NEUMATICA: PROPIEDADES GENERALES DE LOS FLUIDOS

        La neumática es una parte de la Tecnología encargada en diseñar circuitos que utilizan el aire comprimido para mover objetos o transformar su energía en otros tipos de energías. Pero antes de explicar cómo se puede utilizar y transformar este tipo de energía conviene estudiar qué es el aire y cuáles son las propiedades que le convierten en un elemento tan importante.

      La materia está formada por moléculas que como ya se estudió en Física y Química son átomos que se unen de diversas formas (enlaces). Dichos enlaces pueden ser covalentes, ionicos o metálicos. Para formar la materia dichas moléculas, a su vez deben unirse entre sí, mediante las denominadas fuerzas intermolecualares. Cuando dichas fuerzas son muy débiles se puede concebir sustancias formadas por moléculas sin interacciones entre ellas y que por lo tanto tienden a no tener ni forma ni volumen fijo. Es el caso de los gases perfectos, caracterizados por poseer un enlace covalente fuerte y bajo peso molecular. Cuando entre las moléculas covalentes existen fuerzas de interacción que les hacen matenerse más unidad, el estado de agregación de las sustancias es el estado líquido. Un ejemplo típico es el agua cuyas moléculas se unen entre sí mediante puentes de hidrógeno. Por último, las moléculas pueden tener una interacción tan grande las unas con las otras que formen grandes redes con estructura cristalina y sean sólidos verdaderos. Es el caso de las sales como el cloruro sódico o de los metales como el cobre.

         El aire se puede considerar una mezcla de gases perfectos (cuando las moléculas no interactúan entre sí), aunque en su composición también exista vapor de agua. Como el resto de los gases perfectos se caracteriza por obedecer una ecuación de estado denominada, ecuación de los gases perfectos y cuya expresión es la siguiente:

P*V = n * R * T

Analicemos el significado de cada una de las magnitudes que aparecen en esta ecuación. Comencemos con T. Corresponde a la temperatura, cuya unidad en el sistema internacional es el KELVIN. El calor es una forma de energía que se manifiesta a través de los cambios de estado de las sustancias (calor sensible) o por el incremento de su temperatura. Así pues, la temperatura es una manifestación externa de el estado de vibración de las moléculas. Existen varias escalas mediante las cuales se puede medir, pero las dos más conocidas son la escala centígrada (ºC) y la KELVI.  T(K) = t(ºC)+273. 

        Otro parámetro interesante de esta ecuación lo constituye el factor n que es el número de moles de la sustancia. Un mol es la cantidad de sustancia que contiene el 6,023 10 exp 23 moléculas y se asocia con la masa molecular expresada en gramos. El problema es que el aire es una mezcla de gases. Para contabilizar su masa molecular se puede tomar como primera aproximación un 21% de oxígeno y un 79% de nitrógeno. Se hallará la masa molecular del aire como ejercicio. 

          V es el volumen que ocupa dicho gas. En realidad lo importante en el caso de los gases es su densidad. La densidad es la relación existente entre la masa y el volumen. En condiciones normales (0º C, 1 atm de presión), un mol de cualquier gas perfecto ocupa 22,4 l y es una propiedad común a todos ellos. Existen muchas unidades de volumen. Supongo que no es problema pasar de unas a otras. pero en el libro del CIDEAD os explican las correlaciones entre ellas.

        Llegamos a la magnitud más característica de cualquier fluido. Se entiende por fluido cualquier sustancia que no  tiene forma definida, es decir, que se presenta en estado líquido o gaseoso y cuya viscosidad es suficientemente baja. Por dicha razón tiende a presentar un mínimo de energía potencial. Es decir, que tiende a extenderse. La presión es la fuerza ejercida por unidad de superficie y tiene una ecuación de dimensiones similar a la tensión. Para una columna de fluido se puede demostrar que

P = d g h

donde P es presión, g es la aceleración de la gravedad y h la altura del fluido.

          Pascal demostró que cuando se ejerce presión en un punto de un fluido, dicha presión se transmite a todos los puntos del fluido. Las consecuencias son múltiples entre otras destaca la prensa hidraúlica y el denominado teorema de los vasos comunicantes.  

               La atmósfera terrestre ejerce una presión sobre nosotros. Torricelli demostró que dicha presión era 760 mm de mercurio (densidad 13,6 g/cm3) dando lugar a otra unidad de presión conocida como atmosfera.

                   R es una constante que depende de las unidades.

EJERCICIOS

1.- CALCULAR LA DENSIDAD DE UN GAS PERFECTO  
P V = n R T

n= Masa/ Masa Molecular

PV = Masa / Masa Molecular R T

Por lo que la densidad   Masa/V = (P Masa Molecular)/RT

Unaa conclusión es que la densidad disminuye al aumentar la temperatura dando lugar a las denominadas corrientes de convección que es una forma de transporte de calor. El aire al calentarse flota y esto crea un movimiento que se asocia con la temperatura del gas, convirtiendo al aire en un fluido caloportador con muchas muchas aplicaciones técnicas.
2.- CALCULAR EL VALOR DE R PARA UN MOL DE GAS PERFECTO
Considerando que un mol de gas perfecto en condiciones normales (0ºC y 1 atm de presión) ocupa 22,4 l, y sustituyendo dichos valores en la ecuación de los gases perfectos, resulta que

R = 0.082  atm*l/mol*K

3.- CALCULAR EL VALOR DE 1 ATM EN PASCALES
Una atmósfera son 760 mm de mercurio cuya densidad es 13,6 g/cm3=13,6 103 Kg/m3

La densidad de una columna de fluido viene dada como P = D g h

Para el caso de la atmosfera

P= 13,6 103  Kg/m3 *9,81 m/s2 * 0,76 m = 105 N/m2

El N/m2 es la unidad de presión en el SI denominada Pascal

4.- CALCULAR LA MASA MOLECULAR DEL AIRE

5.- DEMOSTRAR EL TEOREMA DE LOS VASOS COMUNICANTES A PARTIR DEL TEOREMA DE PASCAL.

4.- SE QUIERE ELEVAR UN COCHE DE 500 kg CON UNA PRENSA HIDRAÚLICA, QUE TIENE DOS CILINDROS CUYOS DIAMETROS CORRESPONDEN A D/d= 10. ¿Qué fuerza deberemos ejercer?