fenomenos de transporte

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enero de 2015 Notas de Clase de Fenómenos de Transporte 1 Fenómenos de Transporte Mecánica Fluidos Dr. Alejandro Estrada Baltazar Depto. de Ingeniería Química Instituto Tecnológico de Celaya de Introducción El dominio de los fenómenos de transporte comprenden temas estrechamente relacionados Dinámica de fluidos = Transporte de cantidad de movimiento. Transmisión de calor = Transporte de energía. Transferencia de materia =Transporte de materia de varias especies químicas.

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  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 1

    Fenmenos de Transporte

    Mecnica Fluidos

    Dr. Alejandro Estrada Baltazar

    Depto. de Ingeniera Qumica

    Instituto Tecnolgico de Celaya

    de

    Introduccin

    El dominio de los fenmenos de transporte comprenden temas estrechamente relacionados

    Dinmica de fluidos = Transporte de cantidad de movimiento. Transmisin de calor = Transporte de energa. Transferencia de materia =Transporte de materia de varias especies qumicas.

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 2

    El transporte de:

    cantidad de movimiento Energa Materia Se puede estudiar o describir

    En tres niveles

    a) Nivel macroscpico:

    Se utilizan un conjunto de ecuaciones denominadas balances macroscpicos

    No se comprende o intenta comprender los detalles del sistema

    Se busca una valoracin global del problema

    Se espera tener una visin general.

    Es ms del dominio de la ingeniera.

    b) Nivel microscpico:

    Se utiliza un conjunto de ecuaciones denominadas de ecuaciones de variacin

    Describe el transporte en una pequea regin y es ms detallada

    La informacin que se pretende obtener es: velocidad, presin, temperatura y

    perfiles de concentracin.

    Es ms del dominio de los cientficos.

    El transporte de:

    cantidad de movimiento Energa Materia Se puede estudiar o describir

    En tres niveles

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 3

    c) Nivel molecular:

    En este nivel se busca una comprensin fundamental de los procesos de

    transporte en trminos de la estructura

    molecular y las fuerzas intermoleculares.

    Este nivel es necesario si los procesos implican molculas complejas intervalos

    extremos de presin y temperatura,

    sistemas qumicamente reactivos, etc.

    Es ms del dominio de las fsica terica.

    El transporte de:

    cantidad de movimiento Energa Materia Se puede estudiar o describir

    En tres niveles

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 4

    Transporte de cantidad de movimiento

    (Notas Histricas)

    Civilizaciones antiguas

    Conocimiento sobre canales de riego.

    Barcos de vela. Romanos : acueductos. Baos. plomera. Griegos : flotacin (Arqumedes).

    Leonardo da Vinci (1458-1519)

    Se inician mejoras bsicas en la comprensin sobre la conducta de los

    fluidos.

    Realiza experimentos e investigaciones sobre:

    Olas. Chorros. Torbellinos. Aerodinmica. Incluso sobre el vuelo.

    Contribuy a la ecuacin unidimensional de la conservacin de

    la masa.

    Isacc Newton

    Formula sus leyes de movimiento.

    Formula su ley de viscosidad.

    Desarrolla el clculo y se

    prepara el camino

    para la Mecnica

    de Fluidos.

    XVII y XVIII

    Utilizando las leyes de movimiento de Newton, muchos matemticos

    resuelven numerosos problemas de

    flujo sin friccin.

    Los ingenieros de esa poca encuentran que esas soluciones (sin

    viscosidad) no son adecuadas.

    Los ingenieros a travs de la experimentacin desarrollan

    ecuaciones empricas, as nace la

    hidrulica.

    (Notas Histricas)

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 5

    (Notas Histricas)

    Es evidente que para investigadores eminentes

    como:

    Osborne Reynolds (1842-1912)

    William Froude (1810-1879)

    XIX

    A finales de este siglo se reconoce la importancia de los nmeros adimensionales y su relacin con la Turbulencia, nace as el anlisis

    dimensional.

