CINETICA DE FLUIDOS

INTRODUCCION:

La teoría Cinética es un area de la física que pretende el estudio de los sistemas partiendo de las características mecanicas de sus innumerables componentes, y aprovechando los resultados de la teoría de las probabilidades y de la estadística.
Ejemplo: H2(g) + ½ O2(g) ↔ H2O (l)

La descripción de esta ecuación o reacción química por si sólo representa una ecuación balanceada, pero es bastante incompleta.

¿Qué se necesita para considerarlo estable a esta reacción?

Es necesario conocer las propiedades termodinamicas y en particular una propiedad llamada cambio de energía libre de Gibbs (ΔG0), y permitira determinar si la reacción o proceso ocurrira espontaneamente (ΔG0 = -56.60 Kcal) cuya dirección es →.

Si la reacción no es espontanea, entonces la reacción ocurrira en el sentido contrario ←, donde su ΔG0 = +56.60 Kcal.

¿En que tiempo se tendría que esperar para que ocurra esta reacción?

La termodinamica no da respuesta, dado que si se mezcla hidrogeno y oxigeno gaseoso en estas condiciones (25ºC y 1 atm) se tendría que esperar un tiempo realmente largo para que se produzca (una vida entera no sera suficiente).
La respuesta seria, que se ocasione una chispa eléctrica en el seno de la mezcla, se produce la reacción con violencia explosiva, por lo tanto ni la ecuación balanceada ni sus propiedades termodinamicas no nos proporcionan un pronostico o una explicación de estos fenómenos, para obtener estas respuestas se hace uso del campo de la cinética química (tiempo que tarda para que ocurraesta reacción).

La idea fundamental que sustenta todo mecanismo de reacción se deduce de los postulados de la teoría cinética, donde las moléculas se hallan en movimiento constante y desordenado por lo que sufren colisiones con frecuencia. Por lo tanto debemos saber quienes de los estados de la materia sufren colisiones?

Estados de la materia

Sólido

Manteniendo constante la presión, a baja temperatura, los cuerpos se presentan en forma sólida y precisa, los atomos se encuentran entrelazados formando generalmente estructuras cristalinas, lo que confiere al cuerpo la capacidad de soportar fuerzas sin deformación aparente. Son, por tanto, agregados generalmente como duros y resistentes.

En el sólido hay destacar que las Fuerzas de atracción son mayores que las fuerzas de repulsión y que la presencia de pequeños espacios intermoleculares caracteriza a los sólidos dando paso a la intervención de las fuerzas de enlace que ubican a las celdillas en una forma geométrica. El estadio sólido presenta las siguientes características

• Forma y volumen definidos
• Cohesión (atracción)
• Vibración
• Tienen forma definida o rígida
• No pueden comprimirse
• Resistentes a fragmentarse
• Poseen volumen definido
• No fluyen (escasa fluidez
• Algunos de ellos se subliman (yodo)
• Volumen tenso

Liquido:

Si se incremente la Tº el sólido va “descomponiéndose” hasta desaparecer la estructura cristalina, alcanzando el estado liquido. Característica principal: la capacidad de fluir y adaptarse a la forma del recipiente que locontiene. En este caso, aun existe cierta unión entre los atomos del cuerpo, aunque mucho menos intensa que en los sólidos. El estado liquido presenta las siguientes características

• Cohesión menor (regular)
• Movimiento energía cinética.
• No poseen forma definida.
• Toma la forma de la superficie o el recipiente que lo contiene.
• En el frío se comprime, excepto el agua.
• Posee fluidez a través de pequeños orificios.
• Puede presentar difusión.
• No tienen forma fija pero si volumen. la variabilidad de forma y el presentar unas propiedades muy específicas son características de los líquidos.

Gaseoso
Incrementando aun mas la Tº se alcanza el estado gaseoso. Los atomos o moléculas del gas se encuentran practicamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenido. El estado gaseoso presenta las siguientes características.

