Fluidos Reales

Los fluidos se definen como aquellas sustancias que son incapaces de resistir esfuerzos cortantes. Cuando sometemos un cuerpo sólido a la acción de un sistema de esfuerzos cortantes, experimenta una deformación bien definida; por el contrario, los fluidos se deforman continuamente bajo la acción de los esfuerzos cortantes. De una forma muy general, podemos clasificar los fluidos de acuerdo con la relación existente entre el esfuerzo cortante aplicado y la velocidad de deformación que se produce en el fluido en: newtonianos y no newtonianos

FLUIDOS REALES

Los fluidos reales se distinguen de los ideales en que poseen una cierta viscosidad, es decir, un rozamiento interior que origina tensiones tangenciales entre los filetes fluidos.

Cuando un elemento de fluido se mueve respecto a los elementos contiguos, este movimiento es obstaculizado por la existencia de esfuerzos tangenciales o cortantes que tienden a disminuir la velocidad relativa del elemento considerado con respecto a los elementos contiguos. Entonces se dice que el fluido es viscoso, y el fenómeno recibe el nombre de viscosidad.

Podemos considerar la viscosidad como una especie de rozamiento interno en los fluidos, en virtud del cual aparecen esfuerzos cortantes sobre la superficie de un elemento de fluido en movimiento relativo respecto al resto del fluido. Tanto los líquidos como los gases presentan viscosidad, aunque los primeros son mucho más viscosos que los segundos

Ademas de esto los fluidos reales tambien poseen una cierta COMPRESIBILIDAD (los fluidos pueden dividirse el dos tipos COMPRESIBLES E INCOMPRESIBLES)

Los fluidos newtonianos, están basados en la ley de newton de los fluidos y que dice que el esfuerzo tangencial es proporcional a la tasa de variación de la velocidad, con una alta influencia de la temperatura, en otras palabras obedecen a un cambio en la viscosidad, newtonianos: agua, aceites….

Los que no la cumplen se llaman no newtonianos, no newtonianos: seudoplasticos, elastómeros, resinas, gelatinas, etc.

FLUIDO NEWTONIANO
n fluido newtoniano es un fluido con viscosidad en que las tensiones tangenciales de rozamiento son directamente proporcionales al gradiente de velocidades.
Un buen número de fluidos comunes se comportan como fluidos newtonianos bajo condiciones normales de presión y temperatura: el aire, el agua, la gasolina y algunos aceites minerales .

VISCOSIDAD
La viscosidad es el rozamiento interno entre las capas de fluido. A causa de la viscosidad, es necesario ejercer una fuerza para obligar a una capa de fluido a deslizar sobre otra.

LEY DE LA VISCOSIDAD DE NEWTON

Al comienzo hemos definido los fluidos como aquellas sustancias que son incapaces de resistir esfuerzos cortantes. Cuandoso metemos un cuerpo sólido a la acción de un sistema de esfuerzos cortantes, experimenta una deformación bien definida; por el contrario, los fluidos se deforman continuamente bajo la acción de los esfuerzos cortantes.

viene expresado por:

(Donde ΔSy es el área del elemento de fluido que está en contacto con la lámina móvil.)

la ley de la viscosidad de Newton puede expresarse como

Cuando deseamos calcular el esfuerzo cortante en un fluido, resulta ciertamente deseable formular una expresión de la velocidad de deformación dα/dt en función de magnitudes más fácilmente medibles. Para eso, consideraremos el desplazamiento lineal Δξ experimentado por la lámina móvil durante el intervalo de tiempo Δt, que vendrá dado por Δt y que es el mismo que habrá experimentado la superficie del elemento de fluido que está en contacto con dicha lámina móvil. Puesto que el ángulo Δα es muy pequeño, también podemos escribir de modo que igualando ambas expresiones se obtiene

y tomando límites en ambos miembros de esta igualdad resulta

de modo que la velocidad de deformación del elemento fluido es igual al gradiente transversal de velocidad en el mismo. De acuerdo con este resultado, la ley de viscosidad de Newton se escribe en la forma

Ahora consideraremos una situación algo más general, en la que un fluido viscoso fluye en régimen laminar, de modo que las partículas fluidas se mueven con trayectorias rectilíneas y paralelas.

Los esfuerzos cortantes sobre las caras superior e inferior vendrán expresados por:

Coeficiente de viscosidad.-
Introduciendo un coeficiente de proporcionalidad adecuado para cada sustancia fluida, la proporcionalidad que expresa la ley de viscosidad de Newton se convierte en igualdad; esto es:

El coeficiente η recibe el nombre de coeficiente de viscosidad absoluta o dinámica, o simplemente coeficiente de viscosidad, y representa el cociente entre el esfuerzo tangencial o cortante y el gradiente transversal de velocidad; es decir

Los movimientos de circulación de los fluidos se pueden dividir en dos tipos:

1. Movimientos laminares, o de Poiseuille, que son flujos regulares en los que la masa fluida esta formada por filetes yuxtapuestos, perfectamente individualizados, en los que las superficies libres son lisas y unidas; en realidad sólo se dan en algunos casos muy particulares o en fluidos muy viscosos; el númerode Reynolds en flujos por el interior de tubos es inferior a 2.000. Debido a esas fuerzas viscosas las velocidades del fluido en una sección perpendicular a la corriente no son iguales, pues existe un rozamiento interno.

