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Aplicaciones de aislantes térmicos

Ropa

El propósito de la ropa es similar. Las propiedades aislantes de la ropa provienen de las propiedades aislantes del aire. Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con los líquidos y los sólidos, y por lo tanto son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección. Sin ropa, nuestros cuerpos en aire quieto calentarían el aire en contacto directo con la piel y pronto se volverían razonablemente cómodos porque el aire es un muy buen aislante. Debe agregarse, también en este caso el aire fluirá debido a la convección natural. En convección natural , el aire que rodea un cuerpo recibe calor y por expansión térmica.se vuelve menos denso y se eleva. La expansión térmica del aire juega un papel crucial. En otras palabras, los componentes más pesados ​​(más densos) caerán, mientras que los componentes más ligeros (menos densos) se elevarán, lo que provocará un movimiento de aire a granel.

En el viento, el aire cálido que rodea nuestro cuerpo sería reemplazado por aire frío, aumentando así la diferencia de temperatura y la pérdida de calor del cuerpo. La ropa constituye una barrera para este aire en movimiento. El principal beneficio es la ausencia de convección a gran escala. Además, la ropa está hecha de materiales, que generalmente son buenos aislantes. Muchos materiales aislantes (por ejemplo, lana) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala . La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

Aislamiento de edificios

Para minimizar las pérdidas de calor en la industria y también en la construcción de edificios, el aislamiento térmico es ampliamente utilizado. El propósito del aislamiento térmico es reducir el coeficiente general de transferencia de calor agregando materiales con baja conductividad térmica. El aislamiento térmico en los edificios es un factor importante para lograr el confort térmico de sus ocupantes. El aislamiento térmico reduce la pérdida de calor no deseada y también reduce la ganancia de calor no deseada. Por lo tanto, el aislamiento térmico puede disminuir las demandas de energía de los sistemas de calefacción y refrigeración. Debe agregarse, no hay material que pueda evitar por completo las pérdidas de calor, las pérdidas de calor solo se pueden minimizar.

Del mismo modo que para la ropa, el aislamiento térmico se basa en materiales de baja conductividad térmica y en su geometría (por ejemplo, ventanas de doble panel). Las propiedades aislantes de estos materiales provienen de las propiedades aislantes del aire. Muchos materiales aislantes (por ejemplo, lana) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala . La geometría de estos materiales también juega un papel crucial. Por ejemplo, aumentar el ancho de la capa de aire, como usar dos paneles de vidrio separados por un espacio de aire, reducirá la pérdida de calor más que simplemente aumentar el espesor del vidrio, ya que la conductividad térmica del aire es mucho menor que la del vidrio. .

Propiedades de los materiales de aislamiento.

El aislamiento térmico se basa en el uso de sustancias con muy baja conductividad térmica y baja emisividad superficial. Es importante tener en cuenta que los factores que influyen en el rendimiento pueden variar con el tiempo a medida que el material envejece o cambian las condiciones ambientales. Las propiedades clave de los materiales de aislamiento son:

