Leyes de los Gases
Procesos Termodinámicos
Los procesos termodinámicos pueden ser:
- Isotérmicos: La temperatura es constante.
- Isobáricos: La presión es constante.
- Isócoros: El volumen es constante.
- Adiabáticos: No hay transferencia de calor.
Los sistemas pueden ser:
- Aislados: No hay transferencia de masa o energía con el entorno.
- Cerrados: No transfieren masa, pero sí energía en forma de calor, trabajo o radiación.
- Abiertos: Transfieren masa y energía con su entorno.
Leyes Fundamentales de los Gases
Ley de Boyle-Mariotte
(P₁ × V₁ = P₂ × V₂) o (P₁ / V₂ = P₂ / V₁)
A temperatura constante, el volumen de una determinada masa de gas es inversamente proporcional a la presión absoluta. El producto de la presión absoluta y el volumen es constante para una misma masa de gas. Cuando aumenta la presión, el volumen disminuye y viceversa.
Ley de Charles
(V/T) o (V₁/T₁ = V₂/T₂ = V₃/T₃)
A presión constante, el volumen ocupado por una masa dada de gas es directamente proporcional a su temperatura absoluta. Cuanto más se comprime un gas, más aumenta su temperatura. El coeficiente de dilatación de los gases a presión constante es de 1/273ºC.
Ley de Gay-Lussac
(P/T) o (P₁/T₁ = P₂/T₂ = P₃/T₃)
Al aumentar la temperatura, las moléculas del gas se mueven más rápido, aumenta el número de choques contra las paredes, aumentando la presión. El cociente entre la presión y la temperatura es el mismo. Si sube la temperatura, sube la presión, y si baja la temperatura, también baja la presión.
Ley de Avogadro
(V/n) o (V₁/n₁ = V₂/n₂)
Dos gases del mismo volumen, a igual presión y temperatura, deben tener el mismo número de moléculas. Cada molécula debe tener la misma masa. N = masa / Masa Molar.
Ley de los Gases Ideales
(P × V / n × R × T) o (P₁ × V₁ / n₁ × T₁ = P₂ × V₂ / n₂ × T₂)
Un gas ideal se basa en que la presión de un gas sobre las paredes del recipiente que lo contiene, el volumen que ocupa, la temperatura a la que se encuentra y la cantidad de sustancia que contiene están relacionados. Se basa en que los gases están formados por moléculas con movimiento aleatorio, el volumen de las moléculas es despreciable en comparación con el volumen total ocupado por el gas (P × V = nRT), las fuerzas intermoleculares son insignificantes, y la presión es resultado del choque del gas con las paredes.
Leyes de los Líquidos
Propiedades de los Líquidos
Los líquidos poseen diversas propiedades:
- Isotropía: Las sustancias isótropas presentan siempre el mismo comportamiento, independiente de la dirección.
- Movilidad: Los fluidos carecen de forma propia, por lo que se amoldan al recipiente.
- Viscosidad: Resistencia a la deformación, siendo las tensiones proporcionales a las velocidades de deformación.
- Compresibilidad: Los líquidos disminuyen su volumen al estar sometidos a incrementos de presión positivos; son poco compresibles.
Los fluidos perfectos tienen: isotropía, movilidad, fluidez perfecta y compresibilidad nula.
Hidrostática
Presión Hidrostática
(Pa – Pb = ρ × g × (ha – hb))
Si sumergimos un cuerpo en un fluido, la presión ejercida es proporcional a la profundidad a la que este se encuentra. La diferencia de presión entre dos puntos de un líquido en equilibrio es igual al peso específico de ese líquido por la altura entre ambos puntos. Un cuerpo dentro de un fluido experimenta fuerzas perpendiculares a la superficie del cuerpo.
Principio de Pascal
(P = P₀ + ρgh) o (P = F/S) o (F₁/S₁ = F₂/S₂) o (F₂ = S₂ × F₁ / S₁) o (F₂ = m × g) o (F₁ = m × g × S₁ / S₂ = m × g × (R₁/R₂)²)
La presión ejercida sobre un fluido estático, incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente indeformable, se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido. La intensidad es constante.
Principio de Arquímedes
(E = m × g = ρ × g × V)
Un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, recibe un empuje de abajo hacia arriba igual al peso del volumen del fluido que desaloja. Esta fuerza se mide en Newtons (N).
Condiciones de Flotación
- Cuando el peso es mayor que el empuje, el cuerpo se hunde.
- Si el peso y el empuje son iguales, el cuerpo se queda en equilibrio (flota a nivel).
- Si el peso es menor que el empuje, el cuerpo flota.