2. Movimientos turbulentos, o hidráulicos, en los que los filetes líquidos se entrecruzan no conservan su individualidad; las superficies libres son turbulentas y estriadas, y son los movimientos que con más frecuencia se presentan en la práctica.


Puede observarse la transición del flujo laminar al turbulento y la complejidad del flujo turbulento cuando el humo de un cigarrillo asciende en aire muy tranquilo. Al principio, sube con un movimiento laminar a lo largo de líneas de corriente, pero al cabo de cierta distancia se hace inestable y se forma un sistema de remolinos entrelazados.
Si en cada punto de una masa fluida en movimiento turbulento se miden las velocidades instantáneas, se observa que estas varian en magnitud y dirección sin ninguna regularidad, con una frecuencia a veces muy grande, pero no se apartan jamas de un valor medio, alrededor del cual oscilaran más o menos rápidamente; otro tanto sucede con las presiones.

Mediante este modelo, el movimiento de un fluido en cualquier tipo de régimen, laminar o turbulento, puede asimilarse al de un fluido perfecto, salvo en las zonas próximas a las paredes, en que la existencia de elevados gradientes de velocidad, aun en fluidos de pequeña viscosidad, hacen que se manifiesten en gran manera las fuerzas de viscosidad; a esta región se la conoce como capa límite.

Ley de Poiseuille

El caudal total que circula por un cilindro de radio R y longitud L sometido a una diferencia de presiones p1 − p2 es:

La velocidad media vmedia del fluido vale:
(La velocidad máxima es doble que la media)

Uniones entre circuitos: La presión y el caudal son equivalentes al potencial eléctrico y la intensidad de corriente en los circuitos eléctricos. La ley de Poiseuille es similar a la de Ohm (I = V/R):

en donde Rf es la resistencia al flujo, igual a:


Unión en serie:


La resistencia total es la suma de las resistencias de los conductos:
Rf = Rf,1 + Rf,2.


Unión en paralelo: La inversa de la resistencia total es la suma de las inversas de las resistencias de los circuitos:

Número de Reynolds

El número el número de Reynolds (Re)establece un criterio de semejanza dinámica entre dos corrientes fluidas, es una magnitud adimensional definida como:

Cuando Re <>2000, cualquier turbulencia que se produzca ya no decae.

Dos flujos a los que corresponda un mismo valor del número de Reynolds exhibirán un mismo aspecto, en términos de las variables adimensionales, en unas escalas de longitudes y tiempo apropiadas; decimos entonces, que sus movimientos son semejantes.

Por ser adimensional presenta el mismo valor en cualquier sistema coherente de unidades el número de Reynolds puede ser interpretado como la razón existente entre las fuerzas de inercia y las de viscosidad.

Cuando el número de Reynolds es elevado, aquéllas predominan sobre éstas; cuando es bajo, ocurre lo contrario.


Fuerzas de arrastre

La fuerza de arrastre, la que produce un fluido a un objeto en su seno, es una combinación de la fuerza de inercia y de la de rozamiento. Para número de Reynolds bajos, domina la de rozamiento y para altos, la de inercia.

La fuerza de arrastre podemos escribirla como:

en donde f(Re) es una función del número de Reynolds.

Para objetos grandes, la fuerza inercial es la dominante y definimos el coeficiente de arrastre como:

siendo A el área del objeto.

Ley de Stokes

Para los objetos muy pequeños domina la fuerza de rozamiento. La ley de Stokes nos da dicha fuerza para una esfera:

(donde r es el radio de la esfera)

Cuando una disolución precipita, la velocidad de sedimentación está determinada por la ley de Stokes y vale:

La ecuación de Navier-Stokes.

Si a las ecuaciones de Euler,válida solamente para los fluidos ideales se añaden las que ocasiona la viscosidad, se obtienen las ecuaciones de Navier-Stokes en su forma más simplificada, una ecuación del movimiento que aplicable a los fluidos reales.

Para ello, reescribiremos la ecuación de Euler, añadiendo al segundo miembro la densidad de fuerza viscosa; esto es

que es la ecuación de NAVIER-STOKES

Para el caso de un fluido incompresiblese reduce a
Si tenemos en cuenta la identidad
muy empleada en el Cálculo Vectorial Diferencial, veremos que la ecuación de Navier-Stokes para el flujo incompresible se reduce a la ecuación de Euler, además de en el caso trivial de que en los casos siguientes:
a) En los flujos irrotacionales e incompresibles sin manantiales ni sumideros, por ser b) Cuando el flujo consiste en una rotación uniforme de una masa fluida como un todo, ya que entonces es y v=0 (como antes), de modo que La ecuación de Navier-Stokes y la ecuación de continuidad constituyen un sistema de cuatro ecuaciones (escalares) simultáneas que, en principio, podrían resolverse para las cuatro incógnitas vx, vy y vz, si no fuese por la naturaleza no lineal y la complejidad de las ecuaciones. Desde luego, las dificultades matemáticas de la integración de ese sistema de ecuaciones diferenciales son muy considerables y sólo se han resuelto para unos pocos casos particularmente sencillos

CAVITACION

LA CAVITACION

Es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.