• Cohesión casi nula.
• Sin forma definida.
• Su volumen sólo existe en recipientes que lo contengan.
• Pueden comprimirse facilmente.
• Ejercen presión sobre las paredes del recipiente contenedor.
• Las moléculas que lo componen se mueven con libertad.
• Ejercen movimiento ultra dinamico.

Plasma

El plasma es un gas ionizado, o sea, los atomos que lo componen se han separado de algunos de sus electrones o de todos ellos. De esta forma el plasma es un estado parecido al gas pero compuesto por electrones, cationes (iones con carga positiva) y neutrones, todos ellos separados entre si y libres, por eso es un excelente conductor

Los plasmas formanel estado de agregación, mas abundante de la naturaleza. De hecho, la mayor parte de la materia en el Universo visible se encuentra en estado de plasma.

FLUIDO

Acción de fluir:
Es el comportamiento que tiene un estado de la materia (liquido o gas) de transportarse sea en forma molecular o global en un medio o recipiente venciendo la resistencia del mismo

Fluido:
Es todo material que no sea sólido y que tiene la acción de fluir. Son fluidos los líquidos y los gases La diferencia entre uno y otra esta en su compresibilidad.

Para cualquier sustancia, en el estado líquido existe una temperatura mayor que la del estado sólido. Por lo tanto:

-Tiene mayor agitación térmica
-Fuerzas moleculares no son suficientes para mantener a las moléculas en posiciones fijas y se pueden mover en el líquido.

Para el estado gaseoso, las moléculas tienen un continuo movimiento al azar y ejercen muy débiles unas de otras. Las separaciones promedio entre las moléculas de un gas son mucho mas grandes que las dimensiones de las mismas.

Por lo tanto los fluidos son agregaciones de moléculas, muy separadas en los gases y próximas en los líquidos, siendo la distancia entre las moléculas mucho mayor que el diametro molecular, no estando fijas en una red, sino que se mueven libremente.

Un fluido se denomina medio continuo, cuando la variación de sus propiedades es tan suave que se puede utilizar el calculo diferencial para analizarlo. En el estudio de la física del medio continuo esta basado principalmente en 02 teorías.

-La Elasticidad

Es lapropiedad que tiene los cuerpos de cambiar de forma cuando ejercen sobre ellos una fuerza deformadora, y de recuperar su forma original, cuando la fuerza deformada deja de actuar. Esta teoría se aplica principalmente a los cuerpos sólidos

-La hidrodinamica.

Estudia todos los fluidos compuestos de moléculas que se encuentran en movimiento constante. Sin embargo, en la mayor parte de las aplicaciones de ingeniería, nos interesa mas conocer el efecto global o promedio (es decir, macroscópico) de las numerosas moléculas que forman el fluido.

MECANICA DE FLUIDOS

La mecanica de fluidos es la rama de la mecanica de medios continuos (que a su vez es una rama de la física) que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que los provocan. La característica fundamental que define a los fluidos es su incapacidad para resistir esfuerzos cortantes (lo que provoca que carezcan de forma definida).

La mecanica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronautica, la ingeniería química, civil e industrial, minería, metalúrgica, materiales y la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía. La hipótesis fundamental en la que se basa toda la mecanica de fluidos es la hipótesis del medio continuo.

3.1. Hipótesis del medio continuo
En esta hipótesis se considera que el fluido es continuo a lo largo del espacio que ocupa, ignorando por tanto su estructura molecular y las discontinuidades asociadas a esta. Con esta hipótesis se puede considerar que las propiedades del fluido (densidad,temperatura, etc.) son funciones continuas.

La forma de determinar la validez de esta hipótesis consiste en comparar el camino libre medio de las moléculas con la longitud característica del sistema físico. Al cociente entre estas longitudes se le denomina número de Knudsen. Cuando este número adimensional es mucho menor a la unidad, el material en cuestión puede considerarse un fluido (medio continuo).

