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Convección Natural
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La convección natural es gatillada por la gravedad. Zonas de menor temperatura, en que la masa se ha contraído y es por ello mayor, tiende a bajar desplazando una masa de mayor temperatura que al dilatarse es menos densa y por ello es mas liviana.
ID:(1167, 0)
Diferentes viscosidades
Descripción
La viscosidad ejerce un efecto fundamental en el comportamiento de un fluido, como se puede apreciar en los siguientes tres ejemplos:
ID:(7068, 0)
Número de Grashof
Ecuación
El número de Grashof describe la inestabilidad de un flujo de convección y se relaciona con el número de Reynolds para una velocidad del orden de
| $ v =\displaystyle\frac{ g }{ \eta }( \rho_b - \rho_m ) h ^2$ |
Su expresión es
 $ Gr =\displaystyle\frac{ \rho ^2 g \alpha }{ \eta ^2}( T_b - T_t ) h ^3$ |
ID:(9041, 0)
Número de Reynold
Ecuación
El criterio clave para determinar si un medio es laminar o turbulento es el llamado numero de Reynold que compara la energía asociada a la inercia con aquella asociada a la viscosiadad. La primera depende de la densidad del líquido ($\rho_w$), la velocidad máxima ($v_{max}$) y la dimensión típica del sistema ($R$) mientras que la segunda de la viscosidad ($\eta$) con lo que se define:
| $ Re =\displaystyle\frac{ \rho R v }{ \eta }$ |
La inercia de un medio puede entenderse como proporcional a la densidad de la energía cinética, dada por:
$\displaystyle\frac{\rho_w}{2}v^2$
donde la densidad del líquido ($\rho_w$) y la velocidad media del fluido ($v$) son.
Si consideramos la fuerza viscosa ($F_v$) como:
$F_v=S\eta\displaystyle\frac{v}{R}$
donde la sección o superficie ($S$), la viscosidad ($\eta$), la velocidad media del fluido ($v$) y la dimensión típica del sistema ($R$) son propiedades del medio.
Recordemos que la energía es igual a la fuerza viscosa ($F_v$) multiplicada por el distancia recorrida ($l$). La densidad de la energía perdida por viscosidad será igual a la fuerza multiplicada por la distancia dividida por el volumen $S l$:
$\displaystyle\frac{F_vl}{Sl}=S\eta\displaystyle\frac{v}{R}\displaystyle\frac{l}{Sl}=\eta\displaystyle\frac{v}{R}$
Por lo tanto, la relación entre la densidad de la energía cinética y la densidad de la energía viscosa es igual a un número adimensional conocido como el número de Reynold ($Re$). Si el número de Reynold ($Re$) es varias órdenes de magnitud mayor que uno, la inercia domina sobre la fuerza viscosa y el flujo se vuelve turbulento. Por otro lado, si el número de Reynold ($Re$) es pequeño, la fuerza viscosa domina y el flujo es laminar.
| $ Re =\displaystyle\frac{ \rho R v }{ \eta }$ |
El artículo original en el que Osborne Reynolds introduce el número que lleva su nombre es:
Investigación Experimental de las Circunstancias que Determinan si el Movimiento del Agua Debe Ser Directo o Sinuoso, y de la Ley de Resistencia en Canales Paralelos ("An Experimental Investigation of the Circumstances Which Determine Whether the Motion of Water Shall Be Direct or Sinuous, and of the Law of Resistance in Parallel Channels"), por Osborne Reynolds, publicado en Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 174, pp. 935-982 (1883).
ID:(3177, 0)
Relación de mezcla de vapor de agua con aire
Ecuación
La relación de mezcla del vapor de agua con el aire se define como la relación de las masas de cada componente presentes en un volumen:
$\displaystyle\frac{M_v}{M_a}=\displaystyle\frac{n_vM_{mol,v}}{n_aM_{mol,a}}=\displaystyle\frac{p_v}{p_a}\displaystyle\frac{M_{mol,v}}{M_{mol,a}}\sim 0.01$
Donde $M_v$ y $M_a$ son las masas de vapor de agua y aire respectivamente, $n_v$ y $n_a$ son las moles de vapor de agua y aire, $M_{mol,v}$ y $M_{mol,a}$ son las masas molares de vapor de agua y aire, $p_v$ y $p_a$ son las presiones relativas de vapor de agua y aire, y $r$ es la relación de mezcla. Por ello se tiene que es
| $ r =\displaystyle\frac{ M_v }{ M_a }$ |
En el caso específico del vapor de agua en el aire, la relación de mezcla es proporcional a las presiones relativas, que se pueden cuantificar utilizando la presión de vapor de agua $p_v\sim 1500 Pa$ y la presión del aire $p_a\sim 10^5 Pa$. Al aplicar la ecuación de los gases y la definición de la masa molar, se obtiene que la relación de mezcla es aproximadamente $0.01$. Esto significa que la cantidad de vapor de agua en comparación con el aire es baja en condiciones normales.
ID:(7069, 0)
Turbulencias generadas por un Cigarrillo
Descripción
Un cigarrillo presenta un extremo incandescente que calienta el aire en su entorno. Además, el humo expulsado permite visualizar el movimiento del aire. El calentamiento provoca una expansión del aire, lo que resulta en una reducción de la densidad y, por lo tanto, genera una fuerza de sustentación. Es por eso que el humo comienza a ascender de manera laminar, lo que crea las líneas características que se observan.
Durante este proceso, el gas comienza a enfriarse, pierde sustentación y algunas zonas comienzan a ascender más lentamente, obstruyendo el flujo ascendente del aire. Esta obstrucción provoca la formación de turbulencias y las mismas zonas que ascienden más lentamente comienzan a girar, formando parte de los remolinos que se observan en esa área.
ID:(1654, 0)
Velocidad en convección
Ecuación
La velocidad media de un flujo turbulento en convección se puede modelar en función de la fuerza de sustentación que genera la variación en la densidad debido al calor mediante la ecuación:
| $ v =\displaystyle\frac{ g }{ \eta }( \rho_b - \rho_m ) h ^2$ |
ID:(9042, 0)