Propiedades De Los Liquidos.docx

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 1 DEFINICION DE FLUIDO Se le llama fluido a toda aquella sustancia continua que puede fluir. Los fluidos pueden ser gaseosos y líquidos. Esta es la diferencia fundamental entre un sólido, cuya forma es definida, y un fluido que tiende a tomar la forma del recipiente que lo contiene. Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre sí por fuerzas cohesivas débiles y las paredes de un recipiente. En el cambio de forma de un fluido la posición que toman sus moléculas varía, ante una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen. Los líquidos toman la forma del recipiente que los aloja, manteniendo su propio volumen, mientras que los gases carecen tanto de volumen como de forma propias. Las moléculas no cohesionadas se deslizan en los líquidos, y se mueven con libertad en los gases. Los fluidos están conformados por los líquidos y los gases, siendo los segundos mucho menos viscosos (casi fluidos ideales). Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades físicas que permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento, así como distinguirlos de otros. Algunas de estas propiedades son exclusivas de los fluidos y otras son típicas de todas las sustancias. Propiedades como la viscosidad, tensión superficial y presión de vapor solo se pueden definir en los líquidos y gases. Sin embargo, la masa específica, el peso específico y la densidad son atributos de cualquier materia.

2 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 2.1 VISCOCIDAD La viscosidad de un fluido es una medida de su resistencia a una deformación angular o esfuerzo cortante. Las fuerzas de fricción en el flujo de un fluido resultan de la cohesión y el intercambio de cantidad de movimiento entre las moléculas en el fluido. El hecho de que un fluido sea más viscoso que otro quiere decir que tiene mayor oposición a su deformación, sin embargo con la sola acción de aplicarle energía calórica (aumento de temperatura) a un fluido, ocasiona que disminuya su viscosidad, lo que provoca este pueda moverse de una manera mucho más rápida. A parte de los líquidos los gases también poseen la característica de la viscosidad debido a que estos también son fluidos o se pueden poner en

movimiento, sin embargo en este caso sus efectos suelen ser despreciables en vista que son tomados en cuenta como fluidos ideales. Cuando la temperatura se incrementa, la viscosidad de todos los líquidos disminuye, mientras que la de los gases aumenta. Esto se debe a que la fuerza de cohesión, la cual disminuye con la temperatura, predomina en los líquidos, mientras que el factor dominante en los gases es el intercambio de moléculas entre las capas de velocidades diferentes. Así una molécula moviéndose rápidamente hacia una capa que se mueve más lentamente, provoca que la velocidad de esta última se incremente. Y una molécula que se mueve lentamente entrando a una capa moviéndose más rápidamente, provoca que ésta disminuya su velocidad. Este intercambio molecular causa un esfuerzo cortante o produce una fuerza de fricción entre capas adyacentes. El incremento de la actividad molecular a temperaturas altas causa que la viscosidad de los gases se incremente con la temperatura.

De acuerdo con su comportamiento viscosos los fluidos se pueden clasificar en: FLUIDOS NEWTONIANOS. - Se dice que un fluido es newtoniano si su viscosidad, que es la medida o capacidad de un fluido para resistir el flujo, solo varía como una respuesta a los cambios de temperatura o presión. Un fluido newtoniano tomará la forma que tenga su contenedor. En condiciones de temperatura y presión constantes, la viscosidad de un fluido newtoniano es la constante de proporcionalidad, o la relación entre el esfuerzo cortante que se forma en el fluido para resistir el flujo y la velocidad de corte aplicada al fluido para inducir el mismo; la viscosidad es la misma para todas las velocidades de cizallamiento aplicadas al fluido. El agua, las soluciones de azúcar, la glicerina, los aceites de silicona, los hidrocarburos livianos, el aire y otros gases son todos ejemplos de fluidos newtonianos. Viscosidad absoluta o dinámica (μ): El coeficiente de viscosidad absoluta es una medida de su resistencia al deslizamiento o a sufrir deformaciones internas. La unidad de la viscosidad absoluta o dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal por segundo (Pa∙s) o también Newton por segundo partido por metro cuadrado (N∙s/m2), es decir kilogramo partido por metro segundo (kg/m∙s). Esta unidad se conoce como Poise. Uno de los submúltiplos más utilizados es el

centipoise (cP), 10-2 poises, es la unidad más utilizada para expresar la viscosidad cinemática de un fluido. Unidad Pa∙s cP 1 Pa∙s 1 1000 1 cP 0,001 1 Relación de unidades para la viscosidad Viscosidad cinemática (v): Es el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad, y se suele usar la letra griega v. En el sistema internacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado por segundo (m2/s). La unidad CGS correspondiente para esta magnitud es el Stokes, con dimensiones de centímetro cuadrado por segundo, y su múltiplo más utilizado es el centistoke (cSt). 1 m/s = 106 cSt 1 cSt = 10-6 m2/s

