Conceptos Fundamentale

sUnidad I

1.1 Flujo y FluidosFluido es una sustancia que se deforma continuamente, cuando se le aplica una fuerza tangencial por muy pequeña que ésta sea.

• Incomprensible:cualquier fluido cuya densidad siempre permanece constante con el tiempo, y tiene la capacidad de oponerse a la compresión del mismo bajo cualquier condición. Un flujo se convierte en incompresible cuando los cambios que sufre la temperatura no son de una calidad tan importante, lo que los convierte en cambios despreciables.

• Comprensible: fluido cuya densidad varía significativamente ante un cambio de presión. Tanto los gases, como los líquidos y los sólidos, todos disminuyen su volumen cuando se les aplica una presión. La compresibilidad de un fluido también se puede evaluar mediante la  velocidad en que se transmiten pequeñas perturbaciones dentro del mismo fluido.

FlujosUn flujo se clasifica según sus propiedades:• Estacionario: este tipo de flujo cuando las variables que lo

caracterizan son constantes en el tiempo.• No Estacionario: as variables físicas que lo caracterizan

dependen del tiempo en todos los puntos del fluido.• Luminar: tipo de movimiento de un fluido cuando éste es

perfectamente ordenado, estratificado, suave, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse si la corriente tiene lugar entre dos planos paralelos, o en capas cilíndricas coaxiales. La pérdida de energía es proporcional a la velocidad media. El perfil de velocidades tiene forma de una parábola, donde la velocidad máxima se encuentra en el eje del tubo y la velocidad es igual a cero en la pared del tubo

• Luminar: tipo de movimiento de un fluido cuando éste es perfectamente ordenado, estratificado, suave, de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse si la corriente tiene lugar entre dos planos paralelos, o en capas cilíndricas coaxiales. La pérdida de energía es proporcional a la velocidad media. El perfil de velocidades tiene forma de una parábola, donde la velocidad máxima se encuentra en el eje del tubo y la velocidad es igual a cero en la pared del tubo.

• Turbulento:movimiento de un fluido que se da de forma caótica, en que las partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos aperiódicos, como por ejemplo el agua en un canal de gran pendiente. Debido a esto, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, más precisamente caótica.

1.2 ReologíaParte de la física que estudia la relación entre el esfuerzo y la deformación en los materiales que son capaces de fluir. Se clasifican:• Newtonianos: Son aquellos fluidos que exhiben

una proporcionalidad directa entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte. Por ejemplo; diesel y agua, figura.

• No Newtonianos: Son todos aquellos fluidos que no exhiben una relación directa entre el esfuerzo y la velocidad de corte. Por ejemplo; la mayoría de los fluidos de perforación y el cemento.

1.3 Concentración • Fracción másica: Se define como el cociente entre

la masa de soluto y la masa total de la disolución• Fraccion Molar: define como el cociente entre los

moles de soluto y los moles totales• Densidad de flujo: magnitudes vectoriales que

representan el transporte de una especie que atraviesa la unidad de área en la unidad de tiempo, expresada con base de masa o molar. Estas densidades de flujo de materia pueden referirse a ejes estacionarios, a la velocidad media de masa o a la velocidad media molar.

Tabla de Densidad de Flujo

1.3 Concentración• Velocidad:Dada una especie "i" que difunde en una mezcla, llamaremos

como velocidad de la especie "i" respecto de ejes estacionarios (vi), a la suma de las velocidades moleculares individuales en esta especie dividida por el número de moléculas contenidas en el mismo elemento de volumen considerado. Se define como velocidad media de masa de la mezcla de n componentes a la suma de las velocidades másicas individuales de cada componente dividido la densidad total de cada mezcla. Las velocidades másicas individuales corresponden al producto de la concentracion de masa por la velocidad de cada componente. El numerador de esta expresión es la velocidad local con que el total de la masa atraviesa la unidad de área, por lo tanto, la velocidad media de masa (v) es equivalente a la velocidad de un fluido puro.Se define como velocidad media molar de la mezcla de n componentes a la suma de las velocidades molares individuales de cada componente dividido la concentración total de la mezcla. El numerador corresponde a la velocidad con que los moles atraviesan una sección transversal unitaria.

1.4 CalorDiferencia entre calor y temperatura• La temperatura se encarga de medir la energía

cinética (en este caso energía térmica), mientras que el calor es la energía térmica que posee un cuerpo.

• La temperatura se mide en grados Celsius, escala Kelvin o grados Fahrenheit; mientras que el calor se mide en Julios o Joules.

1.4 CalorMecanismos para Transferencia de calor.• Conducción de Calor: Mecanismo de transferencia

de calor en escala atómica a través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le entregan energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las temperaturas más altas a las más bajas. Los mejores conductores de calor son los metales. La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del medio conductor.

1.4 Calor• Convección: mecanismo de transferencia de calor

por movimiento de masa o circulación dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solo por las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Sólo se produce en líquidos y gases donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio.

1.4• Radiación: energía emitida por la materia que se

encuentra a una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia afuera en to- das las direcciones. Esta energía es producida por los cambios en las configu- raciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos y transportada por ondas electromagnéticas o fotones. A diferencia de la conducción y la convección, o de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación elec- tromagnética es independiente de la materia para su propagación, de hecho, la transferencia de energía por radiación es más efectiva en el vacío.

1.5 Mecanismos de Transferencia

• Masa: cambia la composición de soluciones y mezclas mediante métodos que no implican necesariamente reacciones químicas y se caracteriza por transferir una sustancia a través de otra u otras a escala molecular. Cuando se ponen en contacto dos fases que tienen diferente composicion, la sustancia que se difunde abandona un lugar de una región de alta concentración y pasa a un lugar de baja concentración.

• Calor:es el modo microscópico de trabajo, donde la energía es transferida a través de la frontera de un sistema debida a una diferencia de temperatura; siendo la temperatura una propiedad macroscópica, que nos permite relacionar la transferencia de energía a nivel molecular.

1.5 Mecanismos de Transferencia

• Momentum: producto de la masa del cuerpo y su velocidad en un instante determinado obedece a una ley de conservación, lo cual significa que la cantidad de movimiento total de todo sistema cerrado (o sea uno que no es afectado por fuerzas exteriores, y cuyas fuerzas internas no son disipadoras) no puede ser cambiada y permanece constante en el tiempo.