Es un porceso fisico que es muy parecido al de la ebullición, la diferencia es que la cavitacion es causada por una caída de la presión local por debajo de la presión de vapor mientras que la ebullicion lo hace por encima de la presion ambiente local.

PROBLEMAS DE LA CAVITACION EL LA INGENIERIA

-.Las disgregaciones son roturas que se producen en el interior del hormigón por tracciones internas que el hormigón no puede resistir. Pueden producirse por causas muy diversas.

-.Las acciones de tipo físico que pueden deteriorar al hormigón dando lugar a su desgaste superficial o a su pérdida de integridad o disgregación pueden ser de diferentes tipos tales como: hielo y deshielo; abrasión, cavitación y choques térmicos.Desgaste superficial por cavitación El fenómeno de cavitación ataca a la superficie del hormigón en forma de picaduras que posteriormente se unen en zonas erosionadas amplias. Se trata de un arrancamiento progresivo del hormigón.

-.Uno de los cuidados que debe tener un ingeniero (Principalmente cómo ocurre en el hormigón o concreto). al seleccionar, las parte de una estación de bombeo, es la cavitación, este fenómeno producido normalmente en las salidas de los alabes del rotor de una bomba y en las paredes de la tubería es desfavorable, debido a que causa daños y aumenta el costo de mantenimiento. Por esta razón el presente trabajo tratara de exponer en sus posibilidades de una manera clara y amplia el fenómeno de la cavitación.

-.En la ingeniería naval se estudia el fenomeno, para el diseño de todo tipo de barcos debido a que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y los timones.

-.En los submarinos, este efecto es todavía más estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita a estos navíos de guerra mantener sus características operativas de silencio e indetectabilidad por las vibraciones y ruidos que la cavitación provoca en el casco y las hélices.

-.El colapso de las cavidades supone la presencia de gran cantidad de energía que puede causar enorme daño.

-.La cavitación puede dañar casi cualquier material. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y pueden acortar enormemente la vida de la bomba o hélice.

-.La creación y posterior colapso de las burbujas crea fricción y turbulencias en el líquido. Esto contribuye a una pérdida adicional de rendimiento en los dispositivos sometidos a cavitación.

-.La cavitación se presenta también en el fondo de los ríos donde se genera a partir de irregularidades del lecho disociando el agua y el aire. Ambos son sometidos a presiones, dando lugar, este último, a burbujas que, con la fuerza del agua, se descomponen en tamaños microscópicos, saliendo disparadas a gran velocidad. Esto provoca un fuerte impacto en el lecho que puede ser de hasta 60 t/m². Su importancia radica en la constancia y repetición del fenómeno, lo que favorece su actuación. La cavitación es un proceso erosivo frecuente en los pilares de los puentes.

La cavitación, ocurre en el momento en que un liquido es sometido a una presión (P1) igual o menor que su presión de vaporización (Pv) instantes después es regresado a una presión mayor (P2), a la presión de vapor de este. En el intervalo de estos dos sucesos se forman pequeños burbujas de estado gaseosos, las cuales al ser comprimidas por la presión mayor (P2), dejan un espacio ocasionando que las pequeñas partes en estado liquido se aceleren y choquen unas con otras.

Además se sabe que los árboles succionan la savia sometiéndolas a esfuerzos de tensión, pero nadie a podido explicar este fenómeno, sin embargo si sometemos un liquido a esfuerzos de tensión reduciéndole la presión entrara en ebullición si esta es demasiada baja, de hay la importancia de cuidar la presión de succión en las bombas.

En la naturaleza el mercurio es uno de los metales líquidos mas excepcionales debido entre otras cosas a su punto de evaporización en 20 ºC ocurre a 0.168 Pa, debido a esto es que es muy aplicado en la instrumentación por que su punto de vaporización esta muy bajo, comparado con el del agua el cual ocurre en la misma temperatura a 2337 Pa, sin embargo por ser este ultimo el fluido mas común vale la pena realizar un análisis de las condiciones de trabajo de este con el fin de evitar en las bombas una presión menor a la de vaporización.


EFECTOS DE LA CAVITACION

Como ya se ha mencionado la cavitación ocurre en las bombas, aunque también sucede en los ductos sobre todo donde se encuentran reducciones seguidas de ampliaciones bruscas, (tubos venturi) estos efectos se pueden transmitir a las demás partes del equipo de bombeo reduciendo la eficiencia y pudiendo causar serios daños como la corrosión de partículas de metal (pitting)

Cuando las burbujas de vapor se implotan se produce una especie de martilleo lo que produce un deterioro en las paredes de la carcaza, de las palas del impulsor el cual el daño esta en función de la proximidad en que se encuentran estas implosiones.