𝑣=

μ ρ

FLUIDOS NO NEWTONIANOS. - Un fluido no newtoniano es aquel que no tiene una viscosidad definida y constante, al contrario que los fluidos convencionales que siguen la mecánica newtoniana. En los fluidos newtonianos la viscosidad puede describirse en función de la temperatura y la presión sin que intervengan otras fuerzas. En los fluidos no newtonianos, por el contrario, la viscosidad depende de la temperatura y de la fuerza cortante a la que esté sometido el fluido. El agua es uno de los mejores ejemplos de fluido newtoniano; como fluidos no newtonianos podemos citar la miel, la sangre, numerosos tipos de geles y pinturas, etc. Es un tipo intermedio entre fluido y sólido, dependiendo de sus condiciones de temperatura y tensión cortante. Así, no tendrá una viscosidad única, sino que dependerá de las fuerzas que impacten sobre él: si se lo somete a una fuerza repentina, reaccionará como un sólido, ofreciendo resistencia; mientras que si se lo deja en reposo fluirá como un líquido más o menos denso. Esta figura compara cuatro ejemplos de estos fluidos con uno newtoniano.

Un fluido dilatante es aquel en que la resistencia a la deformación aumenta al aumentar el esfuerzo cortante. Por el contrario, un fluido pseudoplástico es el que disminuye su resistencia al aumentar el esfuerzo. Si este efecto es muy importante, como el caso marcado en la figura con línea discontinua, el fluido se denomina plástico. El caso límite de sustancia plástica es aquel que requiere un esfuerzo finito (límite de fluencia) antes de que fluya. La idealización del fluido plástico de Bingham se muestra en la figura; pero el comportamiento en la fluencia puede ser también no lineal. SUPERFLUIDOS O FLUIDOS PERFECTOS. - El superfluido es un estado de la materia que se caracteriza por la ausencia total de viscosidad, por lo que se diferencia de una sustancia muy fluida, con una viscosidad próxima a cero, pero no igual a cero. Así tenemos que un elemento superfluido en un circuito cerrado fluiría indefinidamente y sin fricción. La superfluidez es un fenómeno físico que se da a temperaturas muy bajas, cercanas al cero absoluto (0 K o -273° C), límite en el que cesa toda actividad. A esas temperaturas se congelan casi todos los elementos, con la excepción del He (helio), que se licua a presión ambiente a una temperatura de 4.2 K (- 269 ° C). En ese punto su viscosidad (resistencia) se convierte en cero.

3 DENSIDAD, VOLUMEN ESPECIFICO, PESO ESPECIFICO Y GRAVEDAD ESPECIFICA DENSIDAD (𝝆).- En ámbitos de ciencias, la densidad es una propiedad física característica de cualquier materia. Es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un cuerpo (m/v); es decir, es la cantidad de materia (masa) que tiene un cuerpo en una unidad de volumen. 𝜌=

𝑚 𝑉

Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo por metro cúbico, pero por razones prácticas se utiliza normalmente el gramo por centímetro cúbico. Cada sustancia, en su estado natural, tiene una densidad característica. Por ejemplo, 1 litro de agua en estado líquido tiene una masa de 1 kilogramo: decimos que la densidad del agua es 1 kg/l. Algunas veces nos fijamos que unos cuerpos flotan en el agua y otros se hunden, esto se debe a la diferencia de densidad entre ellos. Los cuerpos menos densos que el agua, como un trozo de madera o aceite, flotan sobre ella, mientras que los más densos como un huevo o una piedra, tienden a hundirse en el fondo del agua.

