FÍSICA I GRADO Ingeniería Mecánica Tema 6. Mecánica de fluidos.

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1 FÍSICA I GRADO Ingeniería Mecánica Tema 6. Mecánica de fluidos.
Escuela Politécnica Superior Universidad de Sevilla FÍSICA I GRADO Ingeniería Mecánica Tema 6. Mecánica de fluidos. Prof. Norge Cruz Hernández

2 Tema 6. Mecánica de fluidos. (3h)
6.1 Introducción 6.2 Fuerzas en el interior de un fluido. Concepto de presión. Manómetros y barómetros. 6.3 Ecuación fundamental de la estática de fluidos. Consecuencias. 6.4 Principio de Arquímedes. Equilibrio de los cuerpos sumergidos y flotantes. 6.5 Movimiento de un fluido. Líneas y tubos de corriente. Regímenes de movimiento. 6.6 Flujo a través de una superficie. Gasto o caudal. Ecuación de continuidad. 6.7 Fluidos ideales. Ecuación de Bernoulli. Aplicaciones. 6.8 Fluidos reales. Viscosidad. Pérdida de carga.

3 Bibliografía Clases de teoría:
- Física Universitaria, Sears, Zemansky, Young, Freedman ISBN: , Ed. 9 y 11. Clases de problemas: -Problemas de Física General, I. E. Irodov Problemas de Física General, V. Volkenshtein Problemas de Física, S. Kósel Problemas seleccionados de la Física Elemental, B. B. Bújovtsev, V. D. Krívchenkov, G. Ya. Miákishev, I. M. Saráeva. Libros de consulta: Problemas de Física, Burbano, Burbano, Gracia. Resolución de problemas de física, V.M. Kirílov.

4 La magnitud de la fuerza viscosa depende de que el régimen de movimiento sea laminar o turbulento.
Con movimiento laminar, la resistencia al movimiento es proporcional a la velocidad, a la velocidad del fluido (siempre velocidad relativa del fluido con respecto al cuerpo) y a sus dimensiones lineales. El coeficiente de proporcionalidad depende de la geometría del objeto. En concreto, para una esfera tenemos: Ley de Stokes Dos esferas de iguales radios R, pero de distinta masa m. ¿Cuál de las dos esferas cae más rápido desde una altura h?

5 Régimen laminar: La velocidad de una partícula de fluido es paralela al eje de la tubería y no tiene componentes normales a dicho eje. Régimen turbulento: Aparecen componentes de velocidad normales a la dirección de propagación, que originan movimientos en forma de torbellinos. El régimen turbulento aparece cuando la velocidad del fluido sobrepasa un cierto valor crítico que depende de las propiedades del fluido y del tamaño o la geometría del conducto. Para un fluido determinado y un tubo de radio R se puede definir la velocidad característica:

6 Número de Reynolds: Se le llama al cociente entre la velocidad del fluido y su velocidad característica. dos sistemas con igual NR son sistemas dinámicamente semejantes En el caso de flujos en tuberías de sección circular, la experiencia demuestra que cuando el valor del número de Reynolds es inferior a 2000 el régimen es laminar, entre los valores de 2000 y 3000 hay una transición entre ambos regímenes (dependiendo de otras circunstancias como el modo de iniciar el fluido, la rugosidad del tubo…). Para valores mayores de 3000 el régimen es turbulento. la fuerza depende del cuadrado de la velocidad para el caso de una esfera

7 Determine si en una tubería de 30 cm de diámetro el régimen es laminar o turbulento cuando:
a) fluye agua a 15 oC a una velocidad de 1 m/s (la viscosidad del agua a 15 oC es 1 m Pa s); b) fluye un fuel-oil a 15 o C con una viscosidad cinemática de 2, m2/s.

8 FÍSICA I GRADO Ingeniería Mecánica
Escuela Politécnica Superior Universidad de Sevilla FÍSICA I GRADO Ingeniería Mecánica Tema 7. Termodinámica: Primer principio Prof. Norge Cruz Hernández

9 Tema 7. Termodinámica: Primer principio (3h)
7.1 Introducción 7.1 Conceptos básicos. Sistemas, estados y transformaciones termodinámicas. 7.2 Equilibrio térmico y temperatura. Principio cero. 7.3 Termometría: propiedades termométricas. Escalas de temperatura. 7.4 Concepto de calor. Capacidades caloríficas y calores latentes. 7.5 Gas ideal 7.6 Trabajo termodinámico. Trabajo en procesos cuasiestáticos. 7.7 Primer principio de la termodinámica. Energía interna.