Los efectos que tiene sobre la maquinaria de bombeo son:

EFECTO MECANICO: Con las implosiones se decrecen los diámetros de las burbujas, las partículas en estado liquido se aceleran y se desplazan hacia el centro de estas burbujas chocando entre si, estos choques provocan sobrepesiones (golpe de ariete) que se propagan en todas las direcciones afectando principalmente a las ranuras de las superficies metálicas por lo que en muy poco tiempo pueden ocasionar daños a la estructura de la maquina (rotor).

Los golpeteos los cuales al ser muy fuertes dan la impresión que la bomba acarrea grava causan un desequilibrio en la maquina dañando las uniones de los tubos con esta, así como aflojan las partes que la sostienen. Además los martilleos en ocasiones son tan fuertes que producen ruidos los cuales pueden ser molestos durante la operación de la bomba.

Y el problema y quizás el mas importante es el de la reducción de la eficiencia de la bomba con el cual el nosotros como futuros ingenieros estamos obligados a seleccionar o diseñar de la manera mas eficiente, con lo cual debemos de tener un criterio amplio para evitar el fenómeno de la cavitación. Entre las bombas más supcebtibles a este fenómeno están las que tiene lados convexos y sobre todo en la parte trasera en donde pueden tener un área localizada que propicie la cavitación.

EFECTO QUIMICO: Con la implotación de las burbujas se liberan iones de oxigeno que como sabemos atacan las superficies de los metales.

NATURALEZA DE LA CAVITACIÓN

Actualmente se sabe que la cavitación es debida principalmente a la acción mecánica de impactos rápidos, a manera de explosiones de las partículas de líquido, aunque no se descarta la posibilidad de acción química corrosiva, cuya naturaleza no se ha llegado a dilucidar por completo.

Los impactos que se generan son periódicos, es decir, se produce un fenómeno vibratorio que aumenta la erosión del material por fatiga.

DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO

La cavitación se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un cierto valor mínimo admisible. Esta baja que sufre la presión es debida a los efectos dinámicos de un líquido al escurrir, siguiendo fronteras curvas o alrededor de cuerpos sumergidos.

El fenómeno consiste en un cambio rápido y explosivo de fase líquida a vapor. Si el liquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, éste hierve y forma burbujas. Estas burbujas son transportadas por el líquido hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido de manera súbita aplastándose bruscamente las burbujas. Este fenómeno se llama CAVITACIÓN

Cuando un líquido fluye a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, el líquido hierve y forma burbujas de vapor.

Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando cambian de estado, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy alto, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida.

El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina.

Cuando por culpa de girar muy rápido, o por exceso de velocidad del barco, la presión de la cara anterior de la hélice (la que está más a proa) decae a valores muy pequeños. En estas condiciones, en la zona con depresión se forman burbujas de vapor por culpa del vacío que se ha creado. ¡El agua verdaderamente hierve pero a temperatura ambiente! Cuando las burbujas de vapor que se han creado (por ejemplo en un milisegundo o de forma casi instantánea) salen de esta zona de la hélice y vuelven a una zona con presión normal, se colapsan y se condensan otra vez en líquido. Durante el proceso de condensación este colapso es muy violento produciendo vibraciones ruidos y pérdidas de prestaciones. La cavitación puede estropear fácilmente una hélice, mellando sus bordes de ataque, doblando las palas o picando su superficie.

Cuando existe cavitación en sus aplicaciones, Se perciben los síntomas: sonido alto y seco que le avisa que algo anda mal. Cavitación no es solo aquel sonido fastidioso. A medida que el tiempo pasa, la cavitación desgasta la válvula, destruyéndola lentamente por dentro requiriendo reparaciones que involucran que la válvula quede fuera de servicio y gastos significantes.

Aunque la cavitación es un fenómeno indeseable en la mayoría de las circunstancias, esto no siempre es así. Por ejemplo, la supercavitación tiene aplicaciones militares como por ejemplo en los torpedos de supercavitación en los cuales una burbuja rodea al torpedo eliminando de esta manera toda fricción con el agua. Estos torpedos se pueden desplazar a altas velocidades bajo el agua, incluso hasta a velocidades supersónicas. La cavitación puede ser también un fenómeno positivo en los dispositivos de limpieza ultrasónica. Estos dispositivos hacen uso de ondas sonoras ultrasónicas y se aprovechan del colapso de las burbujas durante la cavitación para la limpieza de las superficies.

SUPERCAVITACION

Propulsar un cuerpo bajo el agua necesita gran cantidad de energía. Desplazándose rápidamente aún consume más energía pues la resistencia al avance del agua contra una superficie sumergida aumenta con la velocidad.
Los ingenieros navales constantemente tratan de mejorar los cascos de los barcos con el objetivo de minimizar la fricción del agua.

