Principios Fundamentales de la Termodinámica y Mecánica de Fluidos

Principios de la Mecánica de Fluidos

Principio de Pascal: La presión aplicada a un fluido contenido en un recipiente se transmite íntegramente a toda porción de dicho fluido y a las paredes del recipiente que lo contiene.

Vasos comunicantes: En un mismo líquido, la presión es directamente proporcional a la profundidad y, además, la presión es la misma en todos los puntos de una línea horizontal.

Principio de Arquímedes: Todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta un empuje ascensional igual al peso del fluido desalojado.

Regímenes de las Corrientes Fluidas

De Bernoulli: Fluido no viscoso, sin rozamiento interno. Líneas de corriente: todas a igual velocidad. Sin pérdidas de energía mecánica.

Laminar: Viscoso. Hay rozamiento interno entre las diferentes capas del fluido a causa de la viscosidad. Las líneas de corriente tienen velocidades diferentes; son más rápidas las centrales. Hay pérdidas de energía mecánica.

Turbulento: Viscoso. El rozamiento interno es elevado. Las líneas de corriente se entrecruzan. Las pérdidas de energía mecánica son importantes.

Tensión Superficial y Fenómenos Relacionados

Tensión superficial: Es la fuerza que se ejerce en la superficie de los líquidos por unidad de longitud del material en contacto con el líquido. Es el trabajo necesario para incrementar la superficie de un líquido en la unidad de superficie.

Ángulo de contacto: Es el ángulo que forma la pared del recipiente sólido (que esté en contacto con el líquido) con la tangente a la superficie del líquido. Depende del sólido-líquido de que se trate, de lo lisa y limpia que esté la superficie, del gas que hay encima del líquido.

Agentes humectantes:

• Agua pura sobre parafina: La parafina no se moja.
• Agua pura + agente humectante sobre parafina: Parte hidrófila del agente se adhiere a la superficie del agua. Parte hidrófoba del agente se aparta de la superficie del agua y es atraída por la parafina.

Interacciones y Propiedades Termométricas

Interacciones:

• Térmica: Se igualan las temperaturas de los dos sistemas.
• Mecánica: Se igualan las presiones de los dos sistemas.
• Másica: Se igualan las concentraciones de los dos sistemas.

Propiedad termométrica y temperatura: Es una propiedad física que varía con la adición o extracción de calor de un cuerpo (cuando varía la temperatura del cuerpo). Un cambio en la propiedad termométrica indica que ha habido un cambio en la temperatura del termómetro y, en consecuencia, en el objeto en contacto térmico con él.

Principios y Leyes de la Termodinámica

Principio Cero de la Termodinámica: Si dos objetos están en equilibrio térmico con un tercero (a), entonces están en equilibrio térmico entre sí (b). Teoría cinética de los gases: P, V, T son propiedades macroscópicas. Conocer las coordenadas y velocidad de las moléculas sería conocer sus propiedades microscópicas. Relaciona la descripción macroscópica con promedios sencillos de las magnitudes microscópicas.

Cantidad de calor (Q): Es la energía que se transfiere de un objeto a otro debido a una diferencia de temperaturas entre ellos.

Calor específico: Energía térmica necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de agua en 1º Celsius.

Capacidad calorífica: Energía térmica necesaria para elevar la temperatura de una sustancia en 1º Celsius.

Primera Ley de la Termodinámica: El calor neto añadido a un sistema es igual a la variación de energía interna del mismo más el trabajo realizado por el sistema.

Enunciado de Kelvin: Es imposible extraer calor de un sistema a una sola temperatura y convertirlo en trabajo mecánico sin que el sistema o los alrededores cambien de algún modo.

Enunciado de Clausius: No es posible ningún proceso espontáneo cuyo único resultado sea el paso de calor (energía térmica) de un objeto a otro de mayor temperatura.

Segunda Ley de la Termodinámica: Es imposible que una máquina térmica trabaje cíclicamente sin producir otro efecto que extraer calor de un solo foco realizando una cantidad de trabajo exactamente equivalente.

Aplicaciones y Fenómenos Térmicos

Cintas bimetálicas: Una cinta bimetálica consta de dos metales soldados entre sí, pero cuando se calienta o se enfría, los dos metales se dilatan o contraen en cuantías diferentes porque tienen coeficientes de dilatación diferentes. Uno se alarga más que el otro, pero al estar soldados, no le queda más remedio a la cinta bimetálica que curvarse. Aplicación: termostatos con biláminas en los circuitos eléctricos; micrótomo y ultramicrótomo.

Mecanismos de Transferencia de Calor

Conducción: La energía térmica se transmite por conducción como consecuencia de las interacciones entre los átomos y las moléculas, aunque no exista transporte de las mismas. Es necesaria la presencia de un material: sólido, líquido o gas.

Ley de Fourier: Es necesario que los extremos del cuerpo tengan diferente temperatura y que T1 > T2 para que la energía térmica, o calor, fluya del extremo caliente al frío a través de la superficie en el recorrido. Materiales aislantes:

• Lana de roca
• Espuma de poliestireno
• Espuma celulósica
• Espuma de polietileno
• Espuma de poliuretano
• Espuma elastomérica
• Ladrillos de plásticos

Convección: El calor se transporta mediante un transporte directo de una masa caliente de fluido. Supone la presencia de corrientes de convección en el interior de los fluidos. Las masas de fluidos a baja temperatura reemplazan a las masas de fluido que están a mayor temperatura y que son las que están en contacto con el foco calorífico. Las masas calientes son menos densas y ascienden. Es necesaria la presencia de un medio material.

Radiación: Todo cuerpo emite radiación, en forma de ondas electromagnéticas, por el simple hecho de tener una temperatura. No necesita un medio material para propagarse. La cantidad de radiación emitida depende de la temperatura del cuerpo y será más intensa cuanto mayor sea la temperatura.

Cuerpo negro: Es aquél que absorbe toda la radiación que le llega. Luego también emitirá todo. Tiene una emisividad e=1.

Ley de Stefan-Boltzmann: Un cuerpo radiante que se encuentra a una temperatura T, emite una cantidad de energía térmica por unidad de tiempo que depende de su temperatura T, de la superficie emisora A, del tipo de cuerpo a través de la emisividad e y de una constante universal S.

Ley de Newton de enfriamiento: La velocidad de enfriamiento de un cuerpo es aproximadamente proporcional a la diferencia de temperatura entre el cuerpo y sus alrededores, depende de la variación de Tº.

Flujo de energía radiante (F): Es la energía radiada por un cuerpo en la unidad de tiempo, independientemente de la composición espectral de la energía.

Intensidad de emisión (I) o poder emisivo monocromático (E): Es la energía radiante emitida a una longitud de onda dada por unidad de tiempo, unidad de superficie y unidad de intervalo de longitud de onda. En el sistema internacional se mide en Wm^-3.

Poder emisivo total: Es la energía radiada por unidad de tiempo y unidad de superficie del cuerpo. Se mide en W m^-2.

Ley de desplazamiento de Wien: Un cuerpo negro a una temperatura dada emite para cada longitud de onda una potencia de radiación.

Constante solar: Es la cantidad de energía recibida en forma de radiación solar por unidad de tiempo y unidad de superficie, medida en la parte externa de la atmósfera en un plano perpendicular a los rayos.