LABORATORIO_DE_TERMICA_Y_FLUIDOS_DEPARTA

Vista previa del material en texto

LABORATORIO DE TERMICA Y FLUIDOS
 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
1
PRESENTACION 5%
Práctica 1
EXÁMEN RÁPIDO 10%
FORMATO 10%
CALCULOS 20%
Mecánica de Fluidos
Propiedades Físicas
RESULTADOS 20%
NOMBRE
DISCUSION DE 
RESULTADOS
15%
MATRICULA CONCLUSIONES 20%
PROFESOR
INSTRUCTOR TOTAL 100%
Introducción
Para poder entender conceptos de la estática y dinámica de los fluidos es necesario 
conocer algunas propiedades de éstos. En especial, las propiedades físicas del fluido nos 
ayudan a estudiar su comportamiento como un continuo. En esta práctica se estudiarán las 
propiedades físicas de una sustancia como son: densidad, peso específico, gravedad 
específica y viscosidad. 
Objetivos Conocer y utilizar los aparatos empleados para medir densidad, peso específico, gravedad 
específica y viscosidad, y emplearlos para medir estas propiedades.  Familiarizarse con diversas unidades utilizadas para medir estas propiedades.
Teoría
A. Definiciones de las propiedades físicas de los fluidos:
1.- Densidad absoluta (). Es la cantidad de masa contenida por unidad de volumen. En el 
Sistema Internacional (SI) la densidad se mide en kg/m3, gr/cm3 o slug/ft3.
2.- Densidad relativa (r). Se define como la relación que existe entre la densidad absoluta de 
una sustancia y la de una sustancia de referencia. En el caso de los líquidos la sustancia de 
referencia es el agua a una temperatura de 4C y una presión atmosférica (cercano a las 
condiciones estándar); tratándose de los gases, generalmente se adopta el aire o el hidrógeno a 
condiciones estándar.
r = sustancia / sust. referencia ; r = densidad relativa, adimensional.
3.- Peso específico (). Es el peso del fluido por unidad de volumen. Las unidades en el SI son 
N/m3, o sea kg m/(s2m3).
V/M
g
V
gm
V
Peso  
Donde: = densidad [=] M/L3
M = masa [=] M
V = volumen [=] L3
Donde: = peso específico [=] M/(L2T2); Peso [=] ML/T2
V = volumen [=] L3; m = masa [=] M
g = 9.81 m/s2;  = densidad [=] M/L3
LABORATORIO DE TERMICA Y FLUIDOS
 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
2
4.- Peso específico relativo (r). Se define como la relación que existe entre el peso específico 
de una sustancia y el de una sustancia de referencia. Para la selección de las sustancias de 
referencia se emplean las mismas que se mencionaron en la definición de densidad relativa.
r = sustancia / sust. referencia ; r = peso específico adimensional
El término gravedad específica (SG) se emplea para referenciar a la densidad relativa 
o al peso específico relativo. Nótese que tienen el mismo valor numérico, esto es:
SG = sustancia / sust. referencia = sustancia / sust. referencia
Un fluido es una sustancia que sufre deformación continua cuando se sujeta a un 
esfuerzo cortante. La resistencia a la deformación ofrecida por los fluidos recibe el nombre de 
viscosidad dinámica o absoluta, la cual se define mediante la ley de Newton (la viscosidad 
indica la facilidad con que un fluido fluye cuando actúan fuerzas externas sobre él).
Figura 1. Fluido sometido a un movimiento cortante.
La unidad de viscosidad dinámica en el SI es el N s/m2. En el sistema inglés se utiliza 
lbf-s/ft
2. En el sistema CGS se utiliza el centipoise. Un poise equivale a 1 gr/(cm s), y 1 
centipoise = 1cp = 0.01 poise.
En muchos problemas que involucran viscosidad, se debe relacionar la magnitud de las 
fuerzas viscosas con la magnitud de las fuerzas de inercia, es decir, de las fuerzas que causan 
la aceleración del fluido. Ya que las fuerzas viscosas son proporcionales a la viscosidad  y las 
fuerzas de inercia a la densidad , frecuentemente se involucra esta relación, que es también 
una propiedad de los fluidos llamada viscosidad cinemática, que se define por:
En el SI la viscosidad cinemática se expresa en m2/s y en el sistema inglés en ft2/s. En 
el sistema CGS es el stoke, que es igual a 1 cm2/s.
dy
du 

