Dinámica de Fluidos

Conceptos Básicos

Un fluido ideal es aquel que fluye sin dificultad, con una viscosidad igual a cero.

Propiedades de un Fluido Ideal

• Viscosidad cero.
• Son incompresibles (su densidad es constante).
• El flujo es laminar.
• La velocidad de todas las moléculas del fluido en una sección transversal de tubería es la misma.

Cuando un flujo no cambia con el tiempo, se llama estacionario. El flujo de un líquido ideal estacionario es aquel en el que se conserva la energía mecánica.

La Dinámica de Fluidos establece las leyes o ecuaciones que determinan el movimiento de un fluido. El movimiento de un fluido queda determinado cuando se conoce, en cada punto y en cada instante, la velocidad de cada una de las partículas que lo constituyen.

Clasificación del Movimiento

En Función del Tiempo

• Movimiento permanente o estacionario: La velocidad (y las condiciones del movimiento) en cualquier punto no cambia con el tiempo: v = v(x, y, z).
• Movimiento variable (no permanente): La velocidad (y las condiciones del movimiento) en cualquier punto cambia con el tiempo: v = v(x, y, z, t).

En Función de la Posición

• Movimiento uniforme: La velocidad (y las condiciones de movimiento) en un instante dado no cambia con la posición. Solo depende del tiempo.
• Movimiento variable (no uniforme): La velocidad (y las condiciones del movimiento) en un instante dado cambia con la posición. Depende del tiempo y la posición.

Líneas de corriente: Curvas tales que en cada punto y en cada instante son tangentes al vector velocidad. Las trayectorias no coinciden con las líneas de corriente cuando el movimiento es variable.

Ecuaciones Fundamentales

Ecuación fundamental de la hidrostática (Bernoulli): Describe el comportamiento de un fluido bajo condiciones variantes.

Teorema de Bernoulli (Principio de Conservación de la Energía): Esta ecuación describe el movimiento permanente e irrotacional. H = Cte. Fluido ideal (incompresible, sin viscosidad).

Caudal (Q): Cantidad de líquido que pasa en un cierto tiempo. Concretamente, el caudal sería el volumen de líquido que circula dividido el tiempo.

Principio de Continuidad: En un sistema de tubería, el fluido que entra es el mismo que sale. Esta expresión indica que en todas las partes de la tubería el líquido se moverá a la misma velocidad mientras no cambie la sección. Además, en todo conducto de sección variable, cuando aumenta la sección, disminuye la velocidad, y cuando disminuye la sección, aumenta la velocidad.

Teorema General de la Hidrodinámica: Esta ecuación surge de la aplicación del principio de conservación de la energía mecánica a un fluido ideal. P + δgh + ½ δv² = cte.

Ecuación de Torricelli: La velocidad de vertido de un fluido depende de la altura de la columna de líquido que tiene sobre él, siendo independiente de su cota geométrica.

Ecuación de Continuidad (general): Se considera un fluido en movimiento bajo la acción de un campo de velocidades. Por estar en movimiento, se establece un flujo.

Factores que Afectan la Disolución

Una solución es una mezcla homogénea de dos o más sustancias. La sustancia disuelta se denomina soluto y está presente generalmente en pequeña cantidad en comparación con la sustancia donde se disuelve, denominada solvente.

Miscible: Cuando dos fluidos (líquidos y gases) son solubles entre sí en todas las proporciones (solución homogénea).

Inmiscible: Cuando dos líquidos o fluidos no se mezclan.

Solución Saturada: Solución que contiene la máxima cantidad de soluto que el solvente puede disolver a esa presión y esa temperatura.

Factores que Afectan la Solubilidad

1. La naturaleza del soluto y del solvente.
2. Temperatura (a mayor temperatura, mayor solubilidad).
3. Polimorfismo (Formas metaestables → Formas estables, *Mayor solubilidad y menor punto de fusión que la forma estable).
4. Presión.
5. Solvatos e hidratos (La solvatación es una interacción de un soluto con un solvente que conduce a la estabilización de las especies del soluto en la solución. Solvatos > Anhidros > Hidratos (← Solubilidad)).
6. Constantes dieléctrica (Capacidad de un disolvente en separar un soluto iónico en sus iones).
7. pH (Acidez o alcalinidad).
8. Tamaño de partícula.

Mecanismos de las Disoluciones

1. Fuerzas de Van Der Waals.
2. Interacciones dipolo – dipolo.

• Dipolo permanente – dipolo permanente (fuerzas de Keeson).
• Dipolo permanente – dipolo inducido (fuerzas de Debye).
• Dipolo inducido – dipolo inducido (Fuerzas de London).

Fuerzas interiónicas. Puentes de hidrógeno.

Mecanismos de Velocidad de Disolución

Esta ecuación relaciona la velocidad de disolución de un soluto, principio activo o fármaco.

