Guía de estudio de Física: Fluidos, de Universitas Miguel Hernández

UNIVERSITAS Miguel Hernández

GRADO EN FARMACIA

Asignatura: FÍSICA

Año académico: 2024-2025

GUÍA DE ESTUDIO

UNIDAD 2. FLUIDOS

1. Introducción
2. Estática de fluidos
3. Dinámica de fluidos: ideales y reales
4. Fenómenos de superficie
5. Ejercicios y problemas

Objetivos de la unidad

• Distinguir entre sólidos y fluidos revisando los conceptos de temperatura y densidad.
• Estudiar los efectos de las presiones y cambios de temperatura en fluidos.
• Estudiar la variación de presión en el seno de fluidos en reposo. Describir dispositivos para la medida de presiones.
• Introducir el concepto de flujo y estudiar la dinámica de los fluidos en ausencia de fuerzas de rozamiento.
• Introducir el concepto de viscosidad en los fluidos reales y destacar su importancia en la circulación de fluidos en conducciones y en el movimiento de sólidos en el seno de fluidos. Introducir el concepto de tensión superficial y ángulo de contacto. Deducir la ley de Laplace y de capilaridad.
• Diferenciar sustancias hidrófobas e hidrófilas (fenómeno de detergencia)
• Conocer los tipos de adsorción de gases en sólidos. Concepto de isoterma.
• Aplicar a sistemas biológicos los conceptos físicos de hidrostática e hidrodinámica y discutir las características de estos sistemas en base a la interacción superficial.

Bibliografía recomendada

• Física para la ciencia y la tecnología (Cap. 13). P.A. Tipler, G. Mosca. Reverté 2005
• Física para ciencias de la vida (Cap. 3). D. Jou Mirabent, J.E. Llebot, C. Pérez. McGraw-Hill 1994
• Física (Cap. 4, 5, 6 y 10). M. Ortuño. Crítica-Grijalbo 1996
• Fisicoquímica para farmacia y biología (Cap. 20)- P. Sanz Pedrero - Masson, 1996
• Física (Cap. 13, 14 y 15) - J. W. Kane y M. M. Sternheim - Reverté 1996

Departamento de Física Aplicada. Universidad Miguel Hernández

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UNIDAD 2. FLUIDOS

1. INTRODUCCIÓN

Los fluidos juegan un papel importantísimo en nuestras vidas. El aire que llena nuestros pulmones, la sangre que fluye por nuestro cuerpo e incluso la lluvia que cae sobre nosotros son todo fluidos. Los animales transportan nutrientes y eliminan los desechos mediante los fluidos de su sistema circulatorio. Análogamente, el transporte de materiales en las plantas se lleva a cabo mediante fluidos. En el vuelo de las aves y de aviones intervienen movimientos de fluidos, así como en el clima, las olas y las corrientes oceánicas. Comprender bien el comportamiento de los fluidos es entender el funcionamiento de nuestro organismo y nuestras interacciones con el mundo que nos rodea.

Los cuerpos, atendiendo al estado de la materia que los constituye, se clasifican en sólidos, líquidos y gases. Se distinguen macroscópicamente porque los sólidos tienden a mantener su volumen y su forma definidos, los líquidos mantienen definido el Sólido Líquido Gas volumen, pero adoptan la forma del recipiente que los contiene y los gases no mantienen ni el uno ni la otra expandiéndose todo lo posible hasta adquirir el volumen y la forma del recipiente que los contiene.

A escala microscópica, la materia es discontinua, siendo las moléculas las unidades más pequeñas que diferencian unas substancias de las otras. Entre cada par de moléculas aparecen fuerzas de origen eléctrico (Van der Waals y enlace de hidrógeno) cuya intensidad depende de la distancia intermolecular que, en último término, determina el estado de la materia (Ösólidos. < Olíquidos << Ogases).

A pesar de las diferencias, los líquidos y los gases se agrupan bajo el término fluidos por la característica común que tienen ambos de fluir por una conducción. La diferencia entre estos dos tipos de fluidos es que los líquidos son casi incomprensibles, mientras que los gases son compresibles. Aunque un fluido es un sistema de partículas, no es factible describir el estado del fluido a nivel microscópico, debido al elevado número de moléculas que lo forman, sino que se utilizan términos a nivel macroscópico, como la densidad, la presión o la viscosidad.

Concepto de Densidad

• Densidad Cantidad de masa por unidad de volumen. A veces se utilizan valores relativos tomando la densidad de un material como referencia, el agua para sólidos y líquidos, y el aire para los gases. m p = (kg / m3) V P relativa = p' = P Po (adimensional)

Concepto de Presión

• Presión Fuerza por unidad de área que se ejerce perpendicularmente a una superficie, o fuerzas de tracción y compresión (figura 1a). F p = S Pa (pascal)=N/m2 otras unidades: 1 atm=760 mmHg=101325 Pa

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UNIDAD 2. FLUIDOS

Concepto de Viscosidad

• Viscosidad Resistencia a las tensiones de corte (fuerzas paralelas a la superficie), debido al deslizamiento de unas capas sobre otras (figura 1b). En el sistema internacional se mide en pascales por segundo, mientras que en el cegesimal se utiliza el poise (dina s/cm2) en honor al francés que lo descubrió. nagua = 10-3 Pa . s = 1 cp = 10-2 poise La viscosidad de los líquidos disminuye con la temperatura ya que al separarse las moléculas su interacción es menor. En cambio, la de los gases aumenta. Esta dependencia es considerable por lo que es necesario especificar la temperatura a la que se ha medido la viscosidad.

a) b) F F S F 1 S I F .F F S Fig. 1. La fuerza que se ejerce sobre un cuerpo puede ser: (a) perpendicular [tracción y compresión] y (b) paralela [tensión de corte o cizalla] a la superficie sobre la que actúa.