Los científicos han hallado una nueva forma de evitar la resistencia al avance del agua, lo que permite desplazarse a alta velocidad. La idea es minimizar la superficie húmeda del cuerpo en movimiento encerrándolo en una burbuja de gas de baja densidad.

La supercavitación es la versión extrema de la cavitación en la que se forma una única burbuja de manera que envuelve el objeto en desplazamiento casi por completo.

Un cuerpo con supercavitación tiene una resistencia extremadamente baja, porque la fricción sobre su superficie es casi inexistente. En lugar de estar rodeado de agua, se rodea del vapor del agua que se forma en la burbuja. Como el vapor tiene una densidad y viscosidad mucho menor que el agua líquida, el cuerpo puede avanzar mucho más rápido.

La supercavitación es difícil de obtener, el cuerpo que quiera usarla debe estar moviéndose a una gran velocidad: al menos 180 km/h, según algunos expertos. Esa es una velocidad muy superior a la que se obtiene en cuerpos que actualmente se mueven en el agua. Por otra parte, la forma de la cabeza también tiene que ser diferente, debería ser chata. Así a grandes velocidades el fluido es forzado a moverse desde el borde de la cabeza con tanta velocidad, en un ángulo especial, que no toca la superficie del cuerpo.

Por eso, en un cuerpo supercavitatorio, solamente la cabeza causa una resistencia significativa, ya que es la única parte que está en contacto real con el agua líquida. Sin embargo, estamos ante una paradoja: cuando más chata sea la cabeza, más alta será la resistencia. Es por eso que hay que conseguir un punto medio, y las mejores cabezas son las que están ligeramente curvadas.

El asunto es que la resistencia general se reduce enormemente una vez que se alcanza un régimen de supercavitación, y luego aumenta linealmente con la velocidad (y no geométricamente). Mucha de la teoría todavía no esta en papel, ya que se trata de cálculos muy complicados.

Bombas y hélices

Desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga

Otro ejemplo de desgaste producido por la cavitación en un rodete de una bomba centrífuga.

Los álabes de un rodete de una bomba o de la hélice de un barco se mueven dentro de un fluido, las áreas de bajas presiones se forman cuando el fluido se acelera a través de los álabes. Cuanto más rápido se mueven los álabes menor es la presión alrededor de los mismos. Cuando se alcanza la presión de vapor, el fluido se vaporiza y forma pequeñas burbujas de vapor que al colapsarse causan ondas de presión audibles y desgaste en los álabes.

La cavitación en bombas puede producirse de dos formas diferentes:

Cavitación de succión
La cavitación de succión ocurre cuando la succión de la bomba se encuentra en unas condiciones de baja presión/alto vacío que hace que el líquido se transforme en vapor a la entrada del rodete. Este vapor es transportado hasta la zona de descarga de la bomba donde el vacío desaparece y el vapor del líquido es de nuevo comprimido debido a la presión de descarga. Se produce en ese momento una violenta implosión sobre la superficie del rodete. Un rodete que ha trabajado bajo condiciones de cavitación de succión presenta grandes cavidades producidas por los trozos de material arrancados por el fenómeno, esto origina el fallo prematuro de la bomba.

Cavitación de descarga
La cavitación de descarga sucede cuando la descarga de la bomba está muy alta. Esto ocurre normalmente en una bomba que está funcionando a menos del 10% de su punto de eficiencia óptima. La elevada presión de descarga provoca que la mayor parte del fluido circule por dentro de la bomba en vez de salir por la zona de descarga, a este fenómeno se le conoce como "slippage". A medida que el líquido fluye alrededor del rodete debe de pasar a una velocidad muy elevada a través de una pequeña apertura entre el rodete y el tajamar de la bomba. Esta velocidad provoca el vacío en el tajamar (fenómeno similar al que ocurre en un venturi) lo que provoca que el líquido se transforme en vapor. Una bomba funcionando bajo estas condiciones muestra un desgaste prematuro del rodete, tajamar y álabes. Además y debido a la alta presión de funcionamiento es de esperar un fallo prematuro de las juntas de estanqueidad y rodamientos de la bomba. Bajo condiciones extremas puede llegar a romperse el eje del rodete.

Plantas
La cavitación puede aparecer en el xilema de las plantas cuando el potencial del agua se hace tan grande que el aire disuelto dentro del agua se expande hasta llenar la célula de la planta. Las plantas generalmente son capaces de reparar los daños producidos por la cavitación, por ejemplo con la presión de bombeo de las raíces, en otro tipo de plantas como las vides la cavitación puede llevarlas a la muerte. En algunos árboles la cavitación es claramente audible.

PRESION DE VAPOR

LA PRESIÓN DE VAPOR

Es la presión a la que a cada temperatura la fase líquida y vapor se encuentran en equilibrio dinámico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado. Esta propiedad posee una relación inversamente proporcional con las Fuerzas de Atracción Intermoleculares, debido a que cuanto mayor sea el módulo de las mismas, mayor deberá ser la cantidad de energía entregada (ya sea en forma de calor u otra manifestación) para vencerlas y producir el cambio de estado.

