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Principios básicos de Fluídos

Las bombas son dispositivos que gastan energía para levantar, transportar, o comprimir fluidos. Las primeras bombas fueron hechas para elevar el agua. Estas se conocen hoy como ruedas hidráulicas persa y romana, y más la mas sofisticada tornillo de Arquímedes.

Las operaciones de minería de la Edad Media llevaron al desarrollo de la bomba de aspiración o de pistón. Hay muchos tipos de bombas de succión. Estas fueron descritas por  Georgius Agricola en su De re Metallica escrito en 1556 D.C. Una de succión trabaja por presión atmosférica. Esto significa que cuando el pistón se eleva, éste crea un vacío parcial. La presión atmosférica externa entonces fuerza al agua dentro del cilindro. A partir de ahí, se le permite escapar a través de una válvula de salida. La presión atmosférica sólo puede forzar el agua hasta una altura máxima de alrededor de 34 pies (10 metros). Así, la bomba de fuerza se desarrolló para drenar las minas más profundas. El movimiento hacia abajo de la bomba de fuerza, forza el agua hacia afuera a través de una válvula lateral. La altura elevada depende de la fuerza aplicada al pistón.

El fluido se emplea en un sistema cerrado como un medio para provocar el movimiento, ya sea lineal o rotativo. Debido a las mejoras en los sellos, materiales, y técnicas de  mecanizado, el uso de líquidos para controlar movimientos ha aumentado considerablemente en el pasado reciente.

El fluido puede estar o bien en estado líquido o gaseoso. El aire, aceite, agua, oxígeno, y nitrógeno, son ejemplos de fluidos. Todos ellos pueden ser bombeados por dispositivos altamente mejorados de hoy en día.

Física

Una rama de la ciencia que se ocupa de la materia y la energía y sus interacciones en el campo de la mecánica, la electricidad, los fenómenos nucleares, y otros se llama física. Algunos de los principios básicos de fluidos deben ser estudiados para comprender los conceptos de las bombas e hidráulica.

Materia

La materia puede ser definida como cualquier cosa que ocupa espacio, y toda la materia tiene inercia. La inercia es que la propiedad de la materia por la cual la misma se mantendrá en reposo o en movimiento uniforme en la misma línea recta o dirección a menos que actúe sobre la misma una fuerza externa. La materia es cualquier sustancia que pueden ser pesada o medida. La materia puede existir en uno de tres estados:

  • Sólidos (carbón, hierro, hielo)
  • Líquido (aceite, alcohol, agua)
  • Gas (aire, hidrógeno, helio)

El agua es el ejemplo común de una sustancia que existe en cada uno de los tres estados de la materia (véase la Figura 1-1) como hielo (sólido), agua (líquido), y vapor (gas).

Figura 1-1 Los tres estados de la materia: sólido, líquido y gas. Tenga en cuenta que el cambio de estado de sólido a un líquido se llama fusión, y el cambio de estado de líquido a gas se llama vaporización.

Cuerpo

Un cuerpo es una masa de materia que tiene una cantidad concreta. Por ejemplo, una masa de hierro de 3 pulgadas x 3 pulgadas x 3 pulgadas tiene una cantidad definida de 27 pulgadas cúbicas. También tiene un peso definido. Este peso puede ser determinado colocando el cuerpo en una escala (ya sea una escala de palanca o plataforma o una escala de resorte). Si un peso exacto es necesario, una escala palanca o de plataforma debe ser empleada. Dado que el peso depende de la gravedad, y ya que la gravedad disminuye con la altura, la lectura de una escala con resorte varía, como se muestra en la Figura 1-2.

Figura 1-2. Variación en las lecturas de una escala de resorte para diferentes elevaciones.

Energía

La energía es la capacidad para hacer trabajo y vencer la resistencia. Hay dos tipos de energía,  son potencial y cinética (ver Figura 1-3).

La energía potencial es la energía que posee un cuerpo debido a su posición relativa. Por ejemplo, si una bola de acero está suspendido por una cadena, la posición de la bola es tal que si la cadena es cortada, un trabajo puede ser hecho por la bola.

La energía cinética es la energía que tiene un cuerpo cuando se está moviendo con una cierta velocidad. Un ejemplo podría ser una bola de acero rodando por una pendiente. La energía se expresa en las mismas unidades que el trabajo (libras-pie).

Como se muestra en la Figura 1-3, el agua almacenada en un depósito elevado o tanque representa la energía potencial, ya que puede ser utilizada para hacer  trabajo cuando sea liberada a una elevación menor.

