Mecánica de Fluidos y Fenómenos de Transporte en Ingeniería Industrial

Fundamentos de la Mecánica de Fluidos

Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando actúa sobre ella una fuerza, y no tiene forma fija (ej.: líquidos y gases).

Propiedades de los Fluidos

Las variables clave que afectan el comportamiento de los fluidos son:

• Temperatura
• Densidad
• Presión
• Viscosidad
• Número de Reynolds (Re)

Definiciones de Propiedades

• Densidad (ρ): Cantidad de masa por unidad de volumen.
• Peso Específico (γ): Peso por unidad de volumen.
• Gravedad Específica (GE): Relación entre la densidad de una sustancia y la densidad de referencia (generalmente el agua).

Clasificación de Fluidos

• Fluidos Compresibles: Cambian de volumen significativamente con la presión (ej.: gases).
• Fluidos Incompresibles: Su volumen permanece casi constante (ej.: líquidos).

Reología y Viscosidad

Conceptos Reológicos

La reología estudia cómo se comportan los fluidos (líquidos y semisólidos) al deformarse:

• Líquidos: Fluyen fácilmente.
• Semisólidos: Fluyen, pero con más resistencia (ej.: cremas, ungüentos).

La viscosidad es la resistencia interna de un fluido a fluir.

Ejemplo: La miel tiene alta viscosidad; el agua tiene baja viscosidad.

Ley de Newton y Clasificación Reológica

La Ley de Newton de la Viscosidad establece que, en fluidos newtonianos, el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la velocidad de deformación.

• Fluidos Newtonianos: La viscosidad es constante, independientemente de la velocidad de deformación (ej.: agua, suero).
• Fluidos No Newtonianos: La viscosidad cambia con la velocidad de deformación (ej.: cremas, geles, sangre).

Tipos comunes de fluidos no newtonianos incluyen: pseudoplásticos, dilatantes y plásticos de Bingham.

Dinámica de Fluidos y Transporte

El Número de Reynolds (Re)

El Esfuerzo Cortante es la fuerza aplicada paralela a una superficie que causa la deformación del fluido.

El Número de Reynolds (Re) es un parámetro adimensional que permite predecir el patrón de flujo de un fluido en una tubería. Depende de:

• Densidad
• Viscosidad
• Diámetro de la tubería
• Velocidad de flujo

El valor de Re define el tipo de flujo:

• Flujo Laminar: Re < 2000 (flujo altamente ordenado y predecible).
• Flujo Turbulento: Re > 4000 (flujo desordenado y caótico).

Presión y Fluidos Estáticos

La Presión es la fuerza ejercida sobre una superficie por unidad de área.

La Estática de Fluidos estudia el comportamiento de fluidos en reposo (sin movimiento), centrándose en la presión ejercida.

Aplicaciones Industriales: Bombas

Las bombas son dispositivos esenciales utilizados para mover fluidos. Tipos básicos:

• Centrífugas
• De desplazamiento positivo
• De pistón
• Peristálticas

Aplicaciones Farmacéuticas

La reología y la mecánica de fluidos son cruciales en la industria farmacéutica para:

• Preparación de formulaciones (jarabes, suspensiones, cremas).
• Medición de viscosidad para asegurar la estabilidad y la dosificación.
• Transporte eficiente de fluidos en líneas de producción.

Operaciones Unitarias y Fenómenos de Transporte

Transferencia de Energía (Calor)

Las Operaciones Unitarias implican la transformación de materia y energía.

Existen tres mecanismos fundamentales de transmisión de energía (calor):

• Conducción
• Convección
• Radiación

Mecanismos y Leyes

La Ley de Fourier describe la conducción: el calor se transfiere de manera proporcional al gradiente o diferencia de temperatura.

Fuentes comunes de calor en procesos industriales:

• Vapor
• Resistencias eléctricas
• Lámparas infrarrojas
• Combustión

Transferencia de Masa (Ley de Fick)

La Transferencia de Masa, regida por la Ley de Fick, establece que la difusión ocurre debido a una diferencia o gradiente de concentraciones. La cantidad de masa transferida es proporcional a dicho gradiente.

Factores que Afectan la Difusión Molecular

En gases, la difusión depende de:

• Temperatura
• Presión
• Naturaleza del gas (tamaño molecular)

En líquidos, también influyen:

• Polaridad
• Tamaño molecular
• Temperatura