10 Bibliografía Clases de teoría:
- Física Universitaria, Sears, Zemansky, Young, Freedman ISBN: , Ed. 9 y 11. Clases de problemas: -Problemas de Física General, I. E. Irodov Problemas de Física General, V. Volkenshtein Problemas de Física, S. Kósel Problemas seleccionados de la Física Elemental, B. B. Bújovtsev, V. D. Krívchenkov, G. Ya. Miákishev, I. M. Saráeva. Libros de consulta: Problemas de Física, Burbano, Burbano, Gracia. Resolución de problemas de física, V.M. Kirílov.

11 No hace hipótesis sobre la estructura interna de la materia.
Termodinámica: Es la rama de la ciencia que se dedica al estudio de las transformaciones de energía en las que intervienen: el calor, el trabajo mecánico y otros aspectos de la energía, así como la relación entre estas transformaciones y las propiedades de la materia. La Termodinámica: No hace hipótesis sobre la estructura interna de la materia. Toma en consideración sólo magnitudes medibles y definidas a una escala macroscópica. Deriva sus leyes de la experiencia, no de primeros principios. Estas leyes se expresan en forma de ecuaciones matemáticas.

12 UNIVERSO=SISTEMA+ENTORNO
Sistema Termodinámico: Le llamamos a aquello que es objeto de estudio o de observación desde un punto de vista termodinámico. Puede ser tan variado como: un gas, una mezcla de líquidos, un sólido que se dilata, un hilo sometido a una tracción, …. Las interacciones de materia y energía entre el sistema y el entorno ocurren a través de la pared Pared suficientemente alejada. ENTORNO pared SISTEMA UNIVERSO UNIVERSO=SISTEMA+ENTORNO

13 UNIVERSO=SISTEMA+ENTORNO
Sistema abierto: Intercambia materia y energía con el entorno. ENTORNO energía materia SISTEMA UNIVERSO=SISTEMA+ENTORNO Sistema cerrado: No intercambia materia, aunque sí energía con el entorno.

14 Sistema abierto La célula es un sistema abierto, porque permite el paso de materia y energía a través de la pared celular.

15 Sistema cerrado Las cápsulas espaciales no intercambian materia con el espacio exterior, pero sí intercambian energía. A través de sus paneles solares, transforman la energía del sol en energía eléctrica.

16 UNIVERSO=SISTEMA+ENTORNO
Sistema aislado: No intercambia materia ni energía con el entorno. ENTORNO materia SISTEMA UNIVERSO=SISTEMA+ENTORNO Sistema adiabático: No intercambia energía, aunque sí puede intercambiar materia con el entorno.

17 Sistema aislado Los termos que normalmente usamos para transportar alimentos son sistemas aislados.

18 Sistema homogéneo: Si sus propiedades son independientes del punto del sistema que consideremos.
Sistema heterogéneo: Si sus propiedades varían de un punto a otro del sistema.

19 Variables de estado: Se le llama a una serie de magnitudes macroscópicas que determinan al sistema, por ejemplo: P, V, T, la densidad, la energía del sistema, …. Grado de libertad del sistema: Se le llama al número máximo de variables de estado independientes que describen un sistema. Equilibrio termodinámico: Se le llama al estado del sistema donde las variables termodinámicas se mantienen constantes en el tiempo, sin sufrir ninguna variación espontánea. Equilibrio químico: Es aquel en el que las concentraciones de reaccionantes y productos se mantienen constantes en el tiempo. Equilibrio mecánico: Se alcanza cuando tanto en el interior de un sistema, como entre él y el medio que lo rodea, no se ejercen fuerzas netas. Equilibrio térmico: …….