    Ludwing Prandtl (1875-1953)

    Theodore von Krmn (1881-1963)

    que el estudio de los fluidos debe ser una mezcla de teora y

    experimentacin. Con ellos nace la ciencia de la Mecnica de

    Fluidos tal como se conoce actualmente.

    (Notas Histricas)

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 6

    1904

    En 1904 Ludwig Prandtl public un artculo

    dnde propona que los campos de flujo de los

    fluidos de baja viscosidad se dividan en dos

    zonas.

    a) Zona delgada denominada por la viscosidad

    denominada capa lmite cerca de los contornos slidos.

    b) Zona exterior, lejos de los contornos del

    slido dnde no dominan los efectos

    viscosos.

    Lo anterior resolvi muchas paradojas en el

    campo de flujo de fluidos.

    (Notas Histricas)

    (1875-1953)

    Dimensiones Fundamentales y sus Unidades

    Dimensin Unidades SI Unidades Inglesas

    Longitud metro (m) pie (ft)

    Masa kilogramo (kg) slug (slug)

    Tiempo segundo (s) segundo (s)

    Corriente elctrica ampere (A) ampere (A)

    Temperatura kelvin (K) rankine (R)

    Cantidad de sustancia mol (mol) Lbmol (lbmol)

    Intensidad luminosa candela (cd) candela (cd)

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 7

    Cantidad Dimensiones Unidades SI Unidades Inglesas

    rea L2 m2 ft2

    Volumen L2 m3, (litro) L ft3

    Velocidad L/T m/s ft/s

    Fuerza ML/T2 kgm/s2

    N(Newton) slugft/s2 lb(libras)

    Densidad M/L3 kg/m3 slug/ft3

    Unidades Secundarias o Derivadas

    Comentario sobre el Sistema Ingls

    El smbolo de libra (lb) es en realidad la abreviatura de libra, la cual era usada en la antigua Roma para

    expresar el peso y se mantuvo este smbolo aun

    despus de la ocupacin romana.

    En el sistema ingls, la fuerza es considerada como una unidad primaria o fundamental y en el SI como

    secundaria.

    Para eliminar confusiones y errores se utiliza una

    constante dimensional gc :

    De la 2da Ley de Newton

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 8

    La libra fuerza se define como la fuerza requerida para acelerar una masa

    de 32.174 lbm (1slug) a razn de 1 ft/s2.

    1 N = 1 kg m/s2

    1 lbf = (32.174 lbm) ft/s2 = 1slug ft/s2

    En algunos libros mencionan que la libra fuerza se define como la fuerza

    requerida para acelerar una masa de 1 lbm a 32.174 ft/s2 (smith).

    El resultado final en esencia es el mismo.

    1 lbf = (1 lbm) (32.174 ft/s2 )

    Nota: 1 lbm = 0.45359 kg

    Prefijos Estndar en Unidades SI

    Mltiplos Prefijo Mltiplos Prefijo

    1024 yotta (Y) 10-1 deci (d)

    1021 zetta (Z) 10-2 centi (c)

    1018 exa (E) 10-3 mili (m)

    1015 peta (P) 10-6 micro ()

    1012 tera (T) 10-9 nano (n)

    109 giga (G) 10-12 pico (p)

    106 mega (M) 10-15 femto (f)

    103 kilo (k) 10-18 atto (a)

    102 hecto (h) 10-21 zeoto (z)

    101 deca (da) 10-24 yocto (y)

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 9

    mbito de la Mecnica de Fluidos ( Videos 35 y 38)

    mbito de la Mecnica de Fluidos

    ( Videos 39 y 3577)

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 10

    mbito de la Mecnica de Fluidos

    ( Videos 4673 y 4490 )

    Los fenmenos de la mecnica de fluidos estn

    relacionados con:

    Flujo de agua en los arroyos El romper de las olas en la playa Flujos en tuberas El flujo de la sangre en el cuerpo humano Movimiento de proyectiles lubricacin, etc.

    mbito de la Mecnica de Fluidos

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 11

    mbito de la Mecnica de Fluidos

    Es necesario su conocimiento para disear de forma

    correcta:

    Sistemas de suministro de agua. Vlvulas. Medidores de flujo. Frenos. Transmisiones automticas. Aviones. Barcos . Turbinas. Etc.