3.2. La mecanica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales: la estatica de fluidos, o hidrostatica, que se ocupa de los fluidos en reposo, y la dinamica de fluidos, que trata de los fluidos en movimiento.

Entre las aplicaciones de la mecanica de fluidos estan la propulsión a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas (Aire comprimido). La hidraulica estudia la utilización en ingeniería de la presión del agua o del aceite.

La hidrodinamica es rama de la mecanica de fluidos se ocupa de las leyes de los fluidos en movimiento; estas leyes son enormemente complejas, y aunque la hidrodinamica tiene una importancia practica mayor que la hidrostatica

Clasificación de fluidos

4.1. Fluidos Newtonianos
Los Fluidos Newtonianos son aquellos cuya viscosidad es constante, o dicho de otra forma, son aquellos cuyo esfuerzo cortante es directamente proporcional al gradiente de velocidad.

Un fluido newtoniano es un fluido con viscosidad en que las tensiones tangenciales de rozamiento son directamente proporcionales a la divergencia de la velocidad.

Un buen número de fluidos comunes se comportan como fluidos newtonianos bajocondiciones normales de presión y temperatura: el aire, el agua, la gasolina y algunos aceites minerales

4.2. Fluidos No Newtonianos
Tienen el esfuerzo cortante como función de relaciones de velocidad de deformación y tienen una composición molecular compleja. Un fluido no newtoniano es aquél cuya viscosidad varía con la tensión cortante que se le aplica. Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.

Dilatantes.
Son aquellos que se vuelven mas resistentes al movimiento conforme se incrementa la velocidad de deformación.

Pseudoplasticos.
Son aquellos que se vuelven menos resistentes al movimiento conforme se incrementa la velocidad de deformación.

TIPO DE FLUJOS

Flujos incomprensibles y comprensibles
Un flujo se clasifica en compresible e incompresible, dependiendo del nivel de variación de la densidad del fluido durante ese flujo.
La incompresibilidad es una aproximación y se dice que el flujo es incompresible si la densidad permanece aproximadamente constante a lo largo de todo el flujo. Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado sobre el curso de su movimiento cuando el flujo o el fluido son incompresibles.
En esencia, las densidades de los líquidos son constantes y así el flujo de ellos es típicamente incompresible. Por lo tanto, se suele decir que los líquidos son sustancias incompresibles. Ejemplo: una presión de 210 atm hace que la densidad del agua liquida a 1 atm. Cambie en sólo 1 por ciento

FlujosViscosos y no Viscosos
La subdivisión principal se tiene entre los flujos viscosos y no viscosos.

En un flujo no viscoso se supone que la viscosidad de fluido, vale cero. Evidentemente, tales flujos no existen; sin embargo; se tienen numerosos problemas donde esta hipótesis puede simplificar el analisis y al mismo tiempo ofrecer resultados significativos.

Dentro de la subdivisión de flujo viscoso podemos considerar problemas de dos clases principales. Flujos llamados incompresibles, en los cuales las variaciones de densidad son pequeñas y relativamente poco importantes. Flujos conocidos como compresibles donde las variaciones de densidad juegan un papel dominante como es el caso de los gases a velocidades muy altas. Ambos casos dentro del area general de flujos no viscosos.

Flujos Laminares y Turbulentos
Los flujos viscosos se pueden clasificar en laminares o turbulentos teniendo en cuenta la estructura interna del flujo. En un régimen laminar, la estructura del flujo se caracteriza por el movimiento de laminas o capas.

La estructura del flujo en un régimen turbulento por otro lado, se caracteriza por los movimientos tridimensionales, aleatorios, de las partículas de fluido, superpuestos al movimiento promedio.

En un flujo laminar no existe un estado macroscópico de las capas de fluido adyacentes entre sí. Un filamento delgado de tinta que se inyecte en un flujo laminar aparece como una sola línea; no se presenta dispersión de la tinta a través del flujo, excepto una difusión muy lenta debido al movimiento molecular. Por otraparte, un filamento de tinta inyectado en un flujo turbulento rapidamente se dispersa en todo el campo de flujo; la línea del colorante se descompone en una enredada maraña de hilos de tinta.