Procedimiento para medir densidad relativa
Pesar un objeto en el aire (W1), pesarlo en el agua (W2) y en un líquido desconocido (W3). La densidad relativa (d) se calcula como: d = (W1 – W3) / (W1 – W2).
Hidrodinámica
Ecuación de Continuidad
(v₁ × A₁ = v₂ × A₂) o (v₁ / v₂ = A₂ / A₁)
La masa de un fluido que entra por el extremo de un tubo debe salir por el otro. Se usa para analizar fluidos que fluyen por tubos con diámetro variable, donde la velocidad del flujo cambia debido a la sección del conducto.
Ecuación de Bernoulli o Conservación de la Energía
(½ × ρ × v² + P + ρgy = constante)
Describe el comportamiento de un fluido moviéndose por una corriente, expresando que en un fluido ideal en régimen de circulación por un conducto cerrado, la energía que posee el fluido es constante en su recorrido.
Supuestos para la Ecuación de Bernoulli
- Viscosidad nula (fluido ideal).
- Caudal constante.
- Flujo incompresible (donde ρ es constante).
- La ecuación se aplica en un flujo irrotacional.
(W = W₁ + W₂ = (P₁ – P₂) × volumen considerado)
Tubo de Venturi
Es una cavidad de sección S1 por la que circula un fluido y que se estrecha en una parte, teniendo una sección S2 (S2 < S1). Consiste en que un fluido en movimiento dentro de un conducto cerrado disminuye su presión al aumentar la velocidad después de pasar por una zona de menor sección.
Ley de Torricelli
(v = √(2gh))
Si tenemos un fluido dentro de un recipiente que no está tapado y se le hace un orificio, la velocidad con la que caerá el fluido será v.
Fluidos Usados en Neumática
Aire Comprimido
Es un gas que se caracteriza por su fluidez, compresibilidad y elasticidad.
Humedad Absoluta y Relativa
Se caracteriza por Humedad Absoluta (contenido de vapor de agua) o Humedad Relativa (el aire se satura y llega al punto de rocío). HR = (contenido real de agua / cantidad de saturación) × 100%.
El Punto de Rocío
(HS = 0,625 × Presión de vapor / (P – Pa) = Habsoluta)
Es la temperatura a la cual el aire alcanza el punto de saturación, a partir de la cual se produce enfriamiento del aire. El vapor de agua comienza a condensarse en forma de agua líquida.
- Inferior a 100%: aire seco.
- = 100%: aire saturado.
- > 100% con líquido: produce nieblas.
Fluidos Usados en Hidráulica
Los fluidos hidráulicos lubrican, minimizan fugas y pérdida de carga.
Características de los Fluidos Hidráulicos
- Punto de fluidez según la temperatura.
- Compresibilidad (debe ser baja).
- Poder antiespumante y antiemulsivo (para separar el aceite del agua).
- Resistencia al envejecimiento.
- Punto de congelación.
- Punto de anilina (para evaluar la compatibilidad con los materiales de las juntas).
- Punto de inflamación (ej. 175ºC) y autoinflamación.
- Temperatura de funcionamiento.
- Untuosidad (para adherirse a las superficies metálicas que necesitan lubricación).
- Viscosidad (depende del rendimiento de la instalación, las pérdidas de carga y la durabilidad de los componentes). Si es elevada, aumenta la fricción; si es baja, aumentan las fugas internas, disminuyendo la eficiencia de la bomba.
- Resistencia a la cizalladura molecular.
- Anticorrosividad.
- Estabilidad química elevada (para evitar oxidación).
- Acidez.
Propiedades de un Buen Fluido Hidráulico
- Viscosidad apropiada.
- Variación mínima de viscosidad con la temperatura.
- Baja compresibilidad.
- Estabilidad frente al cizallamiento.
- Inerte frente al material de las juntas.
- Buena resistencia a la oxidación.
- Estabilidad térmica e hidrolítica.
- Anticorrosivo.
- Antiespumantes.
- Buena demulsibilidad (capacidad de separarse del agua).
- Ausencia de acción nociva.
Aditivos en Fluidos Hidráulicos
Se usan para mejorar las cualidades básicas e incluir inhibidores (como anticorrosivos).
Tipos de Fluidos Hidráulicos
- Derivados del petróleo.
- Resistentes al fuego sintéticos o HFD (fluidos de silicona o clorados aromáticos; están libres de aceite mineral).
- De base acuosa o HFC (agua-glicol), emulsiones de agua en aceite HFB o de aceite en agua HFA.
- HV: Basados en aceite mineral y poseen alto índice de viscosidad.
- HG: Hidráulicos y guías, con aditivos anti stick-slip.
- HLP: Similar a HL, con mayor resistencia al desgaste.
- HL: Protección anticorrosiva y resistencia al envejecimiento, depresores del punto de congelación y antiespumantes.