    Desde el punto de vista de la Mecnica: La Mecnica de Fluidos es la

    ciencia de la mecnica de lquidos y los gases, y est basada en los

    mismo principios fundamentales utilizados en la Mecnica de Slidos.

    La mecnica de fluidos se puede dividir en tres ramas:

    a) Esttica de Fluidos

    b) Cinemtica

    c) Dinmica de Fluidos

    Dinmica de fluidos computacionales

    Mecnica de Fluidos

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 12

    Antes de definir las ramas anteriores es importante mencionar

    algunas cosas:

    La hidrodinmica clsica era una asignatura importante en matemticas,

    ya que trata de un fluido ideal imaginario que no tiene friccin. Por lo

    anterior sus resultados eran de poco valor prctico.

    ( Nota )

    Hidrodinmica

    clsica

    Si solamente

    se tratan los

    lquidos

    Hidrulica Comnmente

    slo se trataba

    el agua

    + Fluidos Reales Mecnica de Fluidos

    Esttica de Fluidos

    a) La Esttica de Fluidos o Hidrosttica es el estudio de la

    mecnica de fluidos en reposo tanto a gases como a

    lquidos.

    Una caracterstica fundamental de cualquier fluido en

    reposo es que la fuerza ejercida sobre cualquier

    partcula del fluido es la misma en todas direcciones. Si

    las fuerzas fueran desiguales, la partcula se

    desplazara en la direccin de la fuerza resultante. De

    ello se deduce que la fuerza por unidad de superficie

    (la presin) que el fluido ejerce contra las paredes del

    recipiente que lo contiene, sea cual sea su forma, es

    perpendicular a la pared en cada punto.

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 13

    Si la presin no fuera perpendicular, la fuerza tendra una

    componente tangencial no equilibrada y el fluido se movera a

    lo largo de la pared.

    La base principal de la hidrosttica es:

    1. El principio de Pascal

    2. El principio de Arqumedes

    Esttica de Fluidos

    1. El principio de Pascal: Ley enunciada por

    Blaise Pascal (1623-1662) que se resume

    como La presin ejercida por un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un

    recipiente de paredes indeformables, se

    transmite con igual intensidad en todas

    direcciones y en todos los puntos de un

    fluido.

    Esttica de Fluidos

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 14

    Esttica de Fluidos

    2. El principio de Arqumedes: Es un principio

    fsico que afirma que Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en

    reposo, recibe un empuje de abajo hacia

    arriba igual al peso del volumen del fluido

    que desaloja. Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrosttico.

    Esttica de Fluidos

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 15

    Esttica de Fluidos

    Esttica de Fluidos

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 16

    Esttica de Fluidos

    Esttica de Fluidos

    Video 3672

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 17

    Cinemtica de Fluidos

    b) Cinemtica: Es la descripcin y el estudio del movimiento

    sin referirse a las fuerzas que causan el movimiento.

    Se utiliza mecnica clsica, como recordaremos en la mecnica

    clsica la cinemtica se ocupa del movimiento de las

    partculas. Sin embargo, la cinemtica de un fluido en

    movimiento es ms complicado que partculas puntuales, por lo

    que se debe de ver al fluido con un continuo, que est

    compuesto por un nmero infinito de puntos. A pesar de ello, el concepto de partcula de fluido seguir siendo til.