• La conductividad térmica . La conductividad térmica,  medida en W / mK describe qué tan bien un material conduce el calor. Tenga en cuenta que la ley de Fourierse aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gaseoso), por lo tanto, también se define para líquidos y gases. Es la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de espesor dado (en metros) debido a una diferencia de temperatura. Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor y, por lo tanto, mayor será la efectividad del aislamiento. En general, los gases tienen una baja conductividad térmica (por ejemplo, el aire tiene 0.025 W / mK) mientras que los metales tienen valores altos (por ejemplo, el cobre tiene 400 W / mK). Los aislantes de uso común tienden a tener una conductividad térmica entre 0.019 W / mK y 0.046 W / mK.
• Valor R – Resistencia térmica . El valor R (factor de aislamiento térmico) es una medida de resistencia térmica. Cuanto mayor sea el valor R, mayor será la efectividad aislante. El aislamiento térmico tiene las unidades [(m ² .K) / W] en unidades SI o [(ft ² · ° F · hr) / Btu] en unidades imperiales. Es la resistencia térmica del área unitaria de un material. El valor R depende del tipo de aislamiento, su grosor y su densidad. Se requiere un área y una diferencia de temperatura para resolver el calor transferido. La industria de la construcción utiliza unidades como el valor R (resistencia), que se expresa como el grosor del material normalizado a la conductividad térmica, y bajo condiciones uniformes es la relación de la diferencia de temperatura a través de un aislante y la densidad de flujo de calor a través de él: R (x) = ∆T / q. Cuanto mayor sea el valor R, más impedirá el material la transferencia de calor. Como se puede ver, la resistencia depende del grosor del producto.
• Valor U – Transmitancia térmica .  La transmitancia térmica describe qué tan bien el material conduce el calor.  La transmitancia térmica es la inversa del valor R (es decir, 1 / R) y cuanto menor sea el valor U, mejor será el aislamiento. El valor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton.
• Emisividad superficial . Como se escribió, la transferencia de calor a través de cualquiera de estos sistemas de aislamiento puede incluir varios modos: conducción a través de los materiales sólidos, conducción o convección a través del aire en los espacios vacíos e intercambio de radiación entre las superficies de la matriz sólida. Por lo tanto, la emisividad de un material juega también un papel muy importante. La emisividad, ε , de la superficie de un material es su efectividad en la emisión de energía como radiación térmica.y varía entre 0.0 y 1.0. La emisividad es simplemente un factor por el cual multiplicamos la transferencia de calor del cuerpo negro para tener en cuenta que el cuerpo negro es el caso ideal. La superficie de un cuerpo negro emite radiación térmica a una velocidad de aproximadamente 448 vatios por metro cuadrado a temperatura ambiente (25 ° C, 298,15 K). Los objetos reales con emisividades inferiores a 1.0 (p. Ej., Papel de aluminio) emiten radiación a tasas proporcionalmente más bajas (p. Ej. 448 x 0.07 = 31.4 W / m ² ).
• Resistencia al fuego . Los materiales aislantes térmicos deben tener una clasificación de resistencia al fuego. Esta clasificación es importante porque puede influir en la aplicación de materiales aislantes. Normalmente, la clasificación de resistencia al fuego es seguida por un límite de tiempo en minutos 15, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240 o 360 que muestra el tiempo que se cumplen los criterios de rendimiento durante una prueba de fuego estandarizada.

Materiales de aislamiento

Como se escribió, el aislamiento térmico se basa en el uso de sustancias con muy baja conductividad térmica . Estos materiales se conocen como materiales aislantes . Los materiales de aislamiento comunes son lana, fibra de vidrio, lana de roca, poliestireno, poliuretano, plumas de ganso, etc. Estos materiales son muy malos conductores de calor y, por lo tanto, buenos aislantes térmicos.

Debe agregarse, el aislamiento térmico se basa principalmente en la muy baja conductividad térmica de los gases. Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con líquidos y sólidos, y por lo tanto son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma ). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección . Por lo tanto, muchos materiales de aislamiento (por ejemplo, poliestireno) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala . En todos los tipos de aislamiento térmico, la evacuación del aire en el espacio vacío reducirá aún más la conductividad térmica general del aislante.

La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

Materiales de aislamiento

Como se escribió, el aislamiento térmico se basa en el uso de sustancias con muy baja conductividad térmica . Estos materiales se conocen como materiales aislantes . Los materiales de aislamiento comunes son lana, fibra de vidrio, lana de roca, poliestireno, poliuretano, plumas de ganso, etc. Estos materiales son muy malos conductores de calor y, por lo tanto, buenos aislantes térmicos.

Debe agregarse, el aislamiento térmico se basa principalmente en la muy baja conductividad térmica de los gases. Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con líquidos y sólidos, y por lo tanto son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma ). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección . Por lo tanto, muchos materiales de aislamiento (por ejemplo, poliestireno) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala . En todos los tipos de aislamiento térmico, la evacuación del aire en el espacio vacío reducirá aún más la conductividad térmica general del aislante.

La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

Cabe señalar que las pérdidas de calor de los objetos más calientes se producen por tres mecanismos (individualmente o en combinación):