Este comportamiento del flujo turbulento se debe a las pequeñas fluctuaciones de velocidad superpuestas al flujo medio de un flujo turbulento; el mezclado macroscópico de partículas pertenecientes a capas adyacentes de fluido da como resultado una rapida dispersión del colorante. El filamento rectilíneo de humo que sale de un cigarrillo expuesto a un ambiente tranquilo, ofrece una imagen clara del flujo laminar. Conforme el humo continúa subiendo, se transforma en un movimiento aleatorio, irregular; es un ejemplo de flujo turbulento.

El que un flujo sea laminar o turbulento depende de las propiedades del caso. Así, por ejemplo, la naturaleza del flujo (laminar o turbulento) a través de un tubo se puede establecer teniendo en cuenta el valor de un parametro adimensional, el número de Reynolds, donde ρ es la densidad del fluido, “v” la velocidad promedio, “di” el diametro del tubo y “μ” la viscosidad.

El flujo dentro de una capa límite puede ser también laminar o turbulento; las definiciones de flujo laminar y flujo turbulento dadas anteriormente se aplican también en este caso

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

DENSIDAD

La densidad es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia. por consiguiente, utilizando la letra griega ρ para la densidad . En donde V es el volumen de la sustancia cuya masa es m.

Las unidades de densidad sonkilogramos por metro cúbico en el Sistema Internacional (SI) y slugs por pie cúbico en el Sistema Britanico de Unidades.

La Sociedad Norteamericana para Pruebas y Materiales (ASTM [American Societv for Testing and Materials]) ha publicado varios métodos estandar 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. mas cercano, utilizando una balanza analítica.

PESO ESPECIFICO

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 específico, son el newton por metro cúbico (N/m3) en el SI y libras por pie cúbico (lb/pie3) en el Sistema Britanico de Unidades.

GRAVEDAD ESPECIFICA

La gravedad especifica es el cociente de la densidad de una sustancia entre la densidad del agua a 4ºC, o, es el cociente del peso especifico de una sustancia entre el peso especifico del agua a 4ºC. Estas definiciones de la gravedad especifica se pueden expresar de manera matematica como

En donde el subíndice (s) se refiere a la
sustancia cuya gravedad especifica seesta determinando y el subíndice (w) se refiere al agua.
La definición matematica de gravedad especifica se puede escribir como
Esta definición es valida,
Independientemente de la
Temperatura a la que se determina la gravedad especifica. Sin embargo, las propiedades de los fluidos varian con la temperatura. En general la densidad disminuye, aumenta la temperatura.

RELACION ENTRE DENSIDAD Y PESO ESPECIFICO


Se encuentra muy a menudo que el peso especifico de una sustancia cuando se conoce su densidad y viceversa. La conversión de uno a otra se puede efectuar mediante la siguiente ecuación.
En la que g es la aceleración debida a la gravedad. La definición de peso especifico es: al multiplicar por g tanto el numerador como el denominador de esta ecuación obtenemos: pero por consiguiente tenemos: puesto que obtenemos

LA ISOTROPIA

Es aquella que mantiene la igualdad de propiedades en todas las direcciones.

LA MOVILIDAD

Por cuanto carecen de forma propia, por lo que se amoldan a la del recipiente que los contienen; a un esfuerzo infinitamente pequeño le corresponde una deformación infinitamente grande.

LA VISCOSIDAD

Constituye una resistencia a la deformación, la cual no sigue las leyes del rozamiento entre solidos, siendo las tensiones proporcionales, en forma aproximada a las velocidades de las deformaciones; esta Ley de Newton dice “que cuando las capas de un liquido deslizan entre si, la resistencia al movimiento depende del gradiente de la velocidad dv / dx y de la superficie