Mecanismos de Aceleración del Proceso de Disolución en Nanocristales: Ecuación de Nerst y Brunner, expresión de la teoría de la capa de difusión que predice incrementos proporcionales en la velocidad de disolución como consecuencia de la ampliación, de hasta 50 veces, de la superficie del sólido (S) que supone la reducción del tamaño de sus partículas hasta valores manométricos.

Producto de la Solubilidad: Cuanto menor sea el producto de solubilidad, menor solubilidad tendrá la sustancia.

Esterilización Térmica

La esterilización es un proceso a través del que se puede lograr la destrucción total de los microorganismos viables presentes en un determinado material. Se utiliza en:

• La esterilización de equipos quirúrgicos y otros materiales de uso médico con el propósito de reducir el riesgo de infecciones en pacientes.
• El acondicionamiento del material (pipetas, tubos, placas de Petri, pinzas, etc.) que va a ser utilizado en los laboratorios de microbiología.
• La preparación de medios de cultivo que serán empleados con diferentes propósitos (cultivo de microorganismos, control de ambiente, equipos o personal, análisis microbiológico de medicamentos, cosméticos, alimentos, etc.).

La esterilización por vapor se emplea para esterilizar diversos tipos de materiales sólidos: ropa de trabajo, instrumental de acero inoxidable, filtros, componentes de otros equipos, etc.; y también para medios líquidos en contenedores cerrados o ventilados. La esterilización por mezcla de vapor-aire y por mezcla de vapor-agua se han desarrollado especialmente para la esterilización terminal de soluciones líquidas en contenedores de vidrio o de plástico cerrados y se basan en el control de la presión diferencial existente entre el interior del contenedor y la cámara.

Definiciones Clave

Esterilización: Cualquier proceso por medio del cual todas las formas de vida de los microorganismos (bacterias, esporas, hongos y virus) contenidos en líquidos, en instrumentos y utensilios o dentro de varias substancias, son completamente destruidos.

Estéril: Completa libertad de, o ausencia de todos los microbios vivos y otras formas de vida.

Sanitización: Proceso por el cual el número de contaminantes de microbios en utensilios es reducida a un nivel relativamente seguro como es juzgado por los requerimientos de la salud pública (< 100 organismos/pulgadas cuadradas de un utensilio sanitizado).

Desinfección: Cualquier proceso, químico o físico, por medio del cual agentes patogénicos o microbios causantes de enfermedades son destruidos (agentes infecciosos; organismos de enfermedades contagiosas).

Biocarga: Concentración de UFC presentes en un elemento determinado.

Contaminación: Presencia de entidades físicas, químicas o biológicas indeseables.

Microorganismos: Se define como microorganismo a cualquier agente vivo microscópico que introducido a un huésped susceptible, es capaz de producir una infección. Se clasifican en parásitos, hongos, bacterias y virus.

Carga bacteriana: Se denomina carga bacteriana a la cantidad y tipo de microorganismos presentes en un equipo o artículo, antes del proceso de esterilización o re-esterilización.

Cinética de Destrucción de las Poblaciones Bacterianas

Cuando una población bacteriana es expuesta a un agente letal físico o químico, se produce una progresiva reducción del número de sobrevivientes. Condiciones fundamentalmente ambientales que afectan la cinética de destrucción. Dentro de estos se encuentran:

1. Concentración del agente.
2. Tiempo de exposición.
3. pH del medio.
4. Temperatura.
5. Presencia de materiales extraños.
6. Resistencia propia del microorganismo.
7. Número inicial de la población.

Métodos de Esterilización

Físicos

• Calor Húmedo: Ebullición, tyndalización, pasteurización, vapor a presión (autoclave).
• Calor Seco: Flameado, incineración, horno Pasteur (aire caliente).
• Radiaciones Ionizantes: Radiaciones rayos gamma, rayos X, rayos ultravioleta.

Mecánicos

• Filtración, sedimentación.

Químicos

• Gases: Óxido de etileno, formaldehído, etc.

Calor Húmedo: Produce desnaturalización y coagulación de proteínas. Estos efectos se deben principalmente a dos razones:

1. El agua es una especie química muy reactiva y muchas estructuras biológicas son producidas por reacciones que eliminan agua.
2. El vapor de agua posee un coeficiente de transferencia de calor mucho más elevado que el aire.

Autoclave: Se realiza la esterilización por el vapor de agua a presión. El modelo más usado es el de Chamberland. Esteriliza a 120º a una atmósfera de presión y se deja el material durante 20 a 30 minutos.

Esterilización por vapor de agua: Es el proceso mediante el cual se somete a los microorganismos a la acción del calor (121 – 134ºC) con la inyección de vapor saturado y seco a presión.

Esterilización por gas de Óxido de Etileno: Es un proceso de esterilización a baja temperatura (30-60ºC) mediante el cual se somete a los microorganismos a la acción química del Óxido de Etileno. Se presenta como gas o líquido incoloro, puro o con mezcla (en general, con freón). Penetra con facilidad a través de materiales de goma y plástico en estado gaseoso.

Etiquetas: dinámica de fluidos, ecuación de Bernoulli, fluido ideal, principio de continuidad