FUNDAMENTOS BASICOS SOBRE MECANICA DE LOS FLUIDOS (1 Parte)

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La Mecánica de Fluidos es la rama de la ciencia que estudia el equilibrio y el movimiento de los fluidos, esto es, líquidos y gases. En los fluidos, puede producirse un movimiento relativo de las moléculas u átomos que forma parte de la estructura interna tanto en movimiento como en reposo, situación que no se produce nunca en los sólidos.

La mecánica de fluidos puede dividirse en dos partes diferenciadas. La primera de ellas es la que estudia, básicamente, el movimiento de fluidos que circula por una trayectoria concreta, en el que el fenómeno característico es su transporte, en este tipo de circulación de fluidos, éstos circulan canalizados por el interior de conducciones o cauces, y por ello se denomina flujo interno, es una ciencia básica en todas las ingenierías. Cuando el fluido objeto de estudio es el agua, la parte de la mecánica de fluidos que estudia su movimiento es la Hidráulica.

La segunda parte en que se divide la mecánica de fluidos es cuando estos circulan, en vez de por el interior de conducciones, a través en un conjunto de partículas sólidas, denominándose flujo externo, ya que en vez de circular el fluido por el interior de un sólido (una conducción), es el fluido el que envuelve toda la superficie exterior de los sólidos.

Les comento lo siguiente amante del conocimiento, en tecnología química, el conocimiento del flujo externo de fluidos es necesario pensando en que se aplica en multitud de operaciones básicas características de la industria química, como sedimentación, filtración. Además, resulta básico en el tratamiento de cuantas operaciones impliquen transmisión de calor y transferencia de materia, es decir, en todas las llamadas operaciones básicas de la Ingeniería Química, el flujo externo de fluidos ha sido desarrollado históricamente por la Ingeniería Química, por lo que es una rama de la mecánica de fluidos de especial importancia.

Aspectos básicos.
Abordando la definición tenemos que, En flujo de fluidos, es de vital importancia conocer la presión ya que con su conocimiento puede controlarse y medirse el flujo, dado que la presión, según su definición, es la fuerza normal ejercida sobre una superficie, para medir la presión será necesario insertar una sonda en el punto donde la presión desee conocerse, sonda que consiste en exponer una sección. Se pueden considerar tres definiciones de presión según el modo de medir la misma, es decir, como se coloque la sonda medidora de la presión:

• Presión estática: Es la presión ejercida por el fluido sobre un plano paralelo a la dirección de la corriente, debido a los choques de las moléculas como consecuencia de un movimiento aleatorio (p). Para un fluido en movimiento la presión estática debe medirse con la sección de la sonda paralela al movimiento del fluido. En el caso de fluidos en reposo, no hay diferencia en cómo se coloque la sonda de presión.

• Presión de impacto o de choque o de estancamiento: Es la presión ejercida por el fluido sobre un plano perpendicular a la dirección de la corriente, debido a los choques de las moléculas por el movimiento aleatorio y el movimiento del fluido (p+1/2pv²), siendo p la densidad del fluido y v el módulo de la velocidad puntual del fluido). Por tanto, la sonda deberá tener la sección perpendicular y encarada a la dirección de la corriente.

• Presión cinética, dinámica o de velocidad: Es la diferencia entre las presiones de impacto y estática (1/2pv²), que será nula en el caso de fluidos en reposo.

En esta imagen tenemos la presión estática y de impacto en un fluido en movimiento; también se puede abordar presión en función de otras causas distintas al modo de insertarse la sonda de medida, como presión absoluta, hidrostática, manométrica (Imagen elaborada por @centaurox)

La presión hidrostática a la presión que ejerce el peso gravitatorio de la porción de líquido situada por encima de la sonda medidora, siendo realmente una diferencia de presión entre dos puntos. Sin embargo, esta presión hidrostática es despreciable en el caso de gases. También pueden definirse otros tipos de presión en función del equipo con que se mida, que se verán posteriormente en la sección dedicada a los equipos de medida.

Fundamento en las unidades de presión.
La unidad de presión es el Pascal (Pa Ξ 1 N/m2), es más frecuente expresar la presión en kPa o MPa. También es muy frecuente la utilización de bar, atm y kg/cm2, unidades todas ellas parecidas y prácticamente equivalentes (1 bar Ξ 105 Pa, 1 atm Ξ 1.013 bar, 1 bar Ξ 1.02 kg/cm2), sin olvidar la unidad de presión del sistema inglés psi (pound per square inch, 1bar = 14.50 psi).