• Conduccion de calor
• Convección de calor
• Radiación termal

Hasta ahora no hemos discutido  la radiación térmica  como un modo de pérdidas de  calor . La transferencia de calor  por radiación está mediada por  radiación electromagnética  y, por lo tanto, no requiere ningún medio para la transferencia de calor. De hecho, la transferencia de energía por radiación es más rápida (a la velocidad de la luz) y no sufre atenuación en el vacío. Cualquier material que tenga una temperatura superior  al cero absoluto  emite algo de  energía radiante . La mayor parte de la  energía  de este tipo se encuentra en la  región infrarroja. del espectro electromagnético, aunque parte de él está en la región visible. Para disminuir este tipo de transferencia de calor, se deben utilizar materiales con baja emisividad (alta reflectividad). Los aislamientos reflectantes generalmente están compuestos de láminas paralelas multicapa de alta reflectividad, que están espaciadas para reflejar la radiación térmica de regreso a su fuente. La  emisividad , ε , de la superficie de un material es su efectividad en la emisión de energía como  radiación térmica  y varía entre 0.0 y 1.0. En general, los metales pulidos tienen una emisividad muy baja y, por lo tanto, se usan ampliamente para reflejar la energía radiante de regreso a su fuente, como en el caso de las mantas de  primeros auxilios .

Tipos de aislamiento: categorización de materiales de aislamiento

Para materiales de aislamiento, se pueden definir tres categorías generales. Estas categorías se basan en la composición química del material base a partir del cual se produce el material aislante.

En lecturas adicionales, hay una breve descripción de estos tipos de materiales de aislamiento.

Materiales de aislamiento inorgánico

Como se puede ver en la figura, los materiales inorgánicos se pueden clasificar en consecuencia:

• Materiales fibrosos
  • Lana de vidrio
  • Lana mineral de roca
• Materiales celulares
  • Silicato de calcio
  • Vidrio celular

Materiales de aislamiento orgánicos

Los materiales de aislamiento orgánicos tratados en esta sección se derivan de una materia prima petroquímica o renovable (de base biológica). Casi todos los materiales de aislamiento petroquímicos están en forma de polímeros. Como se puede ver en la figura, todos los materiales de aislamiento petroquímicos son celulares. Un material es celular cuando la estructura del material consiste en poros o células. Por otro lado, muchas plantas contienen fibras por su resistencia, por lo tanto, casi todos los materiales de aislamiento de base biológica son fibrosos (excepto el corcho expandido, que es celular).

Los materiales aislantes orgánicos se pueden clasificar en consecuencia:

• Materiales petroquímicos (derivados del petróleo / carbón)
  • Poliestireno expandido (EPS)
  • Poliestireno extruido (XPS)
  • Poliuretano (PUR)
  • Espuma fenólica
  • Espuma de poliisocianurato (PIR)
• Materiales renovables (derivados de plantas / animales)
  • Celulosa
  • corcho
  • Fibra de madera
  • Fibra de cáñamo
  • Lana de lino
  • Lana de oveja
  • Aislamiento de algodón

Otros materiales de aislamiento

• Vidrio celular
• Aerogel
• Paneles de vacío

Aislamiento térmico

El aislamiento térmico es el proceso de reducción de la transferencia de calor entre objetos en contacto térmico o en el rango de influencia radiativa. Los aislamientos térmicos consisten en materiales de baja conductividad térmica combinados para lograr una conductividad térmica del sistema aún más baja . El aislamiento térmico se puede lograr con métodos o procesos especialmente diseñados, así como con formas y materiales de objetos adecuados.

Ver también: conductividad térmica

Desde el punto de vista microscópico, el transporte de energía térmica en sólidos puede deberse generalmente a dos efectos:

• la migración de electrones libres
• ondas vibratorias reticulares ( fonones )

Cuando los electrones y los fonones transportan energía térmica que conduce a la transferencia de calor por conducción en un sólido, la conductividad térmica puede expresarse como:

k = k _e + k _ph

Los metales en general tienen alta conductividad eléctrica y alta conductividad térmica . Estas propiedades se originan especialmente en el hecho de que sus electrones externos (electrones libres) están deslocalizados . Su contribución a la conductividad térmica es muy alta y se conoce como conductividad térmica electrónica, k _e . Como resultado, los metales son muy buenos conductores térmicos en lugar de aislantes térmicos.

Para los sólidos no metálicos , k está determinado principalmente por k _ph , que aumenta a medida que disminuye la frecuencia de las interacciones entre los átomos y la red. De hecho, la conducción térmica en celosía es el mecanismo de conducción térmica dominante en los no metales, si no el único. En los sólidos, los átomos vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio (red cristalina). Las vibraciones de los átomos no son independientes entre sí, sino que están fuertemente acopladas con los átomos vecinos. La regularidad de la disposición reticular tiene un efecto importante en k _ph , ya que los materiales cristalinos (bien ordenados) como el cuarzo tienen una conductividad térmica más alta que los materiales amorfos como el vidrio.