La presión de vapor es la presión de un sistema cuando el sólido o liquido se hallan en equilibrio con su vapor.Los vapores y los gases, tienden a ocupar el mayor volumen posible y ejercen así sobre las paredes de los recintos que los contienen, una presión también llamada, fuerza elástica o tensión. Para determinar un valor sobre esta presión se divide la fuerza total por la superficie en contacto.

Inicialmente sólo se produce la evaporación ya que no hay vapor; sin embargo a medida que la cantidad de vapor aumenta y por tanto la presión en el interior de la ampolla, se va incrementando también la velocidad de condensación, hasta que transcurrido un cierto tiempo ambas velocidades se igualan. Llegados a este punto se habrá alcanzado la presión máxima posible en la ampolla (presión de vapor o de saturación) que no podrá superarse salvo que se incremente la temperatura.

El equilibrio dinámico se alcanzará más rápidamente cuanta mayor sea la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, pues así se favorece la evaporación del líquido; del mismo modo que un charco de agua extenso pero de poca profundidad se seca más rápido que uno más pequeño pero de mayor profundidad que contenga igual cantidad de agua. Sin embargo, el equilibrio se alcanza en ambos casos para igual presión.

El factor más importante que determina el valor de la presión de saturación es la propia naturaleza del líquido, encontrándose que en general entre líquidos de naturaleza similar, la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del líquido.

PROPIEDADES

La regla de fases establece que la presión del vapor de un líquido puro es función única de la temperatura de saturación. Vemos pues que la presión de vapor en la mayoría de los casos se puede expresar como:

Pvp = f (t)

La cual podría estar relacionada con cualquier otra propiedad intensiva de un líquido saturado ( o vapor), pero es mucho mejor relacionarla directamente con la temperatura de saturación.

¿Cómo se relaciona?

La presión de vapor de un liquido se relaciona con la temperatura por medio de la ecuación de Claussius Clapeyron, sin embargo existen muchas ecuaciones que estudian esta propiedad de los fluidos, pero de todas maneras estas ecuaciones pueden referirse a la ecuación de Clapeyron:

Ln P2/P1 = (DH/R) vaporización (1/T1-1/T2)

Esta ecuación mediante pasos matemáticos, puede convertirse en:

Ln Pvp = A+B/T

ESTIMACION DE VALORES

En intervalos de baja presión: 10 a 1500 mmHg se estima por varios métodos unos de los cuales son:

-.El método de estimación de Frost-Kalkwarf-Thodors, es el mejor para compuestos orgánicos, el cual se hace por medio de Cálculos de tipo iterativo, y arroja un máximo porcentaje de error medio de 5.1%
-.El método de Riedel-Plank-Miller es el mejor para compuestos inorgánicos y además es fácil de usar, este arroja un máximo porcentaje de error medio de 5.2%
-.En intervalos de alta presión: 1500 mmHg hasta la presión critica también existen varios métodos de los cuales mencionare algunos:
-.El método de estimación reducida de Kirchhoff, el cual no es muy exacto pero es muy fácil de usar, este arroja un máximo porcentaje de error medio de 3.2%
-.El método de estimación de Frost-Kalkwarf-Thodors, para intervalos de alta presión también requiere de cálculos iterativos, sin embargo es muy bueno y arroja un máximo porcentaje de error medio de 1.5%

Estos métodos anteriores son métodos trabajados con ecuaciones reducidas para los cuales era necesario conocer tc, pc, tb.. pero existen muchísimos método diferentes tanto con ecuaciones reducidas como con ecuaciones semirreducidas y sin reducir.

Tipo de uso de la presión de vapor

Para mirar un ejemplo de presión de vapor aplicada a tuberías es bueno analizar un poco las plantas productoras de petroquímicos y refinerías, ya que estas requieren de muchos servicios como: vapor de agua (enfriamiento, servicio, proceso), aire de instrumentos, energía eléctrica; para ello estas plantas necesitan grandes sistemas de transformación de energía, y redes de distribución de varios kilómetros, en las cuales se incurre en perdidas de energía. Para lo que es necesario usar expresiones matemáticas para calcular dichas perdidas y llevar a cabo estudios sobre la recuperación de la inversión y la rentabilidad de acciones de ahorro de energía.

Se debe realizar un pequeño análisis de los sistemas de generación y distribución de vapor, principalmente de aquellos que por ser de gran tamaño son muy dinámicos cambiando sus condiciones de operación; flujo, temperatura y presión varias veces al día. Los cambios pueden ser ocasionados por modificación en las condiciones de operación de las plantas de proceso de mantenimiento predictivo o correctivo de los equipos generadores y consumidores de vapor y energía eléctrica, o por cambio de las condiciones atmosféricas. Estos cambios nos proporcionan áreas de oportunidad de ahorro si se mantiene un análisis constante del sistema de generación y distribución de vapor.