Figura 1.3. Energía potencial y energía cinética.

Conservación de la Energía

Es un principio de física de que la energía puede ser transmitida de un cuerpo a otro (o transformado) en sus manifestaciones, pero la energía no se puede crear ni ser destruida. La energía puede ser disipada.

Es decir, se puede convertir en una forma de la cual no puede ser recuperada (el calor que se escapa con el escape de una locomotora, por ejemplo, o el agua condensada de un barco de vapor). Sin embargo, la cantidad total de energía en el universo permanece constante, pero variable en forma.

Experimento de Joule

Este experimento es una ilustración clásica (véase la Figura 1-4) del principio de  conservación de la energía. En 1843, el Dr. Joule de Manchester, Inglaterra, realizó su experimento clásico que demostraba a mundo el equivalente mecánico del calor. Se descubrió que el trabajo realizado por el peso descendente (W en Figura 1-4) no se perdía, sino que aparecía en forma de calor en el agua (la agitación de las paletas al aumentar la temperatura del agua por una cantidad que podía ser medida por un ). De acuerdo a la experiencia de Joule, cuando 772 libras-pie de energía de trabajo se habían gastado en 1 libra de agua, la temperatura del agua había aumentado 1 ºF.

Figura 1-4. El experimento de Joule reveló el equivalente mecánico del calor

Esto se conoce como equivalente de Joule, es decir, 1 unidad de calor es igual a 772 libras-pie (ft-lb) de trabajo.

Los experimentos realizados por el profesor Rowland (1880) y otros ofrecen mayores valores. Un valor de 778 libras-pie es generalmente aceptado, pero 777,5 ft-lb es probablemente más correcto, el valor de 777,52 libras-pie se utiliza por Marks y Davis en sus tablas de vapor. El valor de 778 ft-lb es suficientemente exacto para la mayoría de los cálculos.

Calor

El calor es una forma de energía que es conocida por sus efectos. El efecto del calor es producido por la vibración acelerada de las moléculas. Teóricamente, toda vibración molecular se detiene a -273 ◦ C (conocido como el cero absoluto), y no hay calor formado. Los dos tipos de calor son el calor sensible y el calor latente.

Calor sensible

El efecto de esta forma de calor se indica mediante el sentido del tacto o sentimiento (véase la Figura 1-5).

El calor sensible se mide mediante un termómetro. Un termómetro es un instrumento utilizado para medir la temperatura de los gases, sólidos, y líquidos. Los tres tipos más comunes de los termómetros son líquido en vidrio, eléctrico, y de deformación.

El de líquido en tubo de vidrio generalmente emplea mercurio como líquido, a menos que la temperatura deba descender por debajo del punto de congelación del mercurio, en cuyo caso se utiliza el alcohol. El termómetro de líquido en tubo de vidrio es relativamente barato, fácil de leer, fiable y no necesita mantenimiento. El termómetro consiste en un tubo de vidrio con una pequeña perforación uniforme que tiene un bulbo en la parte inferior y un extremo sellado en la parte superior. El bulbo y la parte del tubo se llena de líquido. Cuando la temperatura aumenta, el líquido en el bulbo y en el tubo se expande y el líquido se eleva en el tubo. Cuando el líquido en el termómetro alcanza la misma temperatura que la temperatura exterior del termómetro, el líquido deja de elevarse.
En 1714, Gabriel Daniel Fahrenheit construyó un termómetro de mercurio del tipo ahora comúnmente en uso.

Figura 1-5. El es un ejemplo del calor sensible

Los termómetros eléctricos son del tipo más sofisticado. Un termopar es un buen ejemplo. Este termómetro mide la temperatura midiendo un pequeño voltaje producido en la unión de dos metales diferentes. Los termómetros eléctricos se fabrican para poder medir temperaturas de hasta 1500 ºC.

Los termómetros de deformación utilizan el principio de que los líquidos aumentan de volumen y de los sólidos aumentan de longitud a medida que aumentan las temperaturas. El termómetro de tubo Bourdon es un termómetro de deformación.

Las temperaturas extremadamente altas son medidas por un pirómetro. Un tipo de pirómetro coincide el color (tal como la del interior de un horno) con las temperaturas conocidas de alambres al rojo vivo.

La Figura 1-6 muestra las escalas de termómetro Fahrenheit, Celsius, y Reaumur . La figura 1-7 ilustra el principio básico de un termopar  pirómetro.

