FENOMENOS DE TRANSPORTE. BIRD PDF

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Description

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FENÓMENOS DE TRANSPORTE

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o,t,v~sclt~jttselen, que representan el primer intento que conocemos acerca de la enseñanza de fenómenos de transporte a estudiantes de ingeniería. Uno de nosotros (R. B. Bird) ha tenido el placer de pasar un semestre en el laboratorio del Profesor Kramers como Fulbright Lecturer y Guggenheim Fellow, durante el cual se ha beneficiado mucho de las discusiones sobre la enseñanza de los fenómenos de transporte. La señorita Jeanne 0. Lippert merece nuestro mejor agradecimiento por haber mecanografiado la mayor parte del manuscrito y algunas de sus partes varias veces. También estamos en deuda con Mr. Stuart E. Schreiber por su incansable esfuerzo en la copia y disposición del conjunto original de notas. Finalmente, deseamos agradecer a la señorita Ellen Gunderson la asistencia que nos ha prestado en la preparación del manuscrito. K. B. B. W. E. S. E. N. L.

fNDICE

GENERAL

PRIMERA PARTE. TRANSPORTE DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO capítulo 1. *g1.1. *51.2. *g1.3.

51.4.

g1.5.

Viscosidad y mecanismo del transporte de cantidad de movimiento.. . . Ley de Newton de la viscosidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 1 .l- 1. Cálculo de la densidad de flujo de cantidad de movimiento, 1-7 Fluidos no-newtonianos . . . . . . . . . . ..*...*...................*...... Influencia de la presih y la temperatura sobre la viscosidad.. . . . . . . . . . . *Ejemplo 1.3-1. Estimación de la vkcosidad a partir de Iás propiedades críticas, 1 - 19 *Ejemplo 1.3-2. Efecto de la presión sobre la viscosidad de los gases, 1-19 Teoría de la viscosidad de los gases a baja densidad. . . . . . . . . . . . . . Ejemplo 1.4-1. Cálculo de la viscosidad de un gas a baja densidad, 1-25 Ejemplo 1.4-2. Predicción de la viscosidad de una mezclagaseosa a baja densidad, 1-26 Teoría de la viscosidad de los líquidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo 1.5-1. Estimación de la viscosidad de un liquido puro, 1-30

Distribuciones de velocidad en flujo laminar.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Balances envolventes de cantidad de movimiento: condiciones limite.. Flujo de una película descendente.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 2.2-1. Cdlculo de la velocidad de pelicula, 2-8 Ejemplo 2.2-2. Pelicula descendente con viscosidad variable, 2-9 * 82.3. Flujo, a travks de un tubo circular.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . *Ejemplo 2.3-1. Determinación de la viscosidad a partir de datos de flujo en un capilar, 2-15 Ejemplo 2.3-2. Flujo de Bingham en un tubo capilar, 2-16 * 42.4. Flujo a travks de una secció’n de corona circular.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .$2.5. Flujo adyacente de dos fluidos inmiscibles.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . * $2.6. Flujo reptante alrededor de una esfera sólida. . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *EjempI 2.6-1. Determinación de la viscosidad a partir de la velocidad jinal de caida de una esfera, 2-28

Capítulo 2. “$2.1. * 52.2.

Capítulo 3. *93.1. *$3.2. 93.3. * $3.4.

Las ewaciones de variacih para sistemas ísotérmicos.. . . . . . . . . . . . . . . . La ecuación de continuidad.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La ecuación de movimiento.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La ecuacih de energía mecánica.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Las ecuaciones de variación en coordenadas curvilíneas.. . . . . . . . . . . . .

1-3 1-3 I 1-10 1-16

1-20

1-27

2-1 2-2 2-4 2-10

2-18 2-22 2-25

3-1 ::5 3-12 3-13

XII

iNDICE GENERAL *å3.5.

83.6.

*83.7.

Capítulo 4. *#4.1.

$4.2. $54.3. $4.4.