VOLUMEN ESPECIFICO (𝒗).- El volumen específico (𝑣) es el volumen ocupado por unidad de masa de un material. Es el inverso de la densidad, por lo cual no dependen de la cantidad de materia. Ejemplos: dos pedazos de hierro de distinto tamaño tienen diferente peso y volumen, pero el peso específico de ambos será igual. Este es independiente de la cantidad de materia que es considerada para calcularlo. A las propiedades que no dependen de la cantidad de materia se las llama propiedades intensivas; dentro de estas están también por ejemplo el punto de fusión, punto de ebullición, el brillo, el color, la dureza, etc.

𝑣=

𝑉 1 = 𝑚 𝜌

Donde, 𝑉 es el volumen, 𝑚 es la masa y 𝜌 es la densidad del material. Se expresa en unidades de volumen sobre unidades de masa. PESO ESPECIFICO (𝜸).- Se le llama peso específico a la relación entre el peso de una sustancia y su volumen. Su expresión de cálculo es:

𝛾=

𝑃 𝑚𝑔 = = 𝜌𝑔 𝑉 𝑉

siendo,

𝛾, el peso específico; 𝑃, el peso de la sustancia; 𝑉 , el volumen de la sustancia; 𝜌, la densidad de la sustancia; 𝑚, la masa de la sustancia; 𝑔, la aceleración de la gravedad. En el Sistema Internacional de Unidades (SI) se lo expresa en newtons por metro cúbico: N/m3. GRAVEDAD ESPECIFICA (𝑺).- La gravedad especifica o densidad relativa es una comparación de la densidad de una sustancia con la densidad de otra que se toma como referencia. Ambas densidades se expresan en las mismas unidades y en iguales condiciones de temperatura y presión. La densidad relativa es adimensional (sin unidades), ya que queda definida como el cociente de dos densidades. 𝑆=

𝜌 𝜌𝑟𝑒𝑓





Para los líquidos y los sólidos, la densidad de referencia habitual es la del agua líquida a la presión de 1 atm y la temperatura de 4 °C. En esas condiciones, la densidad absoluta del agua es de 1000 kg/m3 Para los gases, la densidad de referencia habitual es la del aire a la presión de 1 atm y la temperatura de 0 °C.

Ya que la densidad de un fluido varía con la temperatura, las gravedades específicas deberán determinarse y especificarse a temperaturas particulares.

4 PRESION La presión de los fluidos es la fuerza que su masa ejerce sobre los cuerpos que se encuentren dentro suyo: un objeto que cae al fondo de un lago tendrá encima el peso de todo el volumen de agua completo, lo cual se traduce en mayor presión que estando en la superficie. Un fluido almacenado en un recipiente ejerce una fuerza sobre sus paredes. Esta fuerza ejercida por unidad de superficie se denomina Presión. Se mide con el Manómetro. Presión (p) = Fuerza (F)/ Superficie (S) La unidad de presión en el sistema internacional es el Pascal (Pa), que equivale a 1 newton por cada metro cuadrado. El problema es que el pascal es una unidad muy pequeña en comparación con los valores habituales de presión. Por este motivo se utilizan otras unidades como el bar o la atmósfera. 1atm = 101.300 Pa 1bar = 100.00 Pa La fuerzas debidas a la presión del fluido actúan en dirección perpendicular a las paredes del recipiente en cada uno de sus puntos. - Los gases presionan con la misma intensidad sobre todos los puntos del recipiente. Su valor en condiciones naturales es pequeño debido a la baja densidad de los gases, aunque puede aumentar al comprimirlos. - La presión en los líquidos aumenta con la profundidad debido al peso del líquido que tiene por encima, por lo que la máxima presión se produce en el fondo del recipiente. - La presión aplicada en un punto de un líquido contenido en un recipiente se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo (Principio de Pascal). Esto se utiliza por ejemplo en los sistema de frenos. - Podemos comprobar que la presión aumenta al descender dentro de un líquido viendo que la velocidad con la que sale el líquido es mayor cuanto más abajo esté el agujero efectuado en la pared lateral del recipiente.

