Fluidos: propiedades, presión, compresibilidad, reología y leyes de conservación
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Definición y clasificación de los fluidos
Los fluidos pueden ser líquidos (por ejemplo, aceite, agua, gasolina) o gases (aire, gases de combustión, vapor).
A los fluidos se los puede estudiar según su comportamiento mecánico y se los considera como:
- Fluidos Newtonianos: cuando el esfuerzo cortante que desarrollan al deslizarse no está afectado por el historial o la estructura del gradiente de velocidad, es decir, la relación esfuerzo-deformación es lineal.
- Fluidos no Newtonianos: cuando el esfuerzo cortante se ve afectado por el gradiente de velocidad y/o por la historia del esfuerzo (comportamiento no lineal, reológico).
Reología: es el estudio de la relación esfuerzo vs. deformación en materiales que pueden fluir (mecánica de medios continuos).
No se estudian aquí los fluidos multifásicos (mezcla de líquido y vapor).
El comportamiento del fluido se analiza considerando el tipo de flujo dentro y fuera de los conductos (tuberías) que pueden tener sección circular o no.
Presión
PRESIÓN: La presión se define como la fuerza que actúa por unidad de área y se calcula mediante la ecuación
p = F / ALas unidades de fuerza son N (newton) o lbf (libra-fuerza). Las unidades de área pueden ser m2 o in2 (pulgadas cuadradas).
Compresibilidad
COMPRESIBILIDAD: Es el cambio relativo de volumen de una sustancia cuando se aplica un cambio de presión. En general, para un líquido este cambio es pequeño: típicamente es menor al 1% si se aplica un cambio de presión del orden de 3000 psi (aprox. 20 MPa), dependiendo del líquido y de su módulo volumétrico.
Se consideran fluidos incompresibles todos aquellos para los que los cambios de densidad debidos a variaciones de presión son despreciables dentro del rango de presiones de interés.
La compresibilidad se relaciona con el módulo volumétrico (K o E) definido por la expresión:
K = -Δp / (ΔV / V)Leyes de la conservación
Las leyes fundamentales que rigen el comportamiento de los fluidos son las leyes de conservación. A continuación se resumen:
1) Ley de la conservación de la masa (Continuidad)
En un sistema aislado, la masa total permanece constante. Para el caso de un flujo estacionario en una tubería, el producto de la densidad, la velocidad y el área de la sección transversal es constante a lo largo del tubo de corriente:
ρ A v = constanteEn el caso de un fluido incompresible (densidad constante):
A v = constante2) Ley de la conservación de la cantidad de movimiento (Momento)
La tasa de cambio de la cantidad de movimiento de una porción de fluido es igual a la resultante de las fuerzas que actúan sobre esa porción (incluidas fuerzas de superficie, presión y fuerzas de volumen como gravedad). Esta ley conduce a las ecuaciones de Navier–Stokes para fluidos viscosos y a la ecuación de Euler para fluidos ideales.
3) Ley de la conservación de la energía (Primera ley de la termodinámica)
La energía por unidad de volumen antes es igual a la energía por unidad de volumen después, considerando trabajo y transferencia de calor según corresponda. Para flujos ideales e isentrópicos a lo largo de una corriente, una forma comúnmente utilizada es la ecuación de Bernoulli:
p + ½ ρ v² + ρ g z = constante4) Relación de estado
La relación de estado conecta las variables termodinámicas del fluido. Para un gas ideal se cumple:
p = ρ R To, de forma general, la densidad puede expresarse como una función de presión y temperatura:
ρ = ρ(p, T).5) Condiciones de frontera
En problemas con superficies sólidas se imponen condiciones de frontera apropiadas (por ejemplo, condición de no deslizamiento o condiciones de velocidad en la pared) que determinan el comportamiento del flujo en la interfase sólido-fluido.
Tensión superficial
Tensión superficial: Propiedad que da lugar a una fuerza en la superficie de un líquido, paralela a la frontera, debida a la acción de las moléculas que tienden a atraerse en la interfase entre dos fluidos (por ejemplo, entre un líquido y un gas o entre dos líquidos diferentes). Esta propiedad explica fenómenos como la formación de gotas, la capilaridad y la meniscosis en tubos finos.
Observaciones finales
Los conceptos anteriores—clasificación de fluidos, presión, compresibilidad, módulo volumétrico, las leyes de conservación, la relación de estado y la tensión superficial—constituyen la base para el estudio y la modelización del comportamiento de fluidos en aplicaciones de ingeniería, procesos y la física de medios continuos.