Caphdo

Utilización de las ecuaciones de variación para el planteamiento de problemas de flujo estacionario.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 3.5-1. Flujo tangericial de un jluido newtoniano en tubos conchtricos, 3-25 *Ejemplo 3.5-2. Forma de la superficie de un líquido que gira, 3-28 Ejemplo 3.5-3. Relaciones del par y distribución de velocidad en el viscosímetro de plato y cono, 3-30 Las ecuaciones de variación para flujo no-newtoniano incompresible . . Ejemplo 3.6-1. Flujo tangencial de un plístico de Bingham en rubos concéntricos, 3-35 Ejemplo 3.6-2. Componentes del tensor de densidad de,j?njo de cantirlod de movimiento, para el flujo radial no-newtoniano entre! dos discos paralelos, 3-38 Análisis dimensional de las ecuaciones de variación.. . . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 3.7-1. Prediccidn de la profundidod del vdrtice en un tanque agitado, 3-40 Distríbucionea de velocidad coa m6s de mu variable indepemlieate . . . . . . . . Flujo viscoso no estacionario.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 4.1-1. Flujo en las proximidades de una pared que se pone súbitamente en movimiento, 4-2 Ejemplo 4.1-2. Flujo laminar no estacionario, en un tubo circular, 4-4 Flujo viscoso estacionario con dos componentes de la velocidad que no desaparecen: la función de corriente.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo 4.2-1. «Flujo reptante» alrededor de una edfera, 4- 10 Flujo potencial bidimensional en estado estacionario.. . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo 4.3-1. Flujo alrededor de un cilindro, 4-14 Ejemplo 4.3-2. Flujo en un canal rectangular, 4-16 Teoría de la capa límite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo 4.4-1. Flujo en las proximidades de una pared que se pone bruscamente en movimiento, 4-19 Ejemplo 4.4-2. Flujo en las inmediaciones del borde dc ataque de una ldmina plana, 4-21

5. Distribucih de velocidad ea flujo turbulento.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *#Ll. Fluctuaciones y magnitudes de tiempo ajustado.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *05.2. Ajuste de tiempo de las ecuaciones de variación para un fluido incom: presible . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *$5.3. Expresiones semfempíricas para los esfuerzos de Reynolds.. . . . . . . . . . . *Ejemplo 5.3-1. Deduccidn de la ley de distribución logaritmica para el flujo en un tubo (lejos de la pared), 5-10 *Ejemplo 5.3-2. Distribucidn de velocidad para el flujo en un tubo (cerca de la pared), S-II *Ejemplo 5.3-3. Valor relativo de la viscosidad molecular y la viscosidad de remolino, 5-13 $5.4. El tensor de correlaci6n de segundo orden y su propagación (la ecuación de von Karmán-Howarth) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo 5.4-1. Calda de turbulencia detrás de una rejilla, 5-2i

Capitulo 6. Txansporte de interfase en sistemas isothdcos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *$6.1. Definición de factores de fricción . . . . . . . . . . . . . . . . :. . . . . . . . . . . . . . . . . .

3-23

3-33

3-38

4-1 4-1

4-8 4-12 4-19

5-1 5-2 ::

5-14

6-1 6-2

INDFCE *$6.2.

96.3. $6.4. Capítulo 7. *57.1. * $7.2. *57.3. *g7.4. *57.5.

17.6.

GENERAL

Factores de fricci6n para el flujo en tubos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 6.2-1. Diferencia de presidn necesaria para una determinada velocidad de flujo, 6-9 *Ejemplo 6:2-2. Velocidad de flujo para una determinada diferencia de presión, 6-10 Factores de fricci6n para el flujo alrededor de esferas.. . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 6.3-1. Determinación del didmetro de una esfera descendente, 6-16 Factores de fricción para columnas de relleno.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Balances macrosc6picos en sistemas isot&nlicos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Balance macrosc6pico de miiteria.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Balance macroscbpico de cantidad de movimiento.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Balance macrosc6pico de energía mecinica (ecuación de Bernoulli). . . . Ejemplo 7.3-1. Deduccidn del balance de energía mecánica para flujo estacionario incompresible, 7-6 Estimación de las pérdidas por friccih.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 7.4-1. Potencia necesaria para el&o en urw conduccidn. 7-11 Utilización de los balances macroscópicos para el planteamiento de problemas de flujo estacionario.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 7.5-1. Aumento de presidn y perdidas por friccidn en un ensanchamiento brusco, 7-12 *Ejemplo 7.5-2. Eficacia de un eyector liquido-liquido, 7-14 *Ejemplo 7.5-3. Fuerza que actua sobre la curvatura de una tuberta, 7-16 ‘Ejemplo 75-4. Flujo isotermico de un liquido a travis de un orificio, 7-18 Ijtiliïacih de los balances macro&picos para plantear problemas de flujo no estacionario.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo 7.6-1. Tiempo de vertido para el flujo en un embudo, 7-20 Ejemplo 7.6-2. Oscilaciones de un mamimetro amortiguado, 7-23