Dinámica de presiones de servicio
Las presiones estáticas de los fluidos durante su flujo varían mucho según las circunstancias. La presión del agua en las redes de suministro de las ciudades oscila entre 2 bar y 7 bar, mientras la presión de aspiración de las bombas suele ser próxima a la atmosférica, la de descarga puede superar las 100 bar. Los flujos gaseosos suelen clasificarse como de baja, media o alta presión, según que la presión del gas circulante sea inferior a 1.2 bar, entre 1.2 y 3.5 bar o entre 3.5 y 100 bar, respectivamente. Todas estas presiones son alcanzables por los compresores de varias etapas.

Tomando en cuenta en la forma que se apliquen presiones superiores a las indicadas, se habla de tecnología de altas presiones, pudiéndose incluir en la misma procesos industriales tan importantes como las síntesis del amoniaco y del metanol y muchas polimerizaciones, hidrogenaciones.

Instrumentos de medida de presiones.
En función del equipo que se utilice para la medida de la presión en un punto, cabe diferenciar entre presión absoluta (cuando el equipo mide la presión total) o presión sobreatmosférica o manométrica. (Diferencia de presión respecto a la atmosférica). En la atmósfera de la corteza terrestre, el aire está ejerciendo una presión continua, por lo que a menudo se considera presión positiva a presiones superiores a la atmosférica, y vacío o presión negativa a las inferiores. Sin embargo, hablando en términos de presión absoluta, es imposible termodinámicamente la existencia de presiones negativas.

Los equipos que miden la presión atmosférica se denominan barómetros, y de ellos, hay barómetros que miden la presión atmosférica absoluta (columnas de líquido, como el de Torricelli), y barómetros que miden la presión atmosférica con respecto a otra de referencia con la que fue calibrado (medida con columna de fluido), en realidad, la presión absoluta únicamente puede medirse con barómetros de columna de fluido, todos los demás barómetros y otros medidores de presión absoluta miden presiones con respecto a una referencia, que son un calibrado en el caso de barómetros, o bien la presión atmosférica en el caso de otros medidores de presión, respecto a estos medidores de presión sobreatmosférica que miden con respecto a la presión atmosférica, hay que tener presente que esta varía sensiblemente a lo largo de los días. Los equipos que miden presiones de forma mecánica se denominan manómetros, los cuales pueden medir presiones sobreatmosféricas (cuando miden la presión en un punto con respecto a la atmósfera) o de presiones diferenciales cuando miden diferencias de presión entre dos puntos.

Otro interesante que me llamo la a tensión bajo el esquema de esta ciencia, es el tubo manométrico en U, el fluido manométrico está en reposo (no circula), por lo que la presión en ambas ramas es la misma a igualdad de altura si está ocupado por el mismo fluido manométrico. Así, para medir la presión mediante un tubo en U, se parte de aquella altura máxima en que exista fluido manométrico en ambas ramas (puntos de idéntica presión), a partir de esa altura, se contabilizan las diferentes contribuciones de presión en cada rama, que son las mismas sobre la altura en que empieza a haber fluido manométrico en ambas ramas.

Analicemos en un depósito de aire comprimido tiene una espita, que se conecta a una rama de un manómetro en U que contiene mercurio, y la otra está al aire.

Los puntos 1 y 2 del manómetro están a la misma presión, ya que está a la misma altura el mismo fluido manométrico que está en reposo (P1 = P2). Despreciando la presión hidrostática ejercida por los gases donde es equivalente a despreciar su energía potencial, sobre el punto 1 sólo ejerce presión el aire comprimido en el tanque con su presión PA. Así mismo, sobre el punto 2, ejerce presión tanto una columna de mercurio de altura hm y, por encima de ésta, la presión atmosférica, ya que esa rama está abierta, por lo tanto tenemos: PA = pmghm+Patm.(Imagen elaborada por @centaurox)

Es importante tener estos conocimiento como en la ingeniería, como en las industrias dentro de sus estructuras de planta y equipo se maneja gracia a estos conocimientos, incluso en sistema de enfriamiento se aplica la mecánica de fluidos, en una próxima publicación continuaremos abordando este tema saludos y éxitos para todos.

Bibliografía.
Mecánica de los fluidos e hidráulica por Jaime Ernesto Díaz Ortíz – 2006.
Mecánica de fluidos aplicada - Página 26 por Robert L. Mott – 1996.