20 Ecuaciones de Estado Variables de estado: Se le llama a una serie de magnitudes macroscópicas que determinan al sistema, por ejemplo: P, V, T, la densidad, la energía del sistema, …. Normalmente, no podemos variar una de estas variables sin alterar la otra, es decir, no son independientes totalmente. Ecuación de estado: Se le llama a la relación que existe entre las variables que definen un estado. caso complicado caso simple

21 Cambios diferenciales de Estado
Suponemos conocida la ecuación de estado de un determinado sistema, de forma que podemos expresar: Un cambio infinitesimal del volumen lo podemos expresar como: De forma general, debemos tener en cuenta que:

22 Estas derivadas parciales tienen un significado físico muy importante:
Coeficiente de dilatación cúbica: La experiencia demuestra que es prácticamente independiente de P y que varía ligeramente con T. Así, dentro de un pequeño intervalo de temperatura puede tomarse como constante: Coeficiente de compresibilidad cúbica: Es una función prácticamente independiente de P y T.

23 Diagrama de fases pT representativo con regiones de temperatura y presión en las que existen distintas fases y en las que se dan cambios de fases.

24 Sistema Termodinámico en Equilibrio (Termodinámica Clásica)
La termodinámica clásica considera procesos, es decir, cambios de un sistema desde el estado inicial a un estado final. La termodinámica clásica supone que este proceso transcurre tan lentamente que el sistema tiene tiempo de alcanzar el equilibrio después de un cambio infinitesimal, de tal forma que todos los estados intermedios son estados de equilibrio con sus coordenadas termodinámicas bien definidas. A este proceso se le llama : cuasiestático.

25 Temperatura: Nos transmite una idea de “frio” o “calor” según nuestra orientación del tacto.
La temperatura puede estar relacionada con propiedades como: Energía cinética de las moléculas de un material. Longitud de una barra de metal. La presión de vapor de una caldera. La capacidad de un alambre para conducir corriente eléctrica. El color de un objeto brillante muy caliente.

26 Sistema cuya temperatura se especifica con el valor de la longitud L.
termómetros Sistema cuya temperatura está dada por el valor de la presión p.

27 Si queremos medir la temperatura de nuestro café del desayuno introducimos el termómetro en nuestra taza de café. Al interactuar entre los dos, el termómetro se calienta y el café se enfría un poco. El líquido del termómetro comienza a subir hasta que se estabiliza y entonces podemos leer la temperatura. El estado en el cual el termómetro no cambia de medida le llamamos estado de equilibrio térmico. Aislante “ideal”: Se le llama al material que no permite la interacción entre dos sistemas, es decir, evitan que se alcance el equilibrio térmico entre dos sistemas.

28 Cuando se alcanza el equilibrio térmico, A y B estarán en equilibrio térmico con C, pero ¿estarán en equilibrio térmico entre ellos también? Al colocar A y B en contacto mediante una pared conductora, los experimentos muestran que no sucede nada. Ley cero de la termodinámica: Si C está inicialmente en equilibrio térmico con A y B, entonces A y B también están en equilibrio térmico entre sí.

29 líquido del termómetro
El termómetro puede ser visto como un sistema de tres materiales en contacto. café pared del termómetro líquido del termómetro Cuando alcanzamos el equilibrio térmico y medimos la temperatura, entonces los tres materiales han llegado al equilibrio térmico. Concluimos: dos sistemas están en equilibrio térmico, sí y solo sí, tienen la misma temperatura.

30 El líquido del termómetro aumenta según el aumento de la temperatura, necesitamos una escala para asignar un valor a una determinada temperatura. Tomamos el 100 de temperatura en el punto de ebullición del agua pura. Dividimos el intervalo en 100 espacios iguales. Tomamos el cero de temperatura en el punto de congelación del agua pura. Así es la escala de temperatura Celsius (conocida también como centígrada)

31 La escala de temperatura de Fahrenheit.
La ebullición ocurre a 212oF Dividimos esta distancia entre 100 partes iguales: El cambio de temperatura de 1oF significa un cambio de 5/9 oC. El agua se congela a 32oF. La conversión de Celsius a Fahrenheit sería:.

32 El termómetro de gas. Para calibrar el termómetro, medimos la presión a dos temperaturas: 0oC y 100oC. Graficamos esos puntos y trazamos una línea recta entre ellos. Lord Kelvin ( )

33 Al interactuar entre los dos, el termómetro se calienta y el café se enfría un poco hasta alcanzar el equilibrio térmico. Calor: Se le llama a la energía transferida que se da por una diferencia de temperatura. 1 cal (caloría): unidad de cantidad de calor con base en el cambio de temperatura de un material específico. Se define como la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 g de agua de 14,5oC a 15,5oC.