XIII 6-3

6-11 6-17 7-1 7-2 7-3 7-4 7-7 7-12

7-20

SEGUNDA PARTE. TRANSPORTE DE ENERGfA Capítulo 8. Conductividad calorífica y mecanhno del transporte de eae&. , . . . . . . . . *5811. Ley de Fourier de la conducción del calor.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 8.1-1. Medida de la conductividad calorijka. 8-8 ‘$8.2. Variación de la conductividad calorífica de gases y líquidos con la tempe..*........................................ ratura y la presión . *Ejemplo 8.2-1. @¿cto de la presion sobre la conductividad calorífica, 8-12 $8.3. Teoría de la conductividad cal6rifica de los gases a baja densidad. . . . . . . Ejemplo 8.3-1. Cdlculo de la conductividad ca!ori$ca de un gas monoatomico a baja densidad, 8-19 Ejemplo 8.3-2. Estinwcidn de la conductivi&d calorifica de un gas poliatomico a baja densidad, 8-20 Ejemplo 8.3-3. Prediccidn de la conductividad calorífica a?s una mezcla gaseosa a baja densidad, 8-20 $8.4. Teoría de la conductividad calorífica de líquidos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo 8.4-1. Prediccidn de la conductividad calorifica de un líquido, 8-23 88.5. Conductividad calortica de sólidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8-3 8-3 8-10 8-14

8.21 8-23

XIV

tNbICE

GENERAL

Capítulo 9. Distribuci6n de temperatura en sólidos y en el flujo laminar. . . . . . . . . . . . . . *gs.i. Balance de energía aplicado a una envoltura: condiciones límite.. . . . . * 59.2. Conducción del calor con un manantial calorífico de origen eléctrico.. *Ejemplo 9.2-1. Voltuje necesario para producir un determinado aumento de temperatura en un alambre calentado por una corriente electrica, 9-7 Ejemplo 9.2-2. Calentamiento electrice de un alambre en el que varian las conductividades calorifìca y elertrira con la temperatura, 9-8 $9.3. Conducción del calor con un manantial calorífico de origen nuclear.. . * 59.4. Conducción del calor con un manantial calorífico de origen viscoso.. . . . $9.5. Conducción del calor con manantial calorífico de origen químico.. . . . * 59.6. Conducción del calor a travh de paredes compuestas: suma de resistencias *I$emplo 9.6-1. Paredes cilindricas compuestas, 9-24 09.7. Conducción de calor en una aleta de enfriamiento.. . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo 9.7-1. Error en la medida de un termopar, 9-29 * $9.8. Convección foBada............................................... +g9.9. Conveccibn libre.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............. Las ecuaciones de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . La ecuación de energía en coordenadas curvilíneas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Las ecuaciones de movimiento para convección forzada y convección libte en el flujo no isotkrmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *910.4. Resumen de las kuaciones de variación.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . l 910.5. Uso de las ecuaciones de variacibn en los problemas de transmisi6n de calor en estado estacionario.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . f . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 10.5-1. Flujo tangencial en tubos concéntricos con generación de calor de origen viscoso. 10-17 *Ejemplo 10.5-2. Flujo estacionurio de una película no isatérmica, 10-19 *Ejemplo 10.5-3. Enfriamiento por transpiracion, 10-20 Ejemplo 10.5-4. Transmisión de calor -por conveccidn libre desde una ldmina vertical, lo-23 Ejemvlo IO.S-S. Fluio comvresible unidimensional: gradientes de velo- cidad, temperatura-y preshk en una onda de choqueestacionaria, 10-26 *Ejemplo 10.5-6. Procesos adiabdticos sin fricción para un gas ideal, lo-30 *510.6. ArkliSis dimensional de las ecuaciones dé variackn.. . . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 10.6-1. Transmisión de calor por convección forzada en un tanque agitado, 10-32 *Ejemplo 10.6-2. Temperatura de la superfcie de una espiral de calentamiento eléctrico, lo-34

capítulo

10. Las ecuaciones de variación para sistemas no ísot&micos~

l

010.1. *g10.2. ‘010.3.

Capítulo ll. Distribuciones de temperatura con mh de una variable independiente. . . . *g11.1. Conducción no estacionaria del calor en sólidos.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 1 I.i-i. Calentamiento de una lámina semiin$nita, ll-2 *Ejemplo II. 1-2. Calentamiento de una lámina finita, ll-3 ~ Ejemplo 11.1-3. Enfriamiento de una esfera qúe está en contacto con un fluido fuertemente agitado, ll-7 $11.2. Conduccibn del calor en estado estacionario para el flujo laminar de un fluido viscoso........................................,......... Ejemplo 11.2-1. Flujo laminar en un tubo con densidad de flujo de calor constante en la pared, 1 l-l 1 Ejemplo 11.2-2. Flujo laminar en un tubo ron densidad de flujo de calor constante en la pared: Solucidn asintótica para distanciaspequehas, ll-12

9-1

9-2 9-3

9-10 9-14 9-16 9-21 9-26 9-31 9-36 10-1

10-2 10-9 10-9 lo-13 10-13

lo-31

ll-l

ll-l I

ll-10

fNDICE

GENERAL

$11.3

Flujo potencial bidimensional estacionario de calor en sblidos.. . . . . . . . Ejemplo 11.3-1. Distribución de temperatura en la pared, 1 l-l 5 811.4. Teoría de la capa límite.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo 11.4-1. Transmisión de calor por convección forzaada en el flujo laminar a lo largo a!e una Idmina plana calentada, ll-16 capítulo

12.

