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Propiedades de los Fluidos: Viscosidad y Comportamiento Reológico
Viscosidad y Reología
La viscosidad se define como la resistencia de un fluido a deformarse ante la aplicación de fuerzas exteriores. Según la Ley de Newton:
Clasificación de los Fluidos
- Fluidos Newtonianos: Son aquellos que cumplen con la Ley de Newton.
- Fluidos No Newtonianos: Son aquellos que no cumplen con dicha ley. La reología es la ciencia encargada de estudiar el comportamiento de estos fluidos.
Los fluidos no newtonianos se clasifican en tres grandes grupos:
1. Independientes del tiempo
Su comportamiento se define por la relación grad v = f(τ). Existen tres tipos principales:
- Plásticos de Bingham: (τ = τy + μ · grad v). Requieren sobrepasar un esfuerzo cortante inicial (tensión de fluencia) para que comience el movimiento. Una vez superado, el material fluye comportándose como un fluido newtoniano. Ejemplos: Pasta de dientes, jabón, ketchup.
- Pseudoplásticos: (τ = k(grad v)n, n < 1). Su viscosidad dinámica (μ) disminuye progresivamente a medida que aumenta el esfuerzo cortante. Ejemplos: Gelatina, arcilla, leche.
- Dilatantes: (τ = k(grad v)n, n > 1). La viscosidad aumenta progresivamente al aumentar el esfuerzo cortante aplicado. Ejemplos: Mezcla de maicena con agua, fango.
2. Dependientes del tiempo
Su comportamiento depende de la duración del esfuerzo: grad v = f(τ, t). Se dividen en:
- Tixotrópicos: Precisan de una disminución gradual del esfuerzo cortante para mantener constante la velocidad de deformación. La viscosidad disminuye con el tiempo bajo un esfuerzo constante. Ejemplo: Tinta de imprenta.
- Reopécticos: Precisan un aumento gradual del esfuerzo cortante para mantener constante la velocidad de deformación. Su comportamiento es opuesto al de los tixotrópicos. Ejemplos: Algunos lubricantes y jabones.
3. Viscoelásticos
Presentan propiedades tanto viscosas como elásticas. El tipo más simple es aquel que es newtoniano en viscosidad y cumple la Ley de Hooke en elasticidad. Ejemplos: Nata, helados, polímeros fundidos.
Variación de la Viscosidad
Influencia de la Presión
En los líquidos, la viscosidad dinámica aumenta exponencialmente con la presión isotrópica. En los gases, la viscosidad dinámica se suele expresar mediante la ecuación: μ = ρ × vm × λ / 3.
Influencia de la Temperatura
- Líquidos: La viscosidad disminuye al aumentar la temperatura debido a la cercanía entre sus moléculas. En líquidos newtonianos, sigue aproximadamente la ecuación de Arrhenius:
μ = A · eB/T. - Gases: La viscosidad aumenta con la temperatura debido a la transferencia de movimientos moleculares, variando según la Ley de Sutherland.
Viscosidades Empíricas e Índice de Viscosidad
La viscosidad empírica es la medida de un líquido objeto de ensayo comparada con un líquido patrón (generalmente agua). Los viscosímetros más utilizados son: Engler, Saybolt, Redwood y los de tubo en U (Ostwald y Cannon-Fenske).
El Índice de Viscosidad (IV) es una característica que permite definir cuantitativamente la variación de la viscosidad con la temperatura mediante la fórmula: I = 100 · (S₀ - S) / (S₀ - S₁₀₀). Si S = S₀, la viscosidad es muy variable con la temperatura; si S = S₁₀₀, varía poco.
Elasticidad y Módulo de Elasticidad
Aunque se considera que los líquidos son incompresibles, pueden comprimirse bajo presiones suficientemente altas.
- Coeficiente de compresibilidad cúbica (α): Mide la facilidad con la que un fluido cambia su volumen ante la presión.
dV/V = -α · dp. - Módulo de Elasticidad Volumétrica (E): Representa la rigidez del fluido (
E = 1/α). Un valor alto indica que el líquido es muy difícil de comprimir.
En los gases ideales, el módulo depende del proceso termodinámico:
- Isotermo (T = cte): E = p.
- Adiabático (Q = 0): E = k · p.
Tensión Superficial y Capilaridad
La tensión superficial (σ) es la fuerza que produce efectos de tensión en la superficie de los líquidos en contacto con otro fluido. Se origina por la cohesión intermolecular y la adhesión del fluido al sólido. En la superficie libre, las atracciones no están equilibradas, creando una «membrana» en equilibrio: σ = F / l. Esta propiedad varía únicamente con la temperatura y tiende a dar a los líquidos una forma esférica.
La capilaridad es el fenómeno por el cual un líquido asciende o desciende por un tubo fino debido a la acción de la tensión superficial.
Ley de Henry
Establece que: «En la disolución de gases en líquidos, la relación entre la presión del gas en la fase gaseosa y su concentración en la fase líquida es constante para una temperatura determinada». Se expresa como: p / c = k.
