Fundamentos de la Mecánica de Fluidos y Termodinámica

Introducción a la Mecánica de Fluidos

La mecánica de fluidos es la rama de la física que estudia el comportamiento de los fluidos en reposo o movimiento, así como también su interacción con el contorno que lo limita. La mayor característica de un fluido es su incapacidad para resistir esfuerzos constantes. La hipótesis en que se basa es la del medio continuo.

Para que un fluido se transporte ocurren tres fenómenos: transporte de masa, movimiento y energía, que se corresponden a las tres ecuaciones fundamentales que rigen la mecánica de fluidos:

• Continuidad
• Movimiento
• Conservación de energía

Leyes Fundamentales

En la mecánica de fluidos se asumen estas leyes: el principio de conservación de cantidad de movimiento, la 1ª y 2ª ley de la termodinámica y el principio de conservación de masa.

Componentes de la Energía de un Fluido

La energía de un fluido consta de tres componentes principales:

• Cinética: energía debida a la velocidad que un fluido posee.
• Potencial gravitacional: energía debida a la altitud que un fluido posee.
• Energía de flujo: energía que contiene un fluido debido a la presión que posee.

Subdivisiones de la Mecánica

La mecánica puede subdividirse en dos campos principales:

Estática de Fluidos

Se ocupa de los fluidos en reposo. En este estado, la velocidad es nula, no existen esfuerzos constantes ni viscosidad; por lo tanto, el fluido se comporta como un fluido perfecto.

Dinámica de Fluidos

Estudia los fluidos en movimiento. Para su estudio se parte de tres consideraciones fundamentales: el fluido es un líquido incompresible, es despreciable la pérdida de energía por la viscosidad y la velocidad del líquido en un punto no depende del tiempo.

Tipos de Flujo y Estados de la Materia

Clasificación del Flujo

El flujo se define como la cantidad de volumen que pasa a través de un conducto y el tiempo que tarda en fluir. Existen dos tipos principales:

• Laminar: a velocidades bajas, las partículas del fluido siguen las líneas de corriente en un movimiento ordenado. Sus resultados coinciden con las predicciones teóricas.
• Turbulento: a velocidades elevadas, el movimiento de las partículas es caótico.

Estados de la Materia

La materia se presenta comúnmente en tres estados:

• Gas: existe una gran distancia entre moléculas (mayor que su propio tamaño) y la fuerza de atracción entre ellas es muy débil.
• Líquido: la distancia entre moléculas es fija, pero su orientación varía.
• Sólido: tanto la distancia como la orientación de las moléculas son fijas.

Termodinámica y Sistemas

La termodinámica es la rama de la ciencia que estudia el cambio de energía cuando interviene el calor. Se distinguen tres tipos de sistemas termodinámicos:

• Aislados: no existe transferencia de masa ni de energía con el entorno (ejemplo: un termo).
• Cerrados: no transfieren masa, pero sí energía en forma de calor, trabajo o radiación (ejemplo: un vaso con tapa).
• Abiertos: transfieren tanto masa como energía con el entorno (ejemplo: el cuerpo humano).