Propiedades de los fluidos

Nota:

• Es muy conveniente descartar la naturaleza atómica de una sustancia y verla como una materia homogénea y continua, sin agujeros; es decir, un medio continuo
• La idealización del medio continuo permite tratar las propiedades como funciones de punto y suponer que esas propiedades varían de manera continua en el espacio, sin discontinuidades por salto. Esta idealización es válida en tanto el tamaño del sistema con el que se trate sea grande en relación con el espacio entre las moléculas

1. Recorrido libre medio

   Nota:

   • el recorrido libre medio de la molécula de oxígeno a la presión de 1 atm y a 20° C es 6.3 x10^-8 m. Es decir, una molécula de oxígeno recorre, en promedio, una distancia de 6.3 x10^-8 m (alrededor de 200 veces su diámetro) antes de chocar contra otra.
2. Longitud característica

   Nota:

   • El modelo del medio continuo es aplicable en tanto la longitud característica del sistema (como su diámetro) sea mucho mayor que el recorrido libre medio de las moléculas.
   • A vacíos muy altos o a elevaciones muy grandes, el recorrido libre medio puede volverse grande (por ejemplo, es de alrededor de 0.1 m para el aire atmosférico a una elevación de 100 km). Para esos casos, debe aplicarse la teoría del flujo de gas rarificado y se debe considerar el impacto de las moléculas por separado.

1. Definición

   Nota:

   • Propiedad es cualquier característica de un sistema
2. Estado de un sistema

   Nota:

   • El estado de un sistema se describe por sus propiedades
   1. Postulado de estado

      Nota:

      • Establece el número de propiedades necesario para identificar el estado de un sistema
      • El estado de un sistema compresible simple queda por completo especificado por dos propiedades intensivas independientes. (Yunus Cengel)
3. Propiedades intensivas

   Nota:

   • Las propiedades Intensivas no dependen de la masa: Por ejemplo la presión P, la temperatura T y la densidad
4. Propiedades extensivas

   Nota:

   • Las propiedades extensivas dependen del tamaño o extensión del sistema. Por ejemplo la masa m y el volumen V
   • Las propiedades extensivas por unidad de masa se llaman propiedades específicas: Por ejemplo el volumen específico (v = V/m) y energía total específica (e = E/m)

1. Densidad definición

   Nota:

   • Masa por unidad de volumen :    ρ = m / V Dimensión:  M / L^3 Unidad SI : kg/m^3
   1. De los gases ideales

      Nota:

      • Un gas ideal es una sustancia hipotética que obedece la relación Pv = RT. Donde P= presión, v = volumen específico, R = R es la constante del gas. Esta constante R es diferente para cada gas y se determina a partir de R = Ru / M, en donde Ru es la constante universal de los gases cuyo valor es Ru = 8.314 kJ/kmol · K = 1.986 Btu/lbmol · R, y M es la masa molar (llamada también peso molecular) del gas. T = Temperatura absoluta, en kelvin en SI, o rankine en el sistema inglés.
      • A bajas presiones y altas temperaturas, la densidad de un gas decrece y tal gas se comporta como un gas ideal. En el rango del interés práctico, muchos gases conocidos como aire, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, helio, argón, neón y kriptón, e inclusive gases más pesados, entre ellos bióxido de carbono, se pueden tratar como gases ideales con error despreciable
      • Sin embargo, los gases densos, como el vapor de agua en las plantas generadoras y el vapor refrigerante empleado en los refrigeradores, no deben  tratarse como gases ideales porque suelen existir en un estado cercano a la saturación.
      1. Ecuación de estado

         Nota:

         • Cualquier ecuación que relacione la presión, la temperatura y la densidad (o volumen específico) de una sustancia se llama ecuación de estado. La ecuación de estado más sencilla y conocida para sustancias en la fase gaseosa es la ecuación de estado del gas ideal, expresada como: Pv = RT   o   P = ρ · R · T
         • en donde P es la presión absoluta, v es el volumen específico, T es la temperatura termodinámica (absoluta), ρ es la densidad y R es la constante del gas. Esta constante R es diferente para cada gas y se determina a partir de R = Ru /M, en donde Ru es la constante universal de los gases cuyo valor es Ru = 8.314 kJ/kmol · K = 1.986 Btu/lbmol · R, y M es la masa molar (llamada también peso molecular) del gas. 
2. Volumen específico v

   Nota:

   • Es el inverso de la densidad, es el volumen por unidad de masa
3. Gravedad específica

   Nota:

   • Es lo mismo que la densidad relativa, y se define como la razón de la densidad de una sustancia a la densidad de alguna sustancia estándar, a una temperatura especificada (por lo general, agua a 4°C, para la cual ρ H2O = 1 000 kg/m^3).
4. Peso específico

   Nota:

   • El peso de una unidad de volumen de una sustancia se llama peso específico y se expresa como:  γ = W / V = ρ · g Dimensión:  F L^-3 Unidad: N / m^3

Nota:

• En el SI la escala de temperatura termodinámica es la escala Kelvin, y, en ella, la unidad de temperatura es el kelvin, K. En el sistema inglés, es la escala Rankine, y su unidad de temperatura es el rankine, R. Las diversas escalas de temperatura se interrelacionan por: T(K) = T(ºC) + 273.15 T(R)  T(ºF) + 459.67

Nota:

• La presión de vapor Pv de una sustancia pura se define como la presión ejercida por su vapor en equilibrio de fases con su líquido a una temperatura dada.
• Se debe tener cuidado en no confundir la presión de vapor con la presión parcial. La presión parcial se define como la presión de un gas o vapor en una mezcla con otros gases. Por ejemplo, el aire atmosférico es una mezcla de aire seco y vapor de agua, y la presión atmosférica es la suma de la presión parcial del aire seco y la presión parcial del vapor de agua
• La presión de vapor aumenta con la temperatura. Por lo tanto, una sustancia a temperaturas más altas hierve a presiones más elevadas.
• La razón del interés en la presión de vapor es la posibilidad de caída de la presión del líquido, en los sistemas de flujo de líquidos, por abajo de la presión de vapor en algunos lugares y la vaporización resultante no planeada. Por ejemplo, el agua a 10°C se evaporará de manera instantánea y formará burbujas en los lugares (como las regiones de las puntas o los lados de succión de las aspas de las bombas) donde la presión cae por abajo de 1.23 kPa. Las burbujas de vapor (llamadas burbujas de cavitación debido a que forman “cavidades” en el líquido) se desintegran conforme son barridas hacia fuera de las regiones de baja presión, con lo que se generan ondas de alta presión extremadamente destructivas. Este fenómeno, que es causa común de caída en el rendimiento e inclusive de la erosión de las aspas del impulsor, se llama cavitación, y constituye una consideración importante en el diseño de las turbinas y bombas hidráulicas
• La cavitación debe evitarse (o al menos minimizarse) en los sistemas de flujo, porque reduce el rendimiento, genera vibraciones y ruido molestos, y daña al equipo. Las puntas de presión resultantes del gran número de burbujas que se desintegran cerca de la superficie sólida durante un periodo largo pueden causar erosión, picadura de la superficie, falla por fatiga y la destrucción eventual de los componentes o la maquinaria. Se puede detectar la presencia de la cavitación en un sistema de flujo por su sonido característico de traquetear.