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La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. Tanto la energía como el trabajo se miden en Newton-metros (o libras-pie en inglés). La energía cinética y la energía potencial son las dos formas de energía comúnmente reconocidas. En un fluido que fluye, la energía potencial puede subdividirse, a su vez, en energía debida a la posición o elevación por encima de un determinado punto de referencia, y energía debida a la presión en el fluido. La altura es la cantidad de energía por Newton (o por libra) de fluido.
Una masa de fluido adquiere energía de presión cuando está en contacto con otras masas que tienen alguna forma de energía. La energía de presión es, pues, una energía transmitida al fluido por otra masa que posee alguna energía.
Donde:v = velocidad media del flujo (m/seg en el SI y ft/seg en inglés)p = presión del fluido (N/m2 o Pa en el SI y lb/ft2 o psf en inglés)z = posición del fluido por encima o por debajo del plano de referencia (m en el SI y ft en inglés)g = aceleración gravitatoria (9,81 m/seg2 en el SI y 32,2 ft/seg2 en inglés)γ = peso unitario del fluido (N/m3 en el SI y lb/ft3 en inglés)
Ecuación de la energía de los fluidos
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Se suele medir como una elevación de la superficie del líquido, expresada en unidades de longitud, a la entrada (o fondo) de un piezómetro. En un acuífero, puede calcularse a partir de la profundidad del agua en un pozo piezométrico (un pozo de agua especializado), y dada la información de la elevación del piezómetro y la profundidad de la pantalla. La cabeza hidráulica puede medirse igualmente en una columna de agua utilizando un piezómetro de tubo vertical, midiendo la altura de la superficie del agua en el tubo con respecto a un punto de referencia común. La cabeza hidráulica puede utilizarse para determinar un gradiente hidráulico entre dos o más puntos.
En dinámica de fluidos, la altura es un concepto que relaciona la energía de un fluido incompresible con la altura de una columna estática equivalente de ese fluido. Según el principio de Bernoulli, la energía total en un punto dado de un fluido es la energía asociada al movimiento del fluido, más la energía de la presión estática en el fluido, más la energía de la altura del fluido en relación con un punto de referencia arbitrario. La altura se expresa en unidades de distancia, como metros o pies. La fuerza por unidad de volumen sobre un fluido en un campo gravitatorio es igual a ρg, donde ρ es la densidad del fluido y g es la aceleración gravitatoria. En la Tierra, la altura adicional del agua dulce añade una presión estática de unos 9,8 kPa por metro (0,098 bar/m) o 0,433 psi por pie de altura de la columna de agua.
Cabezal de energía en mecánica de fluidos
Ecuación de BernoulliLa ecuación de Bernoulli expresa la conservación de la energía para los fluidos que fluyen (específicamente los fluidos incompresibles), como el agua. Muestra la equivalencia de la energía global para un volumen determinado de un fluido mientras se mueve. La ecuación de Bernoulli es una aproximación y a veces puede incluir un término para describir la pérdida de energía del sistema[1] La ecuación utilizada relaciona la energía del fluido en términos de su elevación, presión y velocidad y se basa en los principios esbozados por la ley de conservación de la energía[1] Esta ecuación puede expresarse como:[2]
donde el lado izquierdo es un fluido en la primera posición y el lado derecho es el mismo fluido que se ha desplazado a la segunda posición. Cada término representa la energía por unidad de volumen del fluido. El primer término representa la energía de presión, el segundo la energía cinética y el tercero la energía potencial gravitatoria. Las variables se definen como:
Figura 1. Diagrama de una tubería que ilustra los diferentes aspectos de la ecuación de Bernoulli. Aquí, la presión, la elevación y la velocidad del fluido dentro de la tubería cambian entre la posición 1 y la posición 2. Sin embargo, cuando los valores de elevación, presión y velocidad en ambas posiciones se introducen en la ecuación anterior, dan como resultado una igualdad, ya que la energía global debe conservarse[3].
Línea de grado hidráulico y línea de grado energético
Una de las leyes más útiles de la física es la Ley de Conservación de la Energía. Simplemente afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, pero puede convertirse de una forma de energía a otra. Siempre se necesita energía para mover el agua de un punto a otro y el Teorema de Bernoulli lo describe en una ecuación sencilla.
La superficie del agua en un tubo vertical abierto unido al fondo de un depósito de agua estará al mismo nivel que el agua del depósito. Esto se denomina superficie piezométrica. Consideremos ahora la disposición de las tuberías en la figura siguiente. La tubería está bajo presión constante y con una válvula cerrada en el extremo. Se considera un sistema estático, ya que el agua no se mueve. El agua subirá en cada uno de los tubos hasta la misma altura que en el depósito de agua. Si se trazara una línea que uniera cada una de las superficies piezométricas se tendría lo que se llama la línea de nivel hidráulico. La línea de grado hidráulico es siempre horizontal en un sistema estático.
Consideremos ahora la siguiente figura en la que hemos abierto la válvula. Esto lo llamaremos un sistema dinámico ya que el agua está fluyendo. Las superficies piezométricas experimentan una caída a medida que el agua se desplaza a lo largo de la tubería. Esta caída se produce debido a las pérdidas de energía resultantes de las superficies interiores rugosas de la tubería. Estas pérdidas de carga se simbolizan como HL en la ecuación de energía.