Debe agregarse, el aislamiento térmico se basa principalmente en la muy baja conductividad térmica de los gases . Los gases poseen malas propiedades de conducción térmica en comparación con líquidos y sólidos, y por lo tanto son un buen material de aislamiento si pueden quedar atrapados (por ejemplo, en una estructura similar a la espuma ). El aire y otros gases son generalmente buenos aislantes. Pero el principal beneficio es la ausencia de convección . Por lo tanto, muchos materiales aislantes (por ejemplo, poliestireno) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala.. La alternancia de la bolsa de gas y el material sólido hace que el calor se transfiera a través de muchas interfaces, lo que provoca una disminución rápida del coeficiente de transferencia de calor.

Ejemplo: pérdida de calor a través de una pared

Una fuente importante de pérdida de calor de una casa es a través de las paredes. Calcule la tasa de flujo de calor a través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m ² ). La pared tiene 15 cm de espesor (L ₁ ) y está hecha de ladrillos con la conductividad térmica de k ₁ = 1.0 W / mK (pobre aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior son 22 ° C y -8 ° C, y los coeficientes de transferencia de calor por convección en los lados interior y exterior son h ₁ = 10 W / m ² K y h ₂ = 30 W / m ²K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida especialmente de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).

1. Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared no aislada.
2. Ahora suponga aislamiento térmico en el lado exterior de esta pared. Use aislamiento de poliestireno expandido de 10 cm de espesor (L ₂ ) con la conductividad térmica de k ₂ = 0.03 W / mK y calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared compuesta.

Solución:

Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :

El coeficiente global de transferencia de calor está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema.

1. pared desnuda

Suponiendo que la transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente global de transferencia de calor se puede calcular como:

El coeficiente global de transferencia de calor es entonces:

Pérdidas de calor – Aislamiento térmico

Para minimizar las pérdidas de calor en la industria y también en la construcción de edificios, el aislamiento térmico es ampliamente utilizado. El propósito del aislamiento térmico es reducir el coeficiente global de transferencia de calor mediante la adición de material con baja conductividad térmica .  El aislamiento térmico en los edificios es un factor importante para lograr el confort térmico de sus ocupantes. El aislamiento térmico reduce la pérdida de calor no deseada y también reduce la ganancia de calor no deseada . Por lo tanto, el aislamiento térmico puede disminuir las demandas de energía de los sistemas de calefacción y refrigeración. Debe agregarse, no hay material que pueda evitar por completo las pérdidas de calor, las pérdidas de calor solo se pueden minimizar.

Del mismo modo que para la ropa, el aislamiento térmico se basa en materiales de baja conductividad térmica y en su geometría (por ejemplo, ventanas de doble panel). Las propiedades aislantes de estos materiales provienen de las propiedades aislantes del aire. Muchos materiales aislantes (por ejemplo, lana de vidrio) funcionan simplemente al tener una gran cantidad de bolsas llenas de gas que evitan la convección a gran escala . La geometría de estos materiales también juega un papel crucial. Por ejemplo, aumentar el ancho de la capa de aire, como el uso de dos paneles de vidrio separados por un espacio de aire, reducirá la pérdida de calor más que simplemente aumentar el espesor del vidrio, ya que la conductividad térmica del aire es mucho menor que la del vidrio.

Régimen de flujo

Desde un punto de vista práctico de ingeniería, el régimen de flujo se puede clasificar de acuerdo con varios criterios .

Todo el flujo de fluido se clasifica en una de dos categorías o regímenes generales. Estos dos regímenes de flujo son:

• Flujo de fluido monofásico
• Flujo de fluido multifásico (o flujo de fluido bifásico )

Esta es una clasificación básica . Todas las ecuaciones de flujo de fluido (por ejemplo, la ecuación de Bernoulli ) y las relaciones que se discutieron en esta sección ( dinámica de fluidos ) se derivaron para el flujo de una sola fase de fluido, ya sea líquido o vapor. La solución del flujo de fluido multifásico es muy compleja y difícil y, por lo tanto, generalmente se encuentra en cursos avanzados de dinámica de fluidos.