En la generación del vapor vemos como las plantas que lo generan, están formadas por dos o tres niveles de presión, los cuales son distribuidos según su uso o según la magnitud de la presión del vapor, de esta forma: para los bloques de generación eléctrica, turbinas para accionar bombas y compresores de plantas de procesos se usa el vapor de mayor presión; para turbogeneradores eléctricos y grandes turbocompresores, se usa por lo general extracciones de vapor media; las turbinas de menor capacidad normalmente descargan a la red de baja presión.

El control de la presión y la temperatura en las redes de distribución de vapor es sumamente importante, ya que excesos de estas presiones pueden causar un desgaste mas acelerado de la tubería y aparte de esto se pueden generar muchas perdidas de energía, lo cual no es conveniente para un proceso en el cual se esta tratando de aprovechar la energía al máximo.

Para controlar estos excesos o simplemente variantes de las presiones y temperaturas adecuadas se tienen controles de los generadores de vapor los cuales mantienen estos factores en los valores ajustados, esta regulación también se lleva a cabo durante todo el proceso ya que en las redes de media y baja presión, también se cuenta con reguladores de presión y temperatura en turbinas y otros aparatos que intervienen en el este.

Ya con estos reguladores en el procesos, se puede decir que cuando las condiciones de presión y temperatura del vapor que llegan a los equipos varían. La demanda de vapor se ajustará dependiendo de la entalpía y otras características del vapor y del salto entalpico disponible, en el caso de las turbinas.

Para mantener el control en los sistemas de distribución de vapor, es necesario llevar una buena administración y una constante revisión de toda la red, a su ves mediante los dato recolectado durante las revisiones periódicas es necesario estar calculando las perdidas de energía ya que estas afecten directamente la eficiencia del proceso, por ultimo es necesario determinar los puntos de ajuste adecuados para la red.

FLOTABILIDAD

FLOTABILIDAD...
Capacidad de flotar basada en el PRINCIPIO DE ARQUIMEDES Y PASCAL.

¿Por qué un trozo de plomo de algunos gramos se hunde en el agua y sin embargo un barco de varias toneladas flota en ella?

El principio de Arquímedes explica la naturaleza de la flotabilidad: "Un cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido experimenta una fuerza ascendente igual al peso del líquido desplazado"


-.El volumen de agua desplazada es idéntico al volumen de la parte sumergida del cuerpo.
-.Un cubo de 1m de arista, totalmente sumergido, desplazará exactamente 1 m3 de agua. Si el peso de este m3 de agua fuese 1,000Kg, entonces el cubo experimentaría una fuerza ascendente de 1,000 Kg.
-.Si el peso del cubo fuese 900 Kg, la fuerza ascendente sería mayor, por lo que el cubo subiría hasta que el peso del agua desplazada sea 900 Kg. El cubo estaría parcialmente sumergido (estaría flotando) y el volumen sumergido desplazaría exactamente 900 Kg de agua. El cubo tiene flotabilidad positiva.
-.Si el peso del cubo fuese 1,000 Kg, la fuerza ascendente sería igual al peso del cubo, por lo que tendría una flotabilidad neutra.
-.Si el cubo pesara 1,100 Kg, la fuerza ascendente sería menor que su peso, por lo que se hundiría. En todo caso, dentro del agua el cuerpo está sometido a la fuerza ascendente de 1,000 Kg, por lo que tendría un peso aparente de solo 100 Kg. El cuerpo tiene flotabilidad negativa.

La formula de Arquímedes queda expresada:

Donde ρf y ρs son respectivamente la densidad del fluido y del sólido sumergido; V el volumen del cuerpo sumergido; y g la aceleracion de la gravedad.

Ya hemos visto que la fuerza ascendente que actúa sobre un cuerpo parcial o totalmente sumergido es igual al peso del líquido desplazado. ¿De qué depende este peso? De la densidad del líquido y del volumen del cuerpo sumergido.

El agua de mar es más densa que el agua dulce, 1ltr de agua de mar pesará más que 1ltr de agua dulce, ya que el agua salada tiene sales disueltas; de hecho en el mar muerto, que es el mas salado del mundo y en el nada vive, es mas fácil flotar por su alta densidad.


IMPORTANCIA DE LA FLOTABILIDAD EN LA VIDA DIARIA


Algunos de los efectos básicos de la flotabilidad son:
· Poder nadar sin hundirse
· Hacer que los barcos floten
· Hacer que los globos con helio suban

La importancia de este principio en la práctica del buceo radica en el concepto de flotabilidad de un cuerpo que de él se deriva. Así, un cuerpo tendrá:

- Flotabilidad negativa: cuando Pa>E, el cuerpo se hundirá en el seno del líquido.
- Flotabilidad neutra: cuando Pa = E,el cuerpo quedará estabilizado a dos aguas.
- Flotabilidad positiva:cuando Pa <>

Primera forma de la ecuación de la hidrostática:
La ecuación arriba es válida para todo fluido ideal (Fluido ideal es aquel fluido cuya viscosidad es nula) y real, con tal que sea incompresible.