*412.1. ‘$12.2. *$12.3. $12.4.

Distribuciones de temperatura en flujo turbulento.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fluctuaciones de temperatura y temperatura de tiempo ajustado.. . . . . Ajuste de tiempo de; la ecuación de energía.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Expresiones semiempuicas para la.densidad de flujo turbulento de energía, *EjempIo 12.3-1. Perfiles de temperatura para el flujo turbulento estacionario en tubos circulares lisos, 12-6 La doble correlacibn de temperatura y su propagación: ecuación de Corrsin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ejemplo 12.4-1. Ecuación de decaimiento para la doble correlación de temperatura, 12-13

Capítulo 13. Transporte de interfase en sistemas no isothicos , . . . . . . . . , . . . , . . . . . . 1813.1. Definición del coeficiente de transmisión de calor.. . . . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 13.1-1. Cdlculo de coeficientes de transmisidn de calor a partir de datos experimentales, 13-6 * $13.2. Coeficientes de transmisión de calor para convección forzada en tubos. . *Ejemplo 13.2-1. Diseño de un calentador tubular, 13-18 1913.3. Coeficiente de transmisión de calor oara convecci6n’forzada alrededor de 6bjetos sumergidos.. . . . . . . . . .: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813.4. Coeficientes de transmisión de calor para convección forzada a trav6s de lechos de relteno............................................... *s13.5. Coeficientes de transmisión de calor para conveccibn libre.. . . . . . . . . . . *Ejemplo 13.5-1. Pérdida de calor por convección libre desde una tubería horizontal. 13-28 513.6. Coeficientes de transmisibn de calor para condensación de vapores puros sobre superficies sólidas.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . &j;;io li3jd;l. Condensación de vapor de agua sobre una superficie ver, capítulo

14.

*s14.1. *§14.2. *§14.3.

;

*14.4.

‘14.5.

Transporte de eaergia por radiación. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El espectro de radiaci6n electromagnetica.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Absorción y emisión en superficies sólidas.. . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . . . . Eey de distribucibn de Planck. ley de desplazamiento de Wien, y la ley de Stefan-Bohzmann.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . *Ejemplo 14.3-1. Temperatura y emisión de energia radiante delSol, 14-12 Radiación directa entre cuerpos negros en el vacío que estan a diferente ‘temperatura................................................... *Ejemplo 14.4-1. Estimación de la constante solar, 14-19 *Ejemplo. 14.4-2. Transmisión de energía radiante entre discos, 14-19 Radiación entre cuerpos no negros que están a distinta temperatura . . *Ejemplo 14.5-1. Escudos de radiacidn, 14-22 *Ejemplo 14.5-2. Pérdidas de calor por radiación y conveccidn libre en una tuberia horizontal, 14-24 Ejemplo 14.5-3. Convección y rudiación combinudas, 14-24

XV ll-14 ll-16

12-1

12-1 12-3 12-5

12-11

13-1

1 3 - 2 13-8 13-20 13-24. 13-25

13-29

14-1

14-2 ,144 14-8 14-13 14-20

XVI

INDICE

GENERAL

$14.6.

Transporte de en&ía iadiante en medios absorbentes.. . . . . . . . . _. . . _. Ejemplo 14.6-1. Absorción de un rayo de radkxidn monocromdtica, 14-27

lq-25

capítulo 15. ‘$15.1. *815.2. *&Y5.3. +g15.4.

-ma~piclxeosistemasno. .............. ..... El balance macroscbpico de ene&. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . : El balance macrosc6pico de energía mechica (Ecuación de Bernoulli). Resumen de los balances macroscópicos para fluidos puros.. . . . . . . . . . Utilización de los balances macroschpicos para la resolución de problanas de estado estacionario.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . , . . . . . . . . . . . *Ejemplo 15.4-1. Enfriamiento de un gas ideal, 15-8 *Ejemplo 15.4-2. Cambhíores de calor de corrientes parakhs y ea wntracorriente, 15-11 *Ejemplo 15.4-3. Potencia necesaria para bombear un parido wmpresibk a través & una tube& de gramfes dimensiones, 15-13 Ejemplo 15.4-4. Mezclo de ah corrientes a¿ gases ideales, 15-15 *Ejemplo 15.4-5. Flujo tle jIuihs compresibles a través I ori#icio...