1.1.1 Conceptos Propiedades de Fluidos

La experiencia diaria nos permite distinguir que un sólido tiene una forma y un volumen definidos, mientras que un líquido mantiene su volumen pero adopta la forma del recipiente que lo contiene mostrando una superficie libre y, finalmente, un gas no tiene ni forma ni volumen propio.

Una distinción entre sólidos y fluidos queda establecida por su diferente respuesta frente a la acción de un esfuerzo: los sólidos se deformarán mientras persista un esfuerzo suficiente, ya que oponen una fuerza igual y de sentido contrario a la aplicada, y tienden a recuperar su forma primitiva total o parcialmente cuando cesa el esfuerzo, sin embargo, los fluidos fluirán por pequeño que sea el esfuerzo, es decir, cambiarán continuamente de forma, mientras persista dicho esfuerzo, ya que no presentan una fuerza que se oponga a la aplicada, lo que indica que no hay tendencia a recuperar la forma primitiva al cesar el esfuerzo aplicado.

La Mecánica de los fluidos es la ciencia de la mecánica de los líquidos y de los gases, y está basada en los mismos principios fundamentales que la Mecánica de los sólidos. En esta ciencia se combinan los principios fundamentales con los datos experimentales, siendo utilizados éstos para confirmar la teoría o para dar información complementaria al análisis matemático. El resultado final es un cuerpo unificado de principios básicos de Mecánica de fluidos que se puede aplicar a la solución de problemas de flujo de fluidos de importancia en la Ingeniería.

Propiedades:
Las propiedades de un fluido son las que definen el comportamiento y características del mismo tanto en reposo como en movimiento. Existen propiedades primarias y propiedades secundarias del fluido.

Propiedades primarias:
Presión
Densidad
Temperatura
Energía interna
Entalpía
Entropía
Calores específicos
Coeficiente de viscosidad

Propiedades secundarias:
Viscosidad
Conductividad térmica
Tensión superficial
Presión de vapor
presion atmosferica

Un fluido es una sustancia o medio continuo que se deforma continuamente en el tiempo ante la aplicación de una solicitación o tensión tangencial sin importar la magnitud de ésta.
Las propiedades de un fluido son las que definen el comportamiento y características del mismo tanto en reposo como en movimiento. Existen propiedades primarias y propiedades secundarias del fluido.

La presión;
La presión es la magnitud que relaciona la fuerza con la superficie sobre la que actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la unidad de superficie.
Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera uniforme y perpendicularmente a la superficie, la presión P viene dada por:
P= F/A

La densidad;
La densidad o densidad absoluta es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3), aunque frecuente se expresa en g/cm3. La densidad es una magnitud intensiva.
ρ=m/V
donde ρ es la densidad, m es la masa y V es el volumen del cuerpo.

La temperatura;
La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de caliente o frío. Por lo general, un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor, y si fuere frío tendrá una temperatura menor. Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía sensible", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones. A medida que es mayor la energía sensible de un sistema se observa que esta más "caliente" es decir, que su temperatura es mayor.

La energía interna;
La energía interna U de un sistema intenta ser un reflejo de la energía a escala microscópica. Más concretamente, es la suma de:

la energía cinética interna, es decir, de las sumas de las energías cinéticas de las individualidades que lo forman respecto al centro de masas del sistema, y de
la energía potencial interna, que es la energía potencial asociada a las interacciones entre estas individualidades.
La energía interna no incluye la energía cinética traslacional o rotacional del sistema como un todo. Tampoco incluye la energía potencial que el cuerpo pueda tener por su localización en un campo gravitacional o electrostático externo.

Entalpía;
Entalpía (del prefijo en y del griego "enthalpos" (ενθαλπος) calentar) es una magnitud de termodinámica simbolizada con la letra H, la variación de entalpía expresa una medida de la cantidad de energía absorbida o cedida por un sistema termodinámico, o, lo que es lo mismo, la cantidad de energía que tal sistema puede intercambiar con su entorno.

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Puesto que el estudio de 1a mecánica de fluidos trata típicamente con un fluido en flujo continuo o con una pequeña cantidad de fluido en reposo, es más conveniente relacionar la masa y el peso del fluido con un volumen dado del fluido. Así pues, las propiedades de densidad y de peso específico se definen de la manera siguiente:

DENSIDAD

La densidad es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia
Por consiguiente, utilizando la letra griega p para la densida


En donde V es el volumen de la sustancia cuya masa es m. Las unidades de densidad son kilogramos por metro cúbico en el Sistema Internacional (SI) y slugs por pie cúbico en el Sistema Británico de Unidades.

La Sociedad Norteamericana para Pruebas y Materiales (ASTM [American Societv for Testing and Materials]) ha publicado varios métodos estándar de prueba para medir densidad, que describen recipientes cuya capacidad se conoce exactamente, llamados picnómetros. En estas normas se determina la forma apropiada de llenar, manejar, controlar la temperatura y hacer lecturas en estos dispositivos. Dos de ellos son el picnómetro de Bingham y el picnómetro bícapilar de Lipkin.
Las normas también exigen la determinación precisa dc la masa de los fluidos que se encuentran en los picnómetros al 0.1 Mg. más cercano, utilizando una balanza analítica.