    Conceptos importantes en la cinemtica incluyen la descripcin de

    un fluido como un continuo, campos especialmente de presin y

    de velocidad, marcos de referencia y velocidades de cambio de

    diferentes cantidades en diferentes marcos, tcnicas de

    visualizacin de flujos, descomposicin del movimiento en

    traslacin, rotacin y deformacin.

    Cinemtica de Fluidos

    ( Video 55 y 476 )

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 18

    Cinemtica de Fluidos

    ( Video 2, 64, 385 )

    Cinemtica de Fluidos

    Partcula de Fluido

    ( video 565)

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 19

    Concepto de partcula fluida

    Este concepto esta muy ligado al del medio continuo y es

    sumamente importante en la mecnica de fluidos.

    Se llama partcula fluida a la masa elemental de fluido que en un

    instante determinado se encuentra en un punto del espacio. Dicha

    masa elemental ha de ser lo suficientemente grande como para

    contener un gran nmero de molculas, y lo suficientemente

    pequea como para poder considerar que en su interior no hay

    variaciones de las propiedades macroscpicas del fluido, de modo

    que en cada partcula fluida podamos asignar un valor a estas

    propiedades.

    Es importante tener en cuenta que la partcula fluida se mueve con

    la velocidad macroscpica del fluido, de modo que est siempre

    formada por las mismas molculas. As pues un determinado

    punto del espacio en distintos instantes de tiempo estar ocupado

    por distintas partculas fluidas.

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 20

    Hiptesis del medio continuo

    La hiptesis del medio continuo es la hiptesis fundamental

    de la mecnica de fluidos. En esta hiptesis se considera que

    el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa,

    ignorando por tanto su estructura molecular y las

    discontinuidades asociadas a esta. Con esta hiptesis se

    puede considerar que las propiedades del fluido (densidad,

    temperatura, etc) son funciones continuas.

    A

    Dominio Molecular Dominio dado por el

    principio de continuidad

    A

    F/A

    Esfuerzo normal en un punto

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 21

    La forma de determinar la validez de esta hiptesis consiste en

    comparar el camino libre medio de las molculas con la longitud

    caracterstica del sistema fsico. Al cociente entre estas

    longitudes se le denomina nmero de Knudsen. Cuando este

    nmero adimensional es mucho menor a la unidad, el material

    en cuestin puede considerarse un fluido (medio continuo). En

    el caso contrario los efectos debidos a la naturaleza molecular

    de la materia no pueden ser despreciados y debe utilizarse la

    mecnica estadstica para predecir el comportamiento de la

    materia.

    Es decir que el concepto de continuo no es vlido cuando la

    trayectoria libre media de las molculas es del mismo orden

    de magnitud que la longitud significativa ms pequea del

    problema.

    Esquema de la escala

    Gases Debe ser mayor la trayectoria libre de

    las molculas entre colisiones.

    Lquidos

    y

    Slidos

    Mayor al dimetro de las molculas.

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 22

    Cinemtica de Fluidos

    El concepto de campo es extremadamente importante

    en el estudio de la mecnica de fluidos, as como en

    las teoras de campos en otras reas como la

    electricidad y el magnetismo, la mecnica de slidos y

    el transporte de calor y masa.

    Podemos tener campos escalares y campos

    vectoriales.

    Cinemtica de Fluidos

    Un ejemplo es la distribucin de presin de un carro en

    movimiento donde la presin acta de forma normal a la

    superficie del mismo, se representa su magnitud a travs de

    cdigos de color, en este caso azul es baja presin y rojo es

    alta presin.

    P(x,y,z,t)

    ( Video 109 )

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 23

    El campo de velocidad requiere una representacin ms

    complicado, ya que es un campo vectorial. una representacin

    consiste en conectar una flecha a cada punto del espacio, dando

    la magnitud y la direccin del vector velocidad.

    Cinemtica de Fluidos

    V=Vx(x,y,z,t)i+Vy(x,y,z,t)j+Vz(x,y,z,t)k

    ( Video 705 )

    Descripcin del Movimiento de un Fluido

    Las descripciones de los campos y el movimiento de

    un fluido se pueden lograr mediante dos diferentes

    marcos de referencia el Euleriano y el Lagrangiano.