Figura 1-6 Tres tipos de escalas termómetro.

Figura 1-7 Principio básico de un . Un termopar se utiliza para medir  altas temperaturas. En principio, cuando el calor es aplicado a la unión de dos metales diferentes, una corriente de electricidad comienza a fluir en proporción a la cantidad de calor aplicado. Esta corriente es llevada a un medidor y traducida en términos de calor.

Calor latente

Esta forma de calor es la cantidad de calor que se mantiene oculta o escondida dentro de un cuerpo mientras se produce algún cambio en el cuerpo aparte de un aumento en la temperatura.

Cuando el agua a presión atmosférica se calienta a 212 ºF, no se produce un aumento mayor de la temperatura, a pesar de que el suministro de calor continúa. En lugar de un aumento de la temperatura, ocurre la vaporización, y una cantidad considerable de calor debe añadirse al líquido para transformarlo en vapor. El calor total consiste en calores latentes interno y externo. Así, con el agua a 212 ºF y a presión atmosférica, una considerable cantidad de calor se requiere para hacer que el agua comience la ebullición (calor latente interno). El calor adicional que es necesario para hervir el agua se denomina calor latente externo. La Figura 1-8 muestra un ejemplo conocido de calor latente tanto interno como externo.

(A) Calor latente interno - Esperando que el recipiente hierva (B) Calor latente externo - Cuando el recipiente hierve

Figura 1-8 Ámbito doméstico para ilustrar calor el latente interno (izquierda) y externo (derecha).

Unidad de Calor

La unidad de calor es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 libra de agua 1 ºF a la densidad máxima del agua. La unidad térmica británica (abreviado Btu) es el estándar para la medida de calor. Una unidad de calor (Btu) es igual a 252 calorías, que es la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 libra de agua de 62 ºF a 63 ºF.

Suponiendo que no hay pérdida de calor, 180 Btu se requieren para elevar la temperatura de 1 libra de agua de 32 ºF a 212 ºF. Si la transferencia de calor se produce a una velocidad uniforme y si seis minutos se requieren para aumentar la temperatura del agua de 32 ºF a 212 ºF, 1 Btu es transferido al agua en (6 x 60) ÷ 180, ó sea 2 segundos.

Calor específico

Es la razón entre el número de Btu necesarios para elevar la temperatura de una sustancia 1 ºF al número de Btu necesarios para elevar la temperatura de una cantidad igual de agua en 1 ºF. Algunas sustancias se pueden calentar más rápidamente que otras. El metal, por ejemplo, se puede calentar más rápidamente que el vidrio, la madera, o el aire. Si una sustancia dada requiere un décimo de la cantidad de calor para llevarla a una temperatura dada que se requiera para un peso igual de agua, el número de Btu requeridos es de 1/10  (0,1), y su calor específico es de 1/10 (0,1).

Ejemplo

La cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 1 libra de agua 1 ºF es igual a la cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de 8,4 libras de hierro fundido en 1 ºF. Dado que el calor específico de agua es 1,0, el calor específico del hierro fundido es 0,1189 (1,0 ÷ 8,4).

Por lo tanto, el calor específico es la relación entre las dos cantidades de calor. La Tabla 1-1 muestra el calor específico de algunas sustancias comunes.

Tabla 1-1 Calor específico de sustancias comunes

Sólidos   Líquidos  
Cobre 0,0951 Agua 1,0000
Hierro forjado 0,1138 Ácido sulfúrico 0,3350
Vidrio 0,1937 Mercurio 0,0333
Fundición de hierro 0,1298 Alcohol 0,7000
Plomo 0,0314 Benceno 0,9500
Estaño 0,0562 Ether 0,5034
Acero duro  0,1175    
Acero blando 0,1165    
Latón 0,0939    
Hielo 0,5040    

Gases

Tipo A presión constante  A volumen constante
Aire 0.23751 0.16847
Oxígeno 0.21751 0.15507
Hidrógeno 3.40900 2.41226
Nitrógeno 0.24380  0.17273
Amoníaco 0.50800 0.29900
Alcohol 0.45340 0.39900

Transferencia de Calor

El calor puede ser transferido de un cuerpo a otro que esté a una temperatura menor  (véase la figura 1-9) por lo siguiente:

  • Radiación
  • Conducción
  • Convección

Cuando el calor se transmite por radiación, el material caliente (tal como la quema de combustible) produce ondas en el aire. En un horno tipo caldera, el calor se emite por radiación (rayos de calor radiante en líneas rectas en todas las direcciones). El calor se transfiere a la plancha de la corona y los lados del horno por medio de radiación.