PESO ESPECÍFICO

El peso específico es la cantidad de peso por unidad de volumen de una sustancia.
Utilizando la letra griega γ(gamma) para denotar el peso específico,


En donde V es el volumen de una sustancia que tiene el peso W. Las unidades del peso especifico, son los newtons por metro cúbico (N/m3) en el SI y libras por pie cúbico (lb/pie3) en el Sistema Británico de Unidades.

Características
• La posición relativa de sus moléculas puede cambiar continuamente.
• Todos los fluidos son compresibles en cierto grado. No obstante, los líquidos son mucho menos compresibles que los gases.
• Tienen viscosidad, aunque la viscosidad en los gases es mucho menor que en los líquidos.

Las propiedades de un fluido son las que definen el comportamiento y características del mismo tanto en reposo como en movimiento. Existen propiedades primarias y propiedades secundarias del fluido.
Propiedades primarias
Propiedades primarias o termodinámicas:
• Presión
• Densidad
• Temperatura
• Energía interna
• Entalpía
• Entropía
• Calores específicos
• Coeficiente de viscosidad
Propiedades secundarias
Caracterizan el comportamiento específico de los fluidos.
• Viscosidad
• Conductividad térmica
• Tensión superficial
• Presión de vapor
• Presión atmosférica

Un fluido tiene distintas propiedades tanto pueden ser propiedades primarias como propiedades secundarias, y estas se pueden dar estando en reposo o en movimiento.
PROPIEDADES PRIMARIAS:
PRESION
DENSIDAD
TEMPERATURA
ENTALPIA
ENERGIA INTERNA
ENTROPIA
CALOR ESPECIFICO
COEFICIENTE DE VISCOCIDAD

PROPIEDADES SECUNDARIAS:
CONDUCTIVIDAD TERMICA
TENSION SUPERFICIAL
PRESION DE VAPOR
PRESION ATMOSFERICA

Son innumerables los ejemplos que podemos citar en los que es necesario contar con un adecuado conocimiento de la Mecánica de fluidos: sistemas de suministro de aguas, instalaciones de tratamiento de aguas residuales, desagües de desbordamiento de presas, válvulas, medidores de flujo, frenos y amortiguadores hidráulicos, transmisiones automáticas, aviones, barcos, submarinos, rompeolas, embarcaderos, cohetes, lectores de discos de ordenador, molinos de viento, turbinas, bombas, sistemas de aire acondicionado y calefacción, cojinetes, artículos deportivos, etc. Puesto que los fenómenos considerados en la Mecánica de fluidos son macroscópicos, un fluido se considera como un medio continuo. Esto significa que se supone que cualquier elemento de volumen, por pequeño que sea, contiene un número muy elevado de moléculas. De acuerdo con ello, cuando hablemos de elementos de volumen infinitesimalmente pequeños, querremos decir que son muy pequeños comparados con el volumen del cuerpo, pero grandes comparados con las distancias entre las moléculas.

Normalmente la materia se presenta en los estados de agregación, liquido, gaseoso y solido. La experiencia diaria nos permite distinguir que un sólidos tiene una forma y un volumen definido, mientras que un liquido mantiene su volumen pero adopta la forma del recipiente que lo contiene mostrando una superficie libre y, finalmente, un gas no tiene ni forma ni volumen propio. Podemos justificar este comportamiento basándonos en la estructura atómico-molecular de la materia: las fuerzas de atracción de las moléculas de un sólido son tan grandes que este tiende a mantener su forma, pero este no es el caso de los fluidos (líquidos y gases), donde la fuerza de atracción entre las moléculas es más pequeña. Una distinción entre sólidos y fluidos queda establecida por su diferente respuesta frente a la acción de un esfuerzo: los sólidos se deformaran mientras persista un esfuerzo suficiente, ya que oponen una fuerza igual y de sentido contrario a la aplicada, y tienden a recuperar su forma primitiva total o parcialmente cuando cesa el esfuerzo, sin embargo, los fluidos fluirán por pequeño que sea el esfuerzo, es decir cambiaran continuamente de forma, mientras persista dicho esfuerzo, ya que no presentan una fuerza que se oponga a la aplicada, lo que indica que no hay tendencia a recuperar la forma primitiva al cesar el esfuerzo aplicado. En este punto es interesante citar que ciertos materiales (parafina, gelatina, alquitrán, etc.) no son fáciles de clasificar en uno de estos dos estados de la materia.

La mecánica de fluidos es la ciencia de la mecánica de los líquidos y de los gases, y está basada en los principios fundamentales que la mecánica de los sólidos. En esta ciencia se combinan los principios fundamentales con los datos experimentales, siendo utilizados estos para confirmar la teoría o para dar información complementaria al análisis matemático. El resultado final es un cuerpo unificado de principios básicos de mecánica de fluidos que se puede aplicar a la solución de problemas de flujo de fluidos de importancia de la ingeniería.

Oscar Armando Lomelí Bravo.