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 24

    A la hora de describir el movimiento de un fluido

    existen dos puntos de vista.

    Una primera forma de hacerlo es seguir a cada

    partcula fluida en su movimiento, de manera que

    buscaremos unas funciones que nos den la posicin,

    as como las propiedades de la partcula fluida en

    cada instante. sta es la descripcin Lagrangiana.

    Descripcin del Movimiento de un Fluido

    Una segunda forma es asignar a cada punto del espacio

    y en cada instante, un valor para las propiedades o

    magnitudes fluidas sin importar que en ese instante, la

    partcula fluida ocupa ese volumen diferencial. sta es la

    descripcin Euleriana, que no est ligada a las partculas

    fluidas sino a los puntos del espacio ocupados por el

    fluido. En esta descripcin el valor de una propiedad en

    un punto y en un instante determinado es el de la

    partcula fluida que ocupa dicho punto en ese instante.

    Descripcin del Movimiento de un Fluido

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 25

    Descripcin Lagranguiana

    Descripcin del movimiento dnde partculas individuales son

    observadas como una funcin del tiempo.

    En este tipo de descripcin se presta atencin a partculas

    individuales, el movimiento es considerado como una funcin del

    tiempo.

    Descripcin Euleriana

    Descripcin del movimiento dnde las propiedades del flujo son

    funciones tanto del espacio como de tiempo.

    En este tipo de descripcin se identifica una serie de punto en el

    espacio y luego se observan las velocidades de las partculas

    que pasan por cada punto.

    Descripcin del Movimiento de un Fluido

    La descripcin euleriana es la usada comnmente,

    puesto que en la mayora de casos y aplicaciones es

    ms til. Usaremos dicha descripcin para la obtencin

    de las ecuaciones generales de la mecnica de fluidos.

    Descripcin del Movimiento de un Fluido

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 26

    Descripcin del Movimiento de un Fluido

    De acuerdo con Euler y Lagrange ambos coinciden

    en que los flujos pueden ser estable o inestable

    dependiendo del marco de referencia en el que se

    contemplen. En particular, el flujo puede ser

    inestable desde el punto de vista Lagrangiano y

    estable desde el punto de vista Euleriano. Lo

    anterior se puede ver con el siguiente ejemplo del

    flujo de capa lmite laminar sobre una placa plana.

    Si vemos el flujo en el marco de

    referencia de Euleriana, la

    velocidad del fluido y las lneas de

    corriente son estables y cada uno

    de las lneas de tiempo sucesivas

    seran los mismas.

    Por otro lado, si vemos el flujo en

    un marco de referencia mvil el

    cual se mueve libremente a la

    velocidad de la corriente del flujo,

    la placa parece estar movindose

    hacia la izquierda y el crecimiento

    de la capa lmite parece ser

    dependiente del tiempo.

    ( Video 442 y 443 )

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 27

    Un fluido se define como una sustancia que cambia su

    forma continuamente siempre que est sometida a un

    esfuerzo cortante sin importar que tan pequeo sea. Un

    fluido puede ser una gas o un lquido.

    Propiedades de los Fluidos

    Algunos aspectos de los fluidos

    Las molculas de un gas estn mucho ms separadas que las de un lquido.

    Un gas es altamente compresible, y al quitar toda presin externa, tiende a expandirse indefinidamente.

    Un gas est en equilibrio cuando est completamente cerrado.

    Un lquido es relativamente incompresible. An y cuando las molculas en el lquido estn relativamente

    libres de cambiar su posicin pero sus fuerzas de cohesin

    mantienen un volumen relativamente fijo.

    Propiedades de los Fluidos

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 28

    Propiedades de los Fluidos

    Esfuerzo normal: Componente

    normal de la Fuerza dividida

    entre el rea. La fuerza es normal

    o perpendicular al rea. Puede

    ser traccin o de compresin.