 
Donde: = esfuerzo cortante [=] F/L2 = viscosidad dinámica del fluido [=] FT/L2 o M/LT
du/dy = gradiente de velocidad [=] T-1
u = velocidad [=] L/T
y = distancia [=] L
Donde: = viscosidad cinemática [=] L2/T = viscosidad dinámica del fluido [=] FT/L2 o M/LT = densidad [=] M/L3
LABORATORIO DE TERMICA Y FLUIDOS
 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
3
B. Instrumentos para medir las propiedades físicas de los fluidos:
1. Densímetro.
Instrumento que se utiliza para medir la densidad relativa de un fluido incompresible. Se 
conforma por un tubo de vidrio delgado, el cual está graduado de manera ascendente de 0.650 
a 1.000 en la parte inferior; esta escala se emplea para líquidos menos densos que el agua y 
para líquidos pesados la escala va de 1.000 a 1.200. Su funcionamiento se basa en el principio 
de Arquímedes, el cual establece que cuando un sólido se sumerge en un líquido sufre una 
aparente pérdida de peso igual al peso del volumen del líquido desalojado.
Al establecer un equilibrio entre el peso y la fuerza debida al peso del líquido desalojado, 
el cuerpo flota; por ello resulta que mientras menos denso sea el líquido en el que flota un 
cuerpo, más se sumergirá.
Figura 2. Densímetro
Utilizando el principio de Arquímedes para el caso del densímetro se obtiene:
Así pues, al introducirse un mismo densímetro en líquidos diferentes, variará el 
volumen de la parte sumergida, y por lo tanto H. La densidad y la altura H son inversamente 
proporcionales, esto es que mientras una aumenta su valor la otra disminuye, precisamente es 
por esto que se puede poner una escala sobre el densímetro que indique directamente el valor 
de la densidad del líquido analizado. 
Fuerzas
Boyantes
Donde:
FB = fuerzas Boyantes [=] F
FW = fuerzas de gravedad (peso del densímetro) [=] Ff = densidad del fluido analizado [=] M/L3
VD = volumen desplazado [=] L
3
mD = masa del densímetro [=] M
At = área transversal del bulbo [=] L
2
g = aceleración de la gravedad = 9.81 m/seg2
H = altura de la parte sumergida del bulbo [=] L
Fy = 0 = FB - FW
FB = FWf VD g = mD gf At H = mDf = mD/( At H)
LABORATORIO DE TERMICA Y FLUIDOS
 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
4
2. Medición de Peso Específico.
Para conocer el valor del peso específico se requiere un recipiente de volumen y peso 
conocidos, llamado picnómetro. Este recipiente tiene una característica especial en su tapa, la 
cual tiene un orificio de alivio de manera que el fluido excedente salga, garantizando así que 
en todas las pruebas vamos a tener el mismo volumen.
Figura 3. Picnómetro.
3. Viscosímetro de Ostwald:
El viscosímetro de Ostwald está clasificado entre los viscosímetros capilares y de 
orificio. Estos consisten en un tubo capilar de diámetro conocido, por el cual se hace fluir el 
líquido que se requiere analizar y por medio de la ecuación de Hagen Poiseuille se relaciona el 
gasto con la viscosidad. Este dispositivo consiste en dos bulbos conectados por un capilar.
Figura 4. Viscosímetro de Ostwald.
Su modo de operar consiste en situar el instrumento en posición vertical, se coloca en 
el mismo un volumen fijo de líquido que se aspira hacia arriba hasta el bulbo superior A. Se 
permite entonces al líquido fluir de retorno y se mide el tiempo que transcurre ente el paso de 
nivel por las marcas M1 y M2. El viscosímetro con el que se cuenta en el laboratorio ya está 
calibrado para determinar la viscosidad cinemática como una simple multiplicación de una 
constante por el tiempo que tarda en pasar de la marca M1 a M2.
 = C t
LABORATORIO DE TERMICA Y FLUIDOS
 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
5
Pero esta constante no es un simple factor para que del resultado adecuado, sino que 
viene de hacer un análisis de fuerzas en el tramo comprendido entre la marca M1 y la marca 
M2, para ello se parte de la ecuación de Bernoulli: 
Reduciendo términos 
Como el régimen de flujo es completamente laminar, podemos determinar el factor de fricción 
que es igual a 64/Re.
Equipo
- Picnómetro - Termómetro 0 - 100C - Báscula
- Viscosímetro de Ostwald - Vaso de precipitado- Cronómetro
- Densímetro - Probeta graduada - Sustancias problema
Bibliografía
[1] Manual del Laboratorio de Térmica y Fluidos, ITESM, 1999.
[2] Marks, Lionel S. et. al.; Manual del Ingeniero Mecánico; McGraw-Hill; 1996
[3] Mott, Robert L. Mecánica de Fluidos Aplicada; 4ª edición; Prentice Hall; 1996.
[4] Perry, John Howard, et. al.; Manual del Ingeniero Químico; McGraw-Hill; 1982
[5] White, Frank M. Fluid Mechanics; 3rd Edition, Mc Graw – Hill; 1994