Otra clasificación generalmente más común de los regímenes de flujo es según la forma y el tipo de líneas de flujo . Todo el flujo de fluido se clasifica en una de dos amplias categorías. El flujo de fluido puede ser laminar o turbulento y, por lo tanto, estas dos categorías son:

• Flujo laminar
• Flujo turbulento

El flujo laminar se caracteriza por caminos suaves o regulares de partículas del fluido. Por lo tanto, el flujo laminar también se conoce como flujo aerodinámico o flujo viscoso . A diferencia del flujo laminar, el flujo turbulento se caracteriza por el movimiento irregular de partículas del fluido. El fluido turbulento no fluye en capas paralelas, la mezcla lateral es muy alta y hay una interrupción entre las capas. La mayoría de los flujos industriales , especialmente los de la ingeniería nuclear, son turbulentos .

El régimen de flujo también se puede clasificar de acuerdo con la geometría de un conducto o área de flujo. Desde este punto de vista, distinguimos:

• Flujo interno
• Flujo externo

El flujo interno es un flujo para el cual el fluido está confinado por una superficie. El conocimiento detallado del comportamiento de los regímenes de flujo interno es importante en ingeniería , ya que las tuberías circulares pueden soportar altas presiones y, por lo tanto, se utilizan para transportar líquidos. Por otro lado, el flujo externo es un flujo en el que las capas límite se desarrollan libremente, sin restricciones impuestas por las superficies adyacentes. El conocimiento detallado del comportamiento de los regímenes de flujo externo es importante especialmente en aeronáutica y aerodinámica .

La ecuación de Bernoulli

La ecuación de Bernoulli puede considerarse como una declaración del principio de conservación de energía apropiado para fluidos fluidos. Es una de las ecuaciones más importantes / útiles en mecánica de fluidos . Pone en una relación presión y velocidad en un flujo invisible incompresible . La ecuación de Bernoulli tiene algunas restricciones en su aplicabilidad, que se resumen en los siguientes puntos:

• sistema de flujo constante,
• la densidad es constante (lo que también significa que el fluido es incompresible),
• no se realiza ningún trabajo sobre el fluido,
• no se transfiere calor hacia o desde el fluido,
• no ocurre cambio en la energía interna,
• la ecuación relaciona los estados en dos puntos a lo largo de una línea de corriente única (no condiciones en dos líneas de corriente diferentes)

En estas condiciones, la ecuación energética general se simplifica para:

Esta ecuación es la ecuación más famosa en dinámica de fluidos . La ecuación de Bernoulli describe el comportamiento cualitativo que fluye el fluido que generalmente se etiqueta con el término efecto de Bernoulli . Este efecto provoca la disminución de la presión del fluido en regiones donde aumenta la velocidad del flujo. Esta disminución de la presión en una constricción de una ruta de flujo puede parecer contradictoria, pero parece menos cuando se considera que la presión es la densidad de energía. En el flujo de alta velocidad a través de la constricción, la energía cinética debe aumentar a expensas de la energía de presión. Las dimensiones de los términos en la ecuación son energía cinética por unidad de volumen.

Efecto de Bernoulli – Relación entre presión y velocidad

Es un ejemplo ilustrativo, los siguientes datos no corresponden a ningún diseño de reactor.

Cuando la ecuación de Bernoulli se combina con la ecuación de continuidad, las dos se pueden usar para encontrar velocidades y presiones en puntos del flujo conectados por una línea de corriente.

La ecuación de continuidad es simplemente una expresión matemática del principio de conservación de la masa . Para un volumen de control que tiene una sola entrada y una única salida , el principio de conservación de la masa establece que, para el flujo en estado estacionario , la tasa de flujo másico hacia el volumen debe ser igual a la tasa de flujo másico hacia afuera.

Ejemplo:

Determine la presión y la velocidad dentro de un tramo frío de la tubería primaria y determine la presión y la velocidad en el fondo del núcleo del reactor , que está a unos 5 metros por debajo del tramo frío de la tubería primaria.

Dejemos asumir:

• El fluido de densidad constante ⍴ ~ 720 kg / m ³ (a 290 ° C) fluye constantemente a través de la pata fría y a través del fondo del núcleo.

• La sección transversal del flujo primario de la tubería (bucle simple) es igual a 0.385 m ² (diámetro de la tubería ~ 700 mm)

• La velocidad del flujo en la pierna fría es igual a 17 m / s .

• La sección transversal del flujo del núcleo del reactor es igual a 5 m ² .

• La presión manométrica dentro de la pierna fría es igual a 16 MPa .

