Estática de fluidos y fenómenos de superficie Curso 2016-2017 TEMA I Estática de fluidos y fenómenos de superficie FÍSICA , 1º Grado de Farmacia
ESTÁTICA DE FLUIDOS Y FENÓMENOS DE SUPERFICIE Introducción Presión de un fluido. 2.1. Principio de Pascal 3. Principio de Arquímedes. Flotación 4. Tensión superficial y capilaridad 4.1. Tensión superficial 4.2. Presión de curvatura. Ley de Laplace 4.3. Capilaridad
Sólidos Fluidos 1. INTRODUCCIÓN Estados de la materia “posiciones fijas” Sólidos Fluidos “distancias fijas”, “incompresibles” Estados de la materia Líquidos Gases Sin forma fija “libres”
Estado sólido Estado líquido Estado gaseoso Red iónica del NaCl Cl2 gaseoso Red iónica del NaCl Br líquido
2. PRESIÓN EN UN FLUIDO S
L w Fs Fi hs hi
“En cualquier punto de un fluido la presión únicamente depende de la altura
ρ(agua) = 800 ρ(aire) 1 m 800 m
Presión atmosférica:
Presión atmosférica:
CÁLCULO DE LA PRESIÓN SANGUINEA EN LA CABEZA Y PIES 0,5 m 1,25 m En el corazón se suelen medir dos presiones: Presión sistólica Presión diastólica
1 atm = 1,013·105 N/m2 = 760 mm Hg=1013 mbares Unidades de Presión Unidad de Presión en el SI: PASCAL [Pa (N/m2)] Otras unidades de presión: 1 atm = 1,013·105 N/m2 = 760 mm Hg=1013 mbares 1 N/m2 = 10 barias 1 baria= 10-6 bares
En cualquier dirección Concepto Presión en un fluido P=F/S, En cualquier dirección Vídeo_2 Concepto presión atmosférica
Concepto : Presión en un fluido Conc_1:Mapa del tiempo: Copiar la presión máxima y mínima de la semana y obtener la diferencia en barias. Conc_2: Dar la vuelta a un vaso lleno de agua con un papel tapándolo y conseguir que se sujete sólo. Explicar. Conc_3.Presión que hace una columna cilíndrica de Hg con una altura de 760 mm y una base de 30 cm2.
2.1. PRINCIPIO DE PASCAL Pext h1 h2 P1 P2 Pext Principio de Pascal: “La presión externa aplicada a un punto en un fluido, se transmite íntegramente a todos los puntos del fluido y a las paredes del recipiente que lo contiene”
F1 F2
Si la relación entre las superficies de los dos émbolos es muy grande, se pueden elevar cuerpos muy pesados colocados sobre el émbolo grande, aplicando una pequeña fuerza sobre el émbolo pequeño
Sistemas hidráulicos: F1 S1 S2 F2 F1 h2 h1 F2 ANTES DESPUÉS
Dato: Área conducto estrecho: 1 cm2 Área conducto ancho: 25 cm2 Sistemas hidráulicos: Pregunta 1: ¿Cuánta fuerza hay que ejercer en una prensa hidráulica en el conducto estrecho para empezar a levantar infinitesimalmente un coche de 1000 kg de masa?. Dato: Área conducto estrecho: 1 cm2 Área conducto ancho: 25 cm2
3. PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES. FLOTACIÓN h w Fo F hs hi S
PRINCIPIO DE ARQUIMEDES Centro de flotación (E) Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza de empuje hacia arriba igual al peso del fluido desalojado El empuje se encuentra aplicado en el centro de gravedad del fluido desalojado. Si el cuerpo está totalmente sumergido Vc = Vf ρc > ρf cuerpo se hundirá ρc < ρf cuerpo flotará Centro de flotación (E)
Cuerpo es homogéneo: El centro de gravedad del cuerpo (G) y el centro de flotación (E) coinciden. El objeto se hundirá o ascenderá manteniendo su estado de giro previo
Si el cuerpo no es homogéneo: El centro de gravedad del cuerpo y el centro de flotación no tienen porqué coincidir El cuerpo se hundirá o ascenderá oscilando en vertical en torno a la línea que nos une E G G E Para que el cuerpo no vuelque: Punto de aplicación de E por encima de G Centro de flotación por encima de centro de gravedad del cuerpo
