Termofluidos

UNIDAD 1

1.1 CONCEPTO DE FLUIDO
Desde el punto de vista de la Mecánica de Fluidos, la materia sólo puede presentarse en dos estados: sólido y fluido. La diferencia entre ambos es perfectamente obvia para el lego y es un ejercicio interesante preguntar a alguien que explique esta diferencia en palabras. La distinción técnica radica en la reacción de ambos a un esfuerzo tangencial o cortante.Un sólido puede resistir un esfuerzo corlante con una deformador, estática; un fluido, no. Cualquier esfuerzo cortante aplicado a un fluido, no importa cuál pequeño sea. Provocará el movimiento del fluido. Éste se mueve y se deforma continuamente mientras se siga aplicando e! esfuerzo cortante. Como corolario, podemos decir que un fluido en reposo debe estar en un estado de esfuerzo cortante nulo;estado que se denomina a menudo condición hidrostática de esfuerzos en análisis estructural. En esta condición, el círculo de Mohr se reduce a un punto y no hay esfuerzo cortante en ningún plano que corte al elemento en cuestión.
Dada la definición de fluido, cualquier lego sabe que existen dos clases de fluidos, líquidos y gases. De nuevo, la distinción es técnica y concierne al efecto de lasfuerzas cohesivas. Un líquido, al estar compuesto por agrupaciones de moléculas muy cercanas con enormes fuerzas cohesivas, tiende a conservar su volumen y formará una superficie libre en un campo gravitatorio si no está limitado por arriba. Los flujos con superficie libre están dominados por efectos gravitatorios y se estudian en los Capítulos 5 y 10. Como las moléculas de gas están muy separadasentre sí, con fuerzas cohesivas despreciables, un gas es libre de expansionares hasta que encuentre paredes que lo confinan. Un gas no tiene volumen definido y por sí mismo, sin confinamiento, forma una atmósfera que es esencialmente hidrostática. El comportamiento hidrostático de líquidos y gases se muestra en el Capítulo 2. Los gases no forman superficies libres y en los flujos gaseososraramente influyen otros efectos gravitatorios distintos de los de flotabilidad.
La Figura 1.1 muestra un bloque sólido apoyado sobre un plano rígido y deformado por su propio peso. El sólido adquiere una deflexión estática, marcada exageradamente con una línea a trazos, resistiendo esfuerzos cortantes2 sin fluir. El diagrama de equilibrio del elemento A del lateral del bloque muestra un esfuerzocortante a lo largo del plano cortado a un ángulo 6. Como las paredes del bloque no están sometidas a esfuerzos, el elemento A tiene esfuerzo nulo a la derecha y a la izquierda y esfuerzo de compresión σ=-p arriba y abajo. El círculo de Mohr no se reduce a un punto y no hay esfuerzo cortante nulo en el bloque.
Contrariamente, el líquido y el gas en reposo de la Figura 1.1 necesitan paredes para eliminarel esfuerzo cortante. Las paredes ejercen una compresión -p y el círculo de Mohr se reduce a un punto con esfuerzo cortante nulo en todas partes, o sea, está en la condición hidrostática. El líquido mantiene su volumen y forma una superficie libre sin llenar completamente el recipiente. Si se quitan las paredes, se crea esfuerzo cortante y el líquido se derrama. Si el recipiente se inclina,también aparece esfuerzo cortante, se forman ondas y la superficie adopta una posición horizontal, desbordándose llegado el caso. Mientras tanto, el gas se expande fuera del recipiente, llenando todo el espacio disponible. El elemento A, en el gas, también está en la condición hidrostática y ejerce una compresión -p sobre la pared.
En la discusión anterior se puede distinguir claramente entre sólidos,líquidos y gases. La mayor parte de los problemas ingenieriles de la Mecánica de Fluidos se refieren a estos casos claros, por ejemplo, los líquidos comunes como agua, aceite, mercurio, gasolina y alcohol y a los gases comunes como aire, helio, hidrógeno y vapor de agua en el rango de temperaturas y presiones normales. Sin embargo, existen muchos casos límites sobre los que se debe advertir....