ReD
Lhg 164
2
1 2V
 







 



2
2 44
8 D
L
DD
Lhg
V
V
V






 





 
L
t
L
Dhg
L
Dhg


48
1
48
22
V 




 
LL
Dhg
C 

48
2
tC 
2
2 f)D/L(P V

Donde: = viscosidad cinemática [=] L2/T
C = constante del viscosímetro [=] L2/T2
t = tiempo [=] T = densidad [=] M/L3
LABORATORIO DE TERMICA Y FLUIDOS
 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
6
Mecánica de Fluidos
Propiedades Físicas de los Fluidos
Fecha: ____________ Equipo: ____________ Grupo:_______________
Nombre:______________________ Matrícula:_____________
A) Procedimiento y Datos Experimentales
1.- Registre las temperaturas, con el termómetro de mercurio, de todas las sustancias que le 
proporcione su instructor.
Sustancia Temperatura [C]
Agua
Alcohol
Glicerina
Aceite
2.- Obtenga las densidades relativas, coloque la primera sustancia en la probeta y 
posteriormente introduzca el densímetro, espere hasta que se equilibre y tome la lectura. Haga 
el mismo procedimiento con las demás sustancias.
Sustancia Gravedad Específica
Agua
Alcohol
Glicerina
Aceite
3.- Determine el peso específico de las sustancias con la siguiente metodología.
a) Pesar el recipiente vacío.
b) Registrar el volumen del recipiente.
c) Pesar el recipiente lleno de la sustancia problema.
d) Evaluar el peso de la sustancia obteniendo una diferencia de los valores 
e) Dividir el valor del peso de la sustancia, generado en el inciso d, entre el volumen del 
recipiente y se obtiene el valor del peso específico ().
I. Peso del picnómetro vacío y seco [g]: ___________________
II. Volumen del picnómetro vacío y seco [cm3]: ____________
Sustancia Peso del picnómetro con la sustancia [g]
Agua
Alcohol
Glicerina
Aceite
LABORATORIO DE TERMICA Y FLUIDOS
 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
7
4.- Para conocer la viscosidad siga el procedimiento que a continuación se muestra:
a) Lea en el instructivo del viscosímetro el valor de la constante C: _____________
b) Llene el viscosímetro con la muestra hasta la mitad del bulbo inferior (bulbo C). Es muy 
importante que siempre lo llene hasta ese nivel para que los resultados sean 
confiables.
c) Con la cantidad de líquido especificada en el inciso anterior, lleve el nivel del fluido 
hasta que cubra el bulbo A.
d) Deje que el líquido se precipite y registre el tiempo que el nivel superior tarda en pasar 
entre las dos marcas (de M1 a M2). Repita el mismo procedimiento con las demás 
sustancias.
Sustancia Tiempo [s]
Agua
Alcohol
Aceite
B) Resultados
1. Densidad de las sustancias:
Sustancia slug/ft3 kg/m3 g/cm3 kg/m3 (software)
Agua
Alcohol
Glicerina
Aceite
2. Peso específico:
Sustancia lbf/ft
3 kgf/m
3 N/m3
Agua
Alcohol
Glicerina
Aceite
3. Viscosidad cinemática:
Sustancia ft2/s m2/s stokes centistokes m2/s (software)
Agua
Alcohol
Aceite
4. Viscosidad dinámica:
Sustancia lbf-s/ft
2 N-s/m2 poise centipoise N-s/m2 (software)
Agua
Alcohol
Aceite
LABORATORIO DE TERMICA Y FLUIDOS
 DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
8
Conclusiones:
1.- Calcula el porcentaje de error obtenido experimentalmente en el laboratorio comparando 
contra los datos obtenidos con el software del texto, para cada líquido.
a) % Error en Densidad = (Dens. Exp – Dens. Real)/Dens. Real Agua ____________ %  Alcohol ___________% Gasolina __________% Aceite ____________%
b) % Error en Viscosidad = (Visc. Exp – Visc. Real)/Visc. Real  Agua ____________%  Alcohol ___________% Aceite ____________%
2.- Formula conclusiones en base al error obtenido en cada líquido.