4. TENSIÓN SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD
4.1. Tensión superficial Radio de acción ≈ 10-7 cm
las moléculas de la superficie tienen una energía mayor que las del resto del fluido. Toso sistema aislado tiende a su menor energía, por lo que la superficie tiende a deformarse hacia su menor valor. La tensión superficial de un líquido es: “Es la energía necesaria para llevar una molécula de la región interior a la superficie, evaluada por unidad de área”. Región interior Región superficial EP = σ · S
Un líquido en equilibrio adopta la forma para la cual su ENERGÍA POTENCIAL sea MÍNIMA
Fmax = σ · L La tensión superficial de un líquido “provoca que las moléculas de la superficie estén más unidas que las del resto del líquido. Por ello evita deformaciones que harían mayor la superficie del líquido. Se comporta como una membrana que sostiene cuerpos, no permitiendo que se introduzcan dentro del líquido hasta un determinado peso. La Fuerza máxima que puede ejercer es: Fmax = σ · L
AGENTES TENSOACTIVOS O SURFACTANTES Tensión superficial a 20 ºC (din/cm) Agua: 73 Aceite: 32 Solución de jabón: 25 Aplicaciones de los tensoactivos en farmacia 1.- Emulsificantes 2.- Humectantes 3.- Solubilizantes 4.- Antimicrobianos (conservadores) 5.- Promotores de la absorción Sulfonato de alquilbenceno sódico lineal
Fuerza tensión superficial 4.2. Presión de curvatura. Ley de Laplace Si se tiene una superficie de fluido cerrada, se contraerá de forma que dicha área se haga la menor posible. Por ello una gota, burbuja….se contrae haciendo la mayor fuerza posible (σ · L ), encerrando fluido en su interior, que al ser encerrado irá aumentando su presión. La burbuja alcanzará el equilibrio, colapsará a un punto ó se expandirá hasta romperse la superficie dependiendo del valor de la fuerza de la superficie y de la presión en el fluido. En el caso de equilibrio la fuerza debida a la presión interior compensa las otras fuerzas. Es decir: (Pint-Pext)S= Ftensiónsuperficial Pint Pext Fuerza tensión superficial
4.2. Presión de curvatura. Ley de Laplace “Relaciona la diferencia de presiones entre ambas caras de la superficie del fluido y la tensión superficial”. Pint Pext Gota: Líquido encerrado por otro fluido Burbuja: Gas encerrado por líquido Pompa: Gas encerrado por una fina capa de líquido envuelta exteriormente por gas
LEY DE LAPLACE Conclusión: La diferencia de presión entre el interior y exterior es mayor cuanto más pequeña es la burbuja
Si ponemos dos burbujas, de radios R1 y R2, en los extremos de un tubo, y abrimos la llave que las comunica veremos que la burbuja de radio menor (mayor Pint) es "comida" por la pompa de radio mayor. Si se intenta hinchar simultáneamente dos burbujas, sólo se hincha la más grande
4.3 Capilaridad La molécula está mas cerca que su radio de acción de la pared del recipiente: Fa R Fc Fc: Fuerza de cohesión hacia el interior del líquido Fa: Fuerza de adhesión, debida a la atracción e las moléculas de la pared R: Fuerza resultante
El líquido moja al sólido El líquido no moja al sólido La molécula está mas cerca que su radio de acción de la superficie libre: Fa R Fc Fa R Fc El líquido moja al sólido El líquido no moja al sólido
Adhesion Cohesion Fa > Fc/21/2 Fa < Fc/21/2
Si el líquido moja al sólido (adhesión) asciende por el tubo una altura h (capilaridad) F 2r h dF dFx dFy F = ·L = ·2r α dL r
En el equilibrio la suma de fuerzas es cero Ley de Jurin Conclusión: Cuanto menor es el radio del tubo, mayor es la altura del tubo que asciende en él