    Esfuerzo cortante: Fuerza

    tangencial dividida entre el rea.

    Es es aquella que, fijado un

    plano, acta tangente al mismo.

    Medio continuo: Distribucin continua de un lquido o un

    gas en toda la regin de inters.

    Propiedades de los Fluidos

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 29

    Densidad (): Para un fluido es su masa por unidad de volumen.

    Peso especfico o peso por unidad de volumen () : Es el peso se

    un fluido por su unidad de volumen.

    Densidad relativa o gravedad especfica () : Se define como la

    relacin de la densidad de una sustancia (en general

    un lquido) con respecto de la del agua en

    condiciones estndar (T=4C).

    NOTA: debido a que la densidad de un

    fluido vara con la temperatura, hay que

    determinar y concretar las densidades

    relativas a temperaturas concretas.

    Propiedades de los Fluidos

    Viscosidad: para un fluido es una medida de su resistencia a la

    deformacin cortante o angular.

    Las fuerzas de friccin en un fluido en movimiento son los

    resultados de la cohesin y del intercambio de la cantidad de

    movimiento entre molculas.

    Propiedades de los Fluidos

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 30

    Propiedades de los Fluidos

    Propiedades de los Fluidos

    414, 415

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 31

    Propiedades de los Fluidos

    Esfuerzo

    Constante de

    proporcionalidad

    Y

    U

    y u du

    dy

    F

    Ecuacin de viscosidad de Newton

    (ecuacin constitutiva)

    Coeficiente de viscosidad Viscosidad absoluta Viscosidad Dinmica Viscosidad

    Propiedades de los Fluidos

    Se puede reemplazar

    por el gradiente de

    velocidad

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 32

    Viscosidad Cinemtica

    ()= Es el cociente de la viscosidad entre la densidad

    de un fluido. Se denomina

    as porque la fuerza no est

    involucrada en las

    dimensiones.

    Propiedades de los Fluidos

    Fluido ideal

    Velocidad de deformacin =

    Slido elstico

    Los lquidos

    tienen

    propiedades de

    Cohesin: son fuerzas

    intermoleculares que resisten

    esfuerzos de tensin.

    Adhesin: son fuerzas que

    les permiten adherirse a otro

    cuerpo.

    Son formas

    de atraccin

    molecular

    Propiedades de los Fluidos

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 33

    La interfaz entre un lquido y un gas dos lquidos inmiscibles, la

    fuerza de atraccin no compensada entre las molculas forma una

    pelcula imaginaria capaz de resistir tensiones.

    Propiedades de los Fluidos

    La propiedad anterior en los lquidos se conoce como tensin

    superficial o inter facial. (videos 3544 y 4302)

    Propiedades de los Fluidos

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 34

    Presin: En mecnica de Fluidos la presin es el resultado

    de una fuerza de compresin normal que acta sobre un

    rea.

    Tanto la presin como la temperatura son cantidades fsicas que pueden ser medidas con escalas

    diferentes.

    Existen escalas absolutas para la presin y temperatura y existen escalas que miden estas

    cantidades con respecto a puntos de referencia

    seleccionados.

    Presin Absoluta: Escala que mide presiones dnde se

    llega el cero cuando se alcanza un vaco ideal.

    Un vaco ideal es cuando no hay molculas en un

    espacio; por consiguiente, una presin absoluta negativa

    es imposible.

    Presin manomtrica: Escala que mide presiones con

    respecto a la presin atmosfrica local.

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 35

    Nota: Si la presin est

    por debajo de la presin

    atmosfrica, se denomina

    opresin de vaco.

    Pabsoluta= Patmosfrica + Pmanomtrica

    Es la presin atmosfrica local, sin

    embargo esta cambia con el

    tiempo, por lo que comnmente se

    utiliza la presin atmosfrica

    estndar (101.3 KPa, 14.7 psi,

    760mmHg., etc.)