PRESION DE VAPOR. - La presión de vapor o más comúnmente presión de saturación es la presión a la que a cada temperatura las fases líquida y vapor se encuentran en equilibrio; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado. Considérese una ampolla de cristal en la que se ha realizado el vacío y que se mantiene a una temperatura constante; si se introduce una cierta cantidad de líquido en su interior éste se evaporará rápidamente al principio hasta que se alcance el equilibrio entre ambas fases. Las moléculas de la superficie del líquido que tengan una mayor energía escaparán de la superficie pasando a la fase vapor (evaporación) mientras que las moléculas del vapor chocarán con las paredes de la ampolla y entre sí perdiendo energía y cayendo al líquido (condensación). Inicialmente sólo se produce la evaporación ya que no hay vapor; sin embargo, a medida que la cantidad de vapor aumenta y por tanto la presión en el interior de la ampolla, se va incrementando también la velocidad de condensación, hasta que transcurrido un cierto tiempo ambas velocidades se igualan. Llegados a este punto se habrá alcanzado la presión máxima posible en la ampolla (presión de vapor o de saturación) que no podrá superarse salvo que se incremente la temperatura. El equilibrio se alcanzará más rápidamente cuanto mayor sea la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, pues así se favorece la evaporación del líquido; del mismo modo que un charco de agua extenso, pero de poca profundidad se seca más rápido que uno más pequeño, pero de mayor profundidad que contenga igual cantidad de agua. Sin embargo, el equilibrio se alcanza en ambos casos para igual presión. El factor más importante que determina el valor de la presión de saturación es la propia naturaleza del líquido, encontrándose que en general entre líquidos de naturaleza similar, la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del líquido. La actividad molecular, y por tanto la presión de saturación, se incrementa con la temperatura. A cualquier temperatura, la presión sobre la superficie del líquido puede ser mayor que su presión de saturación, pero no puede ser menor, ya que cualquier ligera reducción provoca una rápida tasa de evaporación conocida como ebullición. Presión de vapor para algunos líquidos a 20°C (68 °F) MERCURIO AGUA KEROSENO TETRACLORURO DE CARBONO GASOLINA

N/m2, abs 0.17 2340 3200 12100 55000

mbar, abs 0.0017 23,4 32 121 550

psia 0.000025 0.339 0.46 1.76 8.0

5 TENSION SUPERFICIAL El concepto de tensión superficial se emplea en el ámbito de la física para hacer referencia a la cantidad de energía que se requiere para incrementar la superficie de un líquido por unidad de área. Dicha energía se necesita ya que los líquidos ejercen una resistencia a la hora de incrementar la superficie. La tensión superficial surge por las fuerzas que actúan cohesionando las moléculas de los líquidos. Dichas fuerzas no son iguales en la superficie y en el interior del líquido, aunque en promedio terminan anulándose. Como las moléculas de la superficie tienen más energía, el sistema tiende a minimizar el total de energía a partir de una reducción de las moléculas superficiales; de este modo, el área del líquido se reduce al mínimo. Una de las propiedades de la tensión superficial indica que, a medida que el líquido tenga mayores fuerzas de cohesión, contará con una tensión superficial mayor. De todas maneras, hay que tener en cuenta que la tensión superficial está vinculada a la temperatura, el medio y la naturaleza del líquido. Podemos entender la tensión superficial como una especie de membrana elástica que dificulta “ingresar” al líquido. Por este fenómeno, algunos insectos tienen la posibilidad de posarse sobre el agua sin que se hundan.

6 COHESION La cohesión es una fuerza que mantiene unidas a las partículas de una misma sustancia. Que es la fuerza con la que se atraen las moléculas de un mismo cuerpo. También la fuerza de cohesión es conocida como fuerza intermolecular y se presenta en líquidos, sólidos y gaseoso. Solido: la energía cinética de las moléculas es menor que la energía potencial es la cohesión que existe entre ellas. Liquido: si las energías cinética y potencial de sus moléculas son aproximadamente iguales. Gaseoso: si la energía cinética de las moléculas es mayor de su energía potencial.

Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. La cohesión es diferente de la adhesión; la cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos En el agua la fuerza de cohesión es elevada por causa de los puentes de hidrogeno que mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos.

7 ADHESIÓN La adhesión o adherencia es la propiedad de la materia por la cual se juntan dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, manteniéndose unidas por fuerzas intermoleculares. No es lo mismo que cohesión, que es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo o entre moléculas similares. La adhesión, en cambio, es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.

