Clase 1 – Hidrostática Propiedades Mecánicas de los Fluidos en Reposo - Hidrostática

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Existe la idea que 1 L de agua es sinónimo de 1 kg de la misma. Sin embargo esto sólo es aproximado. La densidad del agua es 1 kg/L o 1000 kg/m3 sólo cuando está a 4º C, a temperaturas superiores la densidad del agua tiende a disminuir: cuando la temperatura es mayor la densidad tiende a ser menor. Existen ecuaciones para predecir la densidad de de una sustancia a partir de su temperatura, por ejemplo la ecuación 3 define la densidad de zumo de manzana a partir de la temperatura y concentración de sólidos, y la ecuación 4 define la densidad del agua para un intervalo de temperaturas de 0 – 100º C. Otras ecuaciones tienen la forma de la relación 5.

[pic 16] (3)

[pic 17] (4)

Donde:

ρ : densidad (kg/m3)

T: temperatura (º C)

C: concentración de sólidos solubles (º Brix)

[pic 18] (5)

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PESO ESPECÍFICO Y GRAVEDAD ESPECÍFICA

Es “la cantidad de peso por unidad de volumen de una sustancia”. Primero definimos que peso es el producto de la masa de un cuerpo y la aceleración de la gravedad, de allí definimos la relación entre peso específico y la densidad mediante la ecuación 6. La unidad del peso específico γ en el SI es el kilo Newton por metro cúbico (kN/m3). El peso específico del agua a 4º C es 9.81 kN/m3. Existen ecuaciones empíricas para predecir el peso específico del agua a diferentes temperaturas, como la ecuación 7.

[pic 19] (6)

Donde:

γ: peso específico (N/m3)

ρ : densidad (kg/m3)

g : aceleración de la gravedad (9.81 m/s2)

[pic 20] (7)

Donde:

γ: peso específico (N/m3)

T : temperatura (º C)

Otra propiedad muy utilizada es la Gravedad Específica (s.g) la cual representa el cociente de dividir la densidad de un fluido entre la densidad del agua a 4º C (1000 kg/m3). Análogamente en lugar de la densidad puede incluirse al peso específico, como indican la ecuación 8.

[pic 21] [pic 22] (8)

Donde:

s.g: gravedad específica (-)

ρ : densidad de cualquier fluido (kg/m3)

ρagua 4º C: densidad del agua a 4º C (1000 kg/m3)

γ: peso específico de cualquier fluido (kN/m3)

γagua 4º C :peso específico del agua a 4º C (9,81 kN/m3)

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VISCOSIDAD

La viscosidad puede entenderse como la pegajosidad interna de un fluido, o la resistencia que ofrece un fluido para fluir o desarrollar movimiento. Es una propiedad fundamental en la hidrodinámica pues permite medir la pérdida de energía asociadas con el transporte de fluidos en tuberías y ductos. Un fluido con una viscosidad alta se moverá más lentamente y con mayor esfuerzo, en cambio un fluido de baja viscosidad fluye con mucha facilidad.

Existen dos tipos de viscosidad: una viscosidad cinemática y una viscosidad dinámica, diferenciadas dependiendo de la forma de ecuación que sea utilizada. La forma más entendible de la viscosidad es la forma dinámica. Por ejemplo la viscosidad dinámica del agua a 4º C es aproximadamente 0.001 Pa.s, aunque también es muy común el uso del Centi Poise (cPs), o mili Pascal por Segundo (mPa.s), con estas escalas la viscosidad del agua sería 1 mPa.s o 1 cPs. La viscosidad cinemática es una propiedad más abstracta y es definida en la ecuación 9:

[pic 23] (9)

Donde:

v: viscosidad cinemática (m2/s)

ρ : densidad de cualquier fluido (kg/m3)

µ : viscosidad dinámica (Pa.s)

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PRESIÓN

Es definida como “la cantidad de fuerza ejercida sobre una unidad de área de alguna sustancia”. De forma matemática la presión es definida en la ecuación 5. Blas Pascal enunció dos principios básicos de la presión para sistemas en equilibrio termodinámico: 1) la presión actúa de modo uniforme en todas las direcciones de un volumen pequeño de fluido y 2) en un fluido confinado por fronteras sólidas, la presión actúa de forma perpendicular a la pared.

La presión y la temperatura son indicativos del nivel de energía de una sustancia, cuando la temperatura o la presión son mayores las moléculas del fluido se mueven en el sistema con mayor velocidad. Sin embargo en procesos de compresión de fluidos incompresibles o líquidos generalmente la temperatura permanece constante, es decir el proceso es isotérmico, de modo que la presión queda como única propiedad indicativa del nivel de energía de la sustancia.

La unidad en el Sistema Internacional de la presión es el kilo Pascal (kPa), aunque también es utilizado el bar de presión (bar). En el sistema Inglés es más común el uso de la libra fuerza/pulgada cuadrada (lbf/pulg2 o Psi), sus equivalencias se muestran en los Anexos. La presión atmosférica normalmente está alrededor de 100 kPa al nivel del mar o 1 bar de presión.

TRABAJO PRÁCTICO

- Si la densidad del agua a 85º C es 968 kg/m3 calcular el peso específico del fluido y la densidad relativa. Por otro lado calcular el peso específico y la densidad relativa del benceno a partir de su densidad indicada en el Anexo B.

- El alcohol etílico o etanol presenta a 48º C una densidad relativa (s.g) de 0.72, calcular la densidad y el peso específico del etanol a esta temperatura.

- A partir de la lectura con un densímetro se encontró que la densidad relativa s.g del jugo de caña de azúcar es de 1.046. Calcular la densidad y el peso específico