    La presin atmosfrica se conoce

    tambin como presin baromtrica y

    vara con la altura por encima del

    nivel del mar.

    Tipos de Fluidos

    Un fluido ideal: es un fluido en el que no existe friccin, es decir

    es no viscoso o su viscosidad es cero.

    Por tanto las fuerzas internas en cualquier seccin dentro del

    mismo son siempre normales a la seccin, incluso si hay

    movimiento. Estas fuerzas, son puramente presin.

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 36

    Tipos de Fluidos

    Fluidos Newtonianos: Un fluido Newtoniano es un fluido cuya

    viscosidad puede considerarse constante en el tiempo. La curva que

    muestra la relacin entre el esfuerzo de corte o cizalla contra su tasa de

    deformacin es lineal, es decir es directamente proporcional, y pasa por

    el origen.

    Fluidos no-Newtonianos: Un fluido no newtoniano es aqul cuya

    viscosidad vara con el esfuerzo de corte que se le aplica, es decir no

    hay proporcionalidad entre el esfuerzo de corte y la velocidad de

    deformacin. Y se pueden clasificar en tres grupos: Fluidos no-

    newtonianos independientes del tiempo, fluidos no-newtonianos

    dependientes del tiempo y los fluidos viscoelsticos.

    Fluidos no-newtonianos independientes del tiempo: La variacin el

    esfuerzo de corte depende nicamente de la velocidad de deformacin o

    de corte.

    La mayora de los fluidos no-newtonianos que tienen aplicaciones en la

    ingeniera caen dentro de est categora. Algunos son como fluido

    plstico ideal o de Bingham que para tensiones tangenciales inferiores a

    un valor caracterstico (0) (umbral) se comporta elsticamente y

    superado ese valor muestra un comportamiento similar al de un fluido

    newtoniano.

    Tipos de Fluidos

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 37

    Velocidad de deformacin =

    Tipos de Fluidos

    0

    Seudoplstico: Se produce una

    disminucin de su viscosidad, y de

    su esfuerzo cortante, con la

    velocidad de deformacin.

    Dilatantes: Se produce un

    aumento de su viscosidad, y de su

    esfuerzo cortante, con

    la velocidad de deformacin.

    Fluidos no-newtonianos dependientes del tiempo: Son

    aquellos cuya viscosidad aparente depende no solo de la

    velocidad de deformacin o de corte, sino tambin del tiempo

    durante el cual acta el esfuerzo de corte (). Estos fluidos se

    clasifican en dos grupos principales fluidos tixotrpicos y fluidos

    reopcticos.

    Tipos de Fluidos

    Tixotrpicos: Se produce una disminucin de la viscosidad

    al aplicar un esfuerzo cortante y recupera su viscosidad

    inicial tras un tiempo de reposo.

    Reopcticos: Se produce un aumento de la viscosidad al

    aplicar un esfuerzo cortante y recupera su viscosidad inicial

    tras un tiempo de reposo.

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 38

    Tipos de Fluidos

    Viscoelsticos: Son los que se comportan como lquidos

    y slidos, presentando propiedades de ambos, y con

    propiedades tanto viscosas como elsticas

    Fluidos No-Newtonianos

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 39

    Efecto Coanda Efecto Magnus

    Compresible: El fluido se puede expandir o contraer, es decir presenta cambios de densidad.

    Incompresible: El fluido no se puede expandir o contraer, es decir presenta cambios de densidad

    Tipos de Flujos

    (Videos 196 y 3543)

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 40

    Tipos de Flujos

    Laminar: No existe mezclado, se presenta a velocidades bajas de flujo.

    Turbulento: Si la velocidad aumenta en el fluido, los choques entre las molculas ocasionan un mezclado y un

    movimiento errtico del fluido.

    Tipos de Flujos

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 41

    Estacionario: No existen variaciones con respecto al tiempo.