Tipos de mecanismos de adhesión entre materiales · Adhesión mecánica. En este caso, los materiales adhesivos rellenan los huecos o porosidades de las superficies, uniéndose por enclavamiento. Por ejemplo, el velcro. · Adhesión química: La unión de dos materiales producen un compuesto químico. · Adhesión dispersiva: Los materiales mantienen su adhesión por las fuerzas de van der Walls: la atracción entre dos moléculas, cada una de las cuales tiene regiones de carga positiva y negativa. Este efecto puede ser permanente o temporal, debido al movimiento constante de los electrones en una región. · Adhesión electrostática: la unión de dos materiales produce una diferencia de potencial, debido a que son materiales conductores de electrones. Esto crea una fuerza electrostática atractiva entre materiales. · Adhesión difusiva: Dos materiales se adhieren porque las moléculas de ambos son móviles y solubles entre sí.

8 CAPILARIDAD Es una propiedad de los líquidos que depende de su tensión superficial (la cual, a su vez, depende de la cohesión o fuerza intermolecular del líquido), que le confiere la capacidad de subir o bajar por un tubo capilar. Para entenderlo, veamos un experimento clásico: En un recipiente se vierte agua (coloreada de un cierto tinte para ver con mayor claridad el efecto que se produce). Se introduce en el recipiente un tubo de cristal alargado y estrecho. Inmediatamente parte de agua del recipiente ascenderá por el tubo hasta alcanzar una altura determinada, esta altura será tal que el peso del líquido que quede dentro del tubo sea igual a la tensión superficial de dicho líquido.

Si cogemos un tubo con un mayor diámetro el agua que ascenderá por él llegará a menor altura, pero el peso del líquido que queda dentro del tubo también es igual a la tensión superficial de dicho líquido.

Si se tuviese un tubo tan fino como el de un cabello, la cantidad de líquido ascendería mucho más en altura, pero el peso del líquido que queda dentro del tubo también es igual a la tensión superficial de dicho líquido. A este fenómeno se le conoce como Capilaridad líquida. Si tomamos un tubo de cristal grueso comunicado con uno fino y echamos agua en él se verá cómo en el tubo grueso el agua alcanza menos altura que en el fino, como se ilustra en la figura a la izquierda. Si hacemos la misma prueba con mercurio en vez de con agua (tal como se compara en la misma figura) resultará que en el tubo grueso el mercurio alcanza más altura que en el fino. Además, en el primer caso, se puede ver que el agua se une con la pared del tubo (menisco) de forma cóncava, mientras que con el mercurio lo hace de forma convexa. Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza intermolecular (o cohesión intermolecular) entre sus moléculas es menor a la adhesión del líquido con el material del tubo (es decir, es un líquido que moja). En palabras más sencillas, cuando se introduce un capilar en un recipiente con agua, ésta asciende por el capilar como si trepase agarrándose por las paredes, hasta alcanzar un nivel superior al del recipiente. El líquido sube hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste es el caso del agua, y ésta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.

9 COMPRESIBILIDAD La compresibilidad es una propiedad de la materia a la cual se debe que todos los cuerpos disminuyan de volumen al someterlos a una presión o compresión determinada manteniendo constantes otros parámetros Considerando varios tipos de fluidos bajo condiciones estáticas, se encuentra que ciertos fluidos sufren cambios muy pequeños en la densidad a pesar de la existencia de grandes presiones. Estos fluidos están invariablemente en estado líquido. Bajo tales circunstancias, al fluido se le denomina incompresible, y se supone durante los cálculos que la densidad es constante. Cuando la densidad no se puede considerar constante bajo condiciones estáticas, como en un gas, al fluido se le denomina compresible. Estas clasificaciones de compresibilidad están reservadas para estática. En dinámica de fluidos, la cuestión de cuándo la densidad se puede tratar como constante involucra más que sólo la naturaleza del fluido. Realmente, esto depende principalmente de un parámetro del flujo (el número de Mach). Entonces se habla de flujos compresibles e incompresibles, en vez de fluidos compresibles o incompresibles. Siempre que las variaciones de densidad en un problema sean de poca importancia, gases y líquidos se analizan de la misma manera. De acuerdo a sus cambios de densidad respecto al tiempo los fluidos pueden ser:

COMPRESIBLES. - es aquel en los cuales los cambios de densidad de un punto a otro no son despreciables, por fuerzas extremas o variables termodinámicas. La densidad varía de acuerdo con las condiciones del sistema, es decir: 𝜌 ≠ctte INCOMPRESIBLES. - es aquel en los cuales los cambios de densidad de un punto a otro son despreciables, mientras se examinan puntos dentro del campo del flujo, es decir, cumple con la siguiente ecuación: 𝜌 = 𝑐𝑡𝑡𝑒