Contrariamente a la creencia popular de que el calor se transfiere a través de sólidos por la radiación, el calor se transfiere a través de sólidos (tal como una plancha de caldera) por conducción (véase la figura 1-10). La temperatura de la placa del horno es sólo ligeramente superior a la temperatura del  agua que está en contacto con la placa. Esto es debido a la conductividad extremadamente alta de la placa.

La conducción de calor es el proceso de transferencia de calor de molécula a molécula. Si un extremo de una barra de metal se mantiene en una llama y y el otro extremo en la mano, el extremo en la mano se calentará. La razón de esto es que las moléculas en la barra cerca de la llama se calientan y se mueven rápidamente, golpeando las moléculas próximas a las mismas. Esta acción se repite a lo largo de la barra hasta que el extremo opuesto sea alcanzado. El calor es transferido desde un extremo de la barra al otro por conducción. La conducción depende de las temperaturas desiguales en las diversas partes de un cuerpo dado.

La convección del calor es el proceso de transmisión de calor por medio del movimiento de la materia calentada desde una ubicación a otra. La convección se lleva a cabo en gases y líquidos.

En un lugar calentado por un radiador, el aire al lado del radiador se calienta y se expande. El aire caliente es menos denso que el aire circundante frío. Éste es forzado hacia arriba desde el radiador por el aire más denso y más frío. La mayoría de los sistemas de calefacción del hogar funcionan según el principio de la transmisión de calor por convección.

Figura 1-9 Transferencia de calor por radiación, conducción y convección. Cabe señalar que el aire, no el agua, es el agente de enfriamiento, el agua es sólo el medio para transferir el calor al punto en el que se extrae y es disipado por el aire.

Figura 1.10. Diferencias en la conductividad térmica de diferentes metales

Casi todas las sustancias se expanden con un aumento de la temperatura, y se contraen o se encogen con una disminución de la temperatura. Hay una excepción a esta norma para todos los cambios de temperatura, la excepción es el agua. Es una característica notable de agua que a su densidad máxima (39,1 ºF) el agua se expande cuando se añade calor y que también se expande ligeramente al disminuir la temperatura desde ese punto.

El aumento de calor hace que una sustancia se expanda, debido a un aumento en la velocidad de acción molecular. Puesto que las moléculas se separan más en distancia por sus colisiones violentas más frecuentes, el cuerpo se expande.

La dilatación lineal es la dilatación en una dirección longitudinal de cuerpos sólidos, mientras que la expansión volumétrica es la expansión en el volumen de de una sustancia.

El coeficiente de dilatación lineal de una sustancia sólida es la relación de incremento en la longitud de cuerpo a su longitud original, producida por un aumento de temperatura de 1 ºF.

La expansión y contracción causada por un cambio en la temperatura tiene algunas ventajas, pero también plantea algunos inconvenientes. Por ejemplo, en el lado positivo, los remaches se calientan al rojo vivo para aplicarlos a las vigas de un puente, acero estructural y placas de calderas grandes. A medida que los remaches se enfrían, se contraen, y proporcionan un método sólido de sujeción. Las llantas de hierro se calientan primero y luego se colocan sobre la rueda de un carruaje. A medida que el hierro se enfría, la llanta se contrae y se une a la rueda para que no se salga.

La práctica común es dejar un pequeño espacio entre los extremos de las secciones de acero que se colocan en el extremo final. Esto es para permitir la dilatación y contracción longitudinal. La Tabla 1-2 muestra valores que se pueden utilizar en el cálculo de la expansión lineal.

Algunos de los inconvenientes de la expansión y contracción causada por el cambio de las temperaturas son la formación de altas tensiones, distorsión, desalineación, y problemas en los rodamientos.

Tabla 1-2. Dilatación lineal de los metales comunes (entre 32 ºF y 212 ºF)

Metal Dilatación lineal por unidad de longitud  por grado F
Aluminio 0.00001234
Antimonio 0.00000627
Bismuto 0.00000975
Latón 0.00000957
Bronce 0.00000986
Cobre 0.00000887
Oro 0.00000786
Hierro, fundición 0.00000556
Hierro, forjado 0.00000648
Plomo 0.00001571
Níquel 0.00000695
Acero 0.00000636
Estaño 0.00001163
Zinc, fundición 0.00001407
Zinc, plegado 0.00001407

Expansión volumétrica = 3 veces de expansión lineal.

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