Los fluidos se caracterizan porque presentan una resistencia pequeña, a veces despreciable, a las tensiones de corte, mientras que la resistencia a las deformaciones por tracción y compresión es considerablemente mayor. Además, en el interior de un líquido, cada porción está sometida a las fuerzas correspondientes a la presión del líquido que le rodea, como consecuencia se comprime disminuyendo su volumen y por tanto aumentando su densidad. Ap =- B. AV= B. AP → B, módulo de compresibilidad ( N / m2 ) (*) Nota: Si un cuerpo sólido se sumerge en un fluido también está sometido a fuerzas de este tipo que producen una disminución de su volumen, siendo los líquidos unas 10 veces más compresibles que los sólidos. Sin embargo, en el caso de los gases la relación entre el módulo de compresibilidad y la presión se obtiene experimentalmente. Por ejemplo, el aire contenido en un neumático al principio fácilmente se comprime, pero disminuye a medida que va aumentando la presión.

En este tema nos centraremos en aplicar los principios de mecánica a los fluidos. Sin embargo, como los fluidos no conservan una forma fija y además pueden comprimirse, un análisis completo es muy complicado. Para simplificar las cosas, supondremos que los fluidos son incompresibles (densidad constante). Esta aproximación es buena para la mayoría de los líquidos, pero para los gases solo será aplicable con variaciones de presión y temperatura pequeñas. Además, supondremos que las fuerzas de rozamiento (tensiones de corte) son despreciables. Dicha aproximación es cierta para fluidos en reposo (estático) y también en algunas aplicaciones de los fluidos en movimiento (dinámica de fluidos ideales). Asimismo, discutiremos la importancia de las fuerzas de rozamiento debidas a la viscosidad (dinámica de fluidos reales). Por último, analizaremos algunas propiedades importantes que se deben a las fuerzas intermoleculares en los fluidos (fenómenos de superficie).

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UNIDAD 2. FLUIDOS

2. ESTÁTICA DE FLUIDOS

En este apartado, analizaremos los fluidos incompresibles (densidad aproximadamente constante) en reposo, a partir de la ley fundamental de la hidrostática y los principios de Pascal y Arquímedes.

2.1. LEY FUNDAMENTAL DE LA HIDROSTÁTICA

La presión, en un punto, de un líquido en reposo depende de su profundidad respecto a la superficie libre del líquido. Cada porción de líquido soporta el peso de la columna de líquido que tiene encima (zona rayada en la figura). Si la presión en la superficie es p0 y p a una profundidad h, se tiene que p = po + ™ columna 8 Scolumna = Po + Scolumna Plíq . Vcolumna . g = po + Plig . g . h Po 1 h P Por ejemplo, la presión atmosférica es la correspondiente al aire que rodea la Tierra, pero ésta disminuye con la altura respecto al nivel del mar y, además, depende de la temperatura, así a una temperatura de 0°C tiene un valor de 101325 Pa.

Por tanto, la diferencia de presión entre dos puntos cualesquiera del seno de un líquido viene dada por la ley fundamental de la hidrostática. Para líquidos incompresibles (ideales), en los que la densidad no varía con la presión y, por tanto, es la misma a cualquier profundidad. Mientras que en líquidos reales (pcte.) la densidad varía con la profundidad y en los gases ideales, a temperatura constante, la densidad depende de la presión. Ap = P2 - PI = Plíq .g . (h2 -h1)

Aplicaciones prácticas de la ley fundamental de la hidrostática

(*) NOTA: Aplicaciones prácticas de la ley fundamental de la hidrostática en dispositivos de medida. Estos medidores emplean líquidos de elevada densidad para conseguir diferencias de altura pequeñas, generalmente, mercurio o alcohol.

Barómetro

• Barómetro Utilizado para medir la presión atmosférica. Un extremo se encuentra a presión atmosférica y el otro, está cerrado y a vacío. P =0 Po -0 = Pią . g . h > Po = Plig g . h

Manómetro de tubo abierto

• Manómetro de tubo abierto Utilizado para medir la presión. Un extremo se encuentra a la presión que se quiere medir y el otro a la presión atmosférica, Px - Po = Pliq . g . h > Px = Po + Pliq . g . h presión manométrica => Pm = Px - Po = Pliq . g . h h Patm P. atm P2 h 1

Esfigmomanómetro

• Esfigmomanómetro Utilizado para medir la tensión arterial (tensiómetro). Consiste en un manómetro conectado a un saco de aire en forma de manguito, que se coloca en el brazo del paciente al nivel del corazón. El manguito se infla de aire con una bomba de mano hasta que la presión contra el brazo colapsa la arterial braquial y corta el flujo sanguíneo. Entonces se deja salir el aire lentamente del manguito y se escucha el torrente sanguíneo con ayuda de un estetoscopio colocado justo debajo del manguito, primero fluirá intermitentemente con cada latido (presión máxima = presión cardiaca sistólica), hasta llegar a un flujo continuo (presión mínima = presión diastólica). La presión sanguínea normal en los adultos es de 120 mmHg y 80 mmHg, que abreviadamente se escriben como 12/8.

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