Segunda forma de la ecuación de la hidrostática:
La constante C2 se llama altura piezométrica

Tercera forma de la ecuación de la hidrostática:

EXPERIMENTO DE FLOTABILIDAD

Resumen:

Presentaremos una versión casera del experimento denominado como Diablillo de Descartes. Este experimento se basa en los principios de Arquímedes y de Pascal. Consiste en un pequeño recipiente (llamado diablillo) que se encuentra normalmente flotando en el interior de una botella. Sin embargo, al aplicar una presión sobre dicha botella, el diablillo se hunde.

Material necesario

-.El diablillo: Un recipiente abierto tan sólo por un extremo, debe caber por la boca de la botella (ver a continuación). Resultan ideales los frascos de muestra de perfumes, como el mostrado en la figura 1.

-.La botella: Una botella de refrescos o agua de plástico transparente llenado hasta el borde con agua corriente para llenar.
-.Unos brazos fuertes y firmes para presionar la botella una vez llena.

Procedimiento:

1-.Llena la botella de agua completamente hasta rebosar.
2-.Introduce el diablillo (frasco de perfume) vacío (lleno de aire) en la botella con la abertura hacia abajo. Debe realizarse lentamente y con cuidado, de forma que no rebose más agua de la necesaria, ya que si quedan burbujas de aire en la botella será más complicado realizar la experiencia.
3-.Cerrar la botella herméticamente con su tapa. De nuevo, debe tenerse especial cuidado en no dejar burbujas de aire dentro de la botella (fuera del diablillo).
4-.Presionar firmemente los laterales de la botella. Si todo va bien, observaras como el diablillo se llena de agua y se hunde en la botella.

Explicación teórica

La explicación teórica de la experiencia del diablillo de Descartes es, en realidad, muy sencilla. Se basa en dos de los principios más conocidos de la hidroestática, conocidos como principios de Arquímedes y de Pascal. Dichos principios se basan en:

-.Principio de Arquímedes: Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascensional (conocida como empuje), de valor igual al peso del fluido que desaloja, dirigida hacia arriba y aplicada sobre el centro de masas del cuerpo.

-.Principio de Pascal: El incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible, contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo.

Experimento
La botella contiene, prácticamente en su totalidad, únicamente aire. La densidad del aire es, aproximadamente de 1,3 g/l. El agua es algo menos de mil veces más densa, 1000 g/l. Por lo tanto, dado que el aire es mucho menos denso que el agua, el peso del diablillo, incluyendo el peso del recipiente de cristal, es en esta situación menor que el peso del agua desalojada. Por lo tanto, el empuje de Arquímedes es capaz de vencer completamente el peso del diablillo, por lo que lo vemos flotar. De hecho, normalmente la flotabilidad del diablillo en estas circunstancias es tan grande que tiende a pegarse al tapón de la botella. Si la destapamos con cuidado, observaremos que la tendencia natural del diablillo es a flotar con una fracción de masa por encima de la superficie, tal y como sucede con las embarcaciones.
En el cuello del diablillo se crea una superficie de contacto entre el agua de la botella con el aire de su interior. Si se ha llenado correctamente la botella, esta es la única interfaz que aire-agua que contiene la botella.

Sin embargo, al apretar firmemente los laterales de la botella (ver figura 3), estamos sometiendo el contenido a presión extra, que debido al principio de Pascal es transmitida a todas las partes del fluido instantáneamente. Dicha presión no es capaz de comprimir el agua, ya que esta es a efectos prácticos incompresible.

En particular, la presión ejercida se transmite a la interfaz aire-agua dentro del diablillo, y al aire dentro de este. Debido a que el aire si es muy compresible, este reduce su volumen en gran medida. La reducción del volumen del aire se compensa con la entrada de nueva agua dentro del diablillo.

Por tanto, ahora en el interior del diablillo tenemos la misma masa de aire, pero mucha más agua, por lo que el peso total aumenta. Sin embargo, el volumen total del diablillo es el mismo, por lo que el empuje de Arquímedes es constante. Así las cosas, llegará un punto en que el peso del diablillo sea superior al empuje de sustentación, por lo que se hunde hasta el fondo de forma irremediable.

De hecho, es incluso posible conseguir flotabilidad neutra regulando cuidadosamente la presión ejercida. En este caso, podemos observar el diablillo suspendido a media altura. Dado que la densidad del agua no es constante, sino que aumenta levemente con la profundidad, es posible controlar la altura del diablillo variando lentamente la presión ejercida.

Por último, al liberar de repente la presión ejercida sobre la botella, el aire en el interior del diablillo se expande hasta recuperar su volumen original. De esta forma, la flotabilidad del diablillo se ve restablecida, y este vuelve rápidamente a la superficie. De hecho, como se puede observar en el VIDEO, la flotabilidad del diablillo puede llegar a ser tan grande que su ascensión puede ser muy rápida provocando una violenta (y divertida, por que no decirlo) colisión con el cuello de la botella.