    Transiente: Existen variaciones con respecto al tiempo.

    Unidimensional: En una sola direccin

    Multidimensional: En mltiples direcciones.

    Tipos de Flujos

    c) Dinmica de fluidos: Estudia las relaciones entre

    velocidades y aceleraciones y las fuerzas ejercidas por o

    sobre fluidos en movimiento.

    La dinmica de fluidos involucra en su expresin la segunda ley

    de Newton del movimiento para describir el flujo de fluidos, en

    consecuencia, las fuerzas que actan en un fluido son el

    aspecto fundamental.

    Isaac Newton

    (1643-1727)

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 42

    Dinmica de Fluidos

    Considerando las fuerzas de presin y viscosas se llega a la

    deduccin de las ecuaciones de Navier-Stokes y las

    condiciones de frontera asociadas

    Claude Louis Marie Henri Navier

    (1785-1836)

    George Gabriel Stokes

    ( 1819-1903 )

    Un parmetro clave es el nmero de Reynolds que expresa la

    importancia relativa de los efectos inerciales y viscosos.

    Dinmica de Fluidos

    La combinacin del nmero de

    Reynolds y la geometra

    determinan tanto las propiedades

    del flujo macroscpico y

    microscpico, incluyendo la forma

    del flujo y las fuerzas que actan

    sobre los objetos.

    Osborne Reynolds

    ( 1842-1912 ) =

    =

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 43

    Dos importantes lmites son valores muy bajos o muy altos del nmero de

    Reynolds, dando lugar a los flujos de Stokes y Potenciales, respectivamente.

    Dinmica de Fluidos

    Esfuerzos viscosos dominan ( 31 )

    Re=0.1

    Esfuerzos inerciales dominan ( 34 )

    Re=100

    Dinmica de Fluidos

    Videos 609, 641 y 3540

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 44

    Dinmica de fluidos computacionales: se

    utilizan mtodos numricos como las diferencias

    finitas, elemento finito, elementos de contorno y

    los elementos analticos se utilizan para resolver

    problemas avanzados de la M.F.

    ( Video 139 y 213 )

    Mecnica de Fluidos

    Es la ciencia encargada del estudio de los fluidos en reposo (esttica) o en movimiento

    (dinmica) y sus efectos en la frontera con

    superficies slidas o interfaces con otros fluidos.

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 45

    Bibliografa

    Mecnica de Fluidos con aplicaciones en Ingeniera, J. B. Franzini, E. J. Finnemore, Mc Graw Hill, 9a edicin.

    Fenmenos de Transporte, R. B. Bird, W. E. Stewart, E. N. Lightfoot, Limusa Wiley, 2a Edicin.

    Termodinmica, Y. A. Cengel, M. A. Boles, Mc Graw-Hill, 7a Edicin.

    Fundamentos de transferencia de momento, calor y masa, J. R. Welty, C. E. Wicks, R. E. Wilson, Limusa Wiley, 2 Edicin.

    Multimedia Fluid Mechanics, G. M. Homsy et al., Cambridge University Press, 2.

    Ecuaciones Bsicas de las Ciencias de la Ingeniera, W. F. Hughes, E. W. Gaylord, McGraw-Hill (Serie Schaum)

  • enero de 2015

    Notas de Clase de Fenmenos de

    Transporte 46

    Bibliografa

    Mecnica de Fluidos Fundamentos y Aplicaciones, Y. A. Cengel, J. M. Cimbala, Mc Graw-Hill.

    Fluid Mechanics for Chemical Engineers, J. O. Wilkes, 2da, Prentice Hall.

    Mecnica de Fluidos, I. H. Shames, 3ra, McGraw-Hill.

    Mtodos Matemticos Aplicados a la Ingeniera Qumica, J. A. Ochoa Tapia, Departamento de Ingeniera de Procesos e Hidrulica, UAM-

    Iztapalapa, 2005.