a la altura desde la cual un cuerpo debería caer en el vacío para alcanzar una determinada velocidad. Se calcula como h_d = v²/2g.

Punto Crítico

El punto crítico es el punto final en un diagrama de fases donde la línea de líquido saturado y la de vapor saturado coinciden. Por encima de este punto, no hay una distinción clara entre las fases líquida y gaseosa.

Ley de Stokes

La ley de Stokes describe la fuerza de arrastre viscoso que experimenta una esfera pequeña que se mueve a baja velocidad a través de un fluido viscoso. La fuerza de arrastre es: F = 6πμrv, donde μ es la viscosidad dinámica del fluido, r es el radio de la esfera y v es su velocidad.

Modelo de Gas Ideal

El modelo de gas ideal simplifica el comportamiento de los gases bajo ciertas condiciones. Se rige por la ecuación de estado PV = nRT. Además, para un gas ideal, la energía interna (u) y la entalpía (h) dependen únicamente de la temperatura: u = u(T) y h = h(T) = u(T) + RT.

Humedad Relativa (φ)

La humedad relativa es la relación entre la presión parcial del vapor de agua presente en el aire (P_v) y la presión de saturación del vapor a la misma temperatura (P_s). Se expresa como: φ = P_v / P_s.

Grado de Saturación

El grado de saturación se define como la relación entre la humedad específica real del aire y la humedad específica de saturación a la misma temperatura y presión.

Rendimiento de Frigoríficos y Bombas de Calor

Los rendimientos (coeficiente de desempeño o COP) de un frigorífico y de una bomba de calor dependen de los objetivos específicos de cada máquina: enfriar un espacio en el caso del frigorífico y calentar un espacio en el caso de la bomba de calor.

Ley Cero de la Termodinámica

La ley cero de la termodinámica establece que si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, entonces están en equilibrio térmico entre sí. Esto implica que los tres cuerpos tienen la misma temperatura, lo que fundamenta el concepto de medición de la temperatura.

Viscosidad Cinemática (ν)

La viscosidad cinemática es la relación entre la viscosidad dinámica (μ) de un fluido y su densidad (ρ). Se calcula como ν = μ / ρ. También se puede expresar en función del peso específico (γ = ρg) como ν = μg / γ.