Como resultado del principio de continuidad, la velocidad en la parte inferior del núcleo es:

v _entrada = v _frío . Una _tubería / un _núcleo = 17 x 1.52 / 5 = 5.17 m / s

Como resultado del principio de Bernoulli, la presión en la parte inferior del núcleo (entrada del núcleo) es:

Ejemplo: chorro de agua golpeando una placa estacionaria

Se utiliza una placa estacionaria (por ejemplo, la cuchilla de un molino de agua) para desviar el flujo de agua a una velocidad de 1 m / sy en un ángulo de 90 ° . Ocurre a presión atmosférica y el caudal másico es igual a Q = 1 m ³ / s .

1. Calcule la fuerza de presión.
2. Calcule la fuerza del cuerpo.
3. Calcule la fuerza total.
4. Calcule la fuerza resultante.

Solución

1. La fuerza de presión es cero ya que la presión tanto en la entrada como en las salidas al volumen de control es atmosférica.
2. Como el volumen de control es pequeño, podemos ignorar la fuerza del cuerpo debido al peso de la gravedad.
3. F _x = ρ.Q. (w _1x – w _2x ) = 1000. 1) (1-0) = 1000 N
   F _y = 0
   F = (1000, 0)
4. La fuerza resultante en el plano es de la misma magnitud pero en la dirección opuesta a la fuerza total F (se desprecian la fricción y el peso).

El chorro de agua ejerce sobre la placa la fuerza de 1000 N en la dirección x.

Conservacion de energia

Este principio se conoce generalmente como el principio de conservación de la energía y establece que la energía total de un sistema aislado permanece constante; se dice que se conserva con el tiempo. Esto es equivalente a la Primera Ley de Termodinámica , que se utiliza para desarrollar la ecuación energética general en termodinámica. Este principio se puede usar en el análisis de fluidos que fluyen y este principio se expresa matemáticamente mediante la siguiente ecuación:donde h es entalpía , k es la conductividad térmica del fluido, T es la temperatura y Φ es la función de disipación viscosa.

Teorema de Bernoulli

El teorema de Bernoulli  puede considerarse como una declaración del principio de conservación de energía apropiado para fluidos fluidos. Es una de las ecuaciones más importantes / útiles en mecánica de fluidos . Pone en una relación presión y velocidad en un flujo invisible incompresible . La ecuación de Bernoulli tiene algunas restricciones en su aplicabilidad, se resumen en los siguientes puntos:

• sistema de flujo constante,
• la densidad es constante (lo que también significa que el fluido es incompresible),
• no se realiza ningún trabajo sobre el fluido,
• no se transfiere calor hacia o desde el fluido,
• no ocurre cambio en la energía interna,
• la ecuación relaciona los estados en dos puntos a lo largo de una línea de corriente única (no condiciones en dos líneas de corriente diferentes)

En estas condiciones, la ecuación energética general se simplifica para:

Esta ecuación es la ecuación más famosa en dinámica de fluidos . La ecuación de Bernoulli describe el comportamiento cualitativo que fluye el fluido que generalmente se etiqueta con el término efecto de Bernoulli . Este efecto provoca la disminución de la presión del fluido en regiones donde aumenta la velocidad del flujo. Esta disminución de la presión en una constricción de una ruta de flujo puede parecer contradictoria, pero parece menos cuando se considera que la presión es la densidad de energía. En el flujo de alta velocidad a través de la constricción, la energía cinética debe aumentar a expensas de la energía de presión. Las dimensiones de los términos en la ecuación son energía cinética por unidad de volumen.

Ejemplo: la fuerza que actúa sobre un codo deflector

Se usa un codo (digamos de la tubería primaria) para desviar el flujo de agua a una velocidad de 17 m / s . El diámetro de la tubería es igual a 700 mm . La presión manométrica dentro de la tubería es de aproximadamente 16 MPa a una temperatura de 290 ° C. El fluido tiene una densidad constante ⍴ ~ 720 kg / m ³ (a 290 ° C). El ángulo del codo es de 45 ° .

Calcule la fuerza en la pared de un codo deflector (es decir, calcule el vector F ₃ ).

Suposiciones

• El flujo es constante.
• Las pérdidas por fricción son insignificantes.
• El peso del codo es insignificante.
• El peso del agua en el codo es insignificante.

Tomamos el codo como el volumen de control . El volumen de control se muestra en la imagen. La ecuación de momento es una ecuación vectorial, por lo que tiene tres componentes. Tomamos las coordenadas x y z como se muestra y resolveremos el problema por separado de acuerdo con estas coordenadas.