La viscosidad
La característica de viscoso se conoce como viscosidad.
Algo viscoso es adhesivo o pastoso, diferenciándose de otros estados como el
sólido o el líquido.
En este sentido, hay que subrayar que algo viscoso
también suele relacionarse con el término moco pues ambos conceptos vienen a
dejar patente que el elemento al que se refieren se caracteriza por ser
resbaladizo, pegajoso y además glutinoso.
Entre los productos más viscosos se encontrarían desde la
gelatina, diversos tipos de jabones, champús, geles y demás productos de
belleza.
La viscosidad es una característica de los fluidos en
movimiento, que muestra una tendencia de oposición hacia su flujo ante la
aplicación de una fuerza. Cuanta más resistencia oponen los líquidos a fluir,
más viscosidad poseen. Los líquidos, a diferencia de los sólidos, se
caracterizan por fluir, lo que significa que al ser sometidos a una fuerza, sus
moléculas se desplazan, tanto más rápidamente como sea el tamaño de sus
moléculas. Si son más grandes, lo harán más lentamente.
La viscosidad es medida con un viscosímetro que muestra
la fuerza con la cual una capa de fluido al moverse arrastra las capas
contiguas. Los fluidos más viscosos se desplazan con mayor lentitud. El calor
hace disminuir la viscosidad de un fluido, lo que lo hace desplazarse con más
rapidez. Cuanto más viscoso sea el fluido más resistencia opondrá a su
deformación.
Los materiales viscosos tienen la característica de ser
pegajosos, como los aceites o la miel. Si se vuelcan, no se derraman fácilmente,
sino que se pegotean. Lo contrario ocurre con el agua, que tiene poca
viscosidad. La sangre también posee poca viscosidad, pero más que el agua. La
unidad de viscosidad es el Poise.
Si bien en los diccionarios aparece como sinónimo de
denso, hay materiales como el mercurio, que son densos pero no viscosos.
Los fluidos no viscosos se denominan ideales, pues todos
los flujos algo de viscosidad tienen. Los fluidos con menor viscosidad (casi
ideal) son los gases.
También se denomina viscoso a un tipo de tejido que se
fabrica utilizando como materia prima, la celulosa.
Tensión superficial
En un fluido interacciona con las que le rodean. El radio
de acción de las fuerzas moleculares es relativamente pequeño, abarca a las
moléculas vecinas más cercanas. Vamos a determinar de forma cualitativa, la
resultante de las fuerzas de interacción sobre una molécula que se encuentra en
A, el interior del líquido
B, en las
proximidades de la superficie
C, en la
superficie
Consideremos una molécula en el seno de un líquido en
equilibrio, alejada de la superficie libre tal como la A. Por simetría, la
resultante de todas las fuerzas atractivas procedentes de las moléculas que la rodean, será nula.
En cambio, si la molécula se encuentra en B, por existir
en valor medio menos moléculas arriba que abajo, la molécula en cuestión estará
sometida a una fuerza resultante dirigida hacia el interior del líquido.
La fuerzas de interacción, hacen que las moléculas
situadas en las proximidades de la superficie libre de un fluido experimenten
una fuerza dirigida hacia el interior del líquido.
La fuerza F es independiente de la longitud x de la lámina.
Si desplazamos el alambre deslizante una longitud Dx, las fuerzas exteriores
han realizado un trabajo FDx, que se habrá invertido en incrementar la energía
interna del sistema. Como la superficie de la lámina cambia en DS=2dDx (el
factor 2 se debe a que la lámina tiene dos caras), lo que supone que parte de
las moléculas que se encontraban en el interior del líquido se han trasladado a
la superficie recién creada, con el consiguiente aumento de energía.
Si llamamos a g la energía por unidad de área, se
verificará que la energía superficial por unidad de área o tensión superficial
se mide en J/m2 o en N/m.
La tensión superficial depende de la naturaleza del
líquido, del medio que le rodea y de la temperatura. En general, la tensión
superficial disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas de cohesión
disminuyen al aumentar la agitación térmica. La influencia del medio exterior
se comprende ya que las moléculas del medio ejercen acciones atractivas sobre
las moléculas situadas en la superficie del líquido, contrarrestando las
acciones de las moléculas del líquido.
Capilaridad
La 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.
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.
Agua
Mercurio
Efectos de capilaridad.
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 ilustrra 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.
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.
Cohesión
En los líquidos, la cohesión se refleja en la tensión
superficial, causada por una fuerza no equilibrada hacia el interior del
líquido que actúa sobre las moléculas superficiales, y también en la
transformación de un líquido en sólido cuando se comprimen las moléculas lo
suficiente. En los sólidos, la cohesión depende de cómo estén distribuidos los
átomos, las moléculas y los iones, lo que a su vez depende del estado de
equilibrio (o desequilibrio) de las partículas atómicas. Muchos compuestos
orgánicos, por ejemplo, forman cristales moleculares, en los que los átomos
están fuertemente unidos dentro de las moléculas, pero éstas se encuentran poco
unidas entre sí.
En conclusión la cohesión se caracteriza así según el
estado de las sustancias:
En los sólidos,
las fuerzas de cohesión son elevadas y en las tres direcciones espaciales.
Cuando aplicamos una fuerza solo permite pequeños desplazamientos de las
moléculas entre si, cuando cesa la fuerza exterior, las fuerzas de cohesión
vuelven a colocar las moléculas en su posición inicial.
En los
líquidos, las fuerzas de cohesión son elevadas en dos direcciones espaciales, y
entre planos o capas de fluidos son muy débiles. Por otra parte las fuerzas de
adherencia con los sólidos son muy elevadas. Cuando aplicamos una fuerza
tangencial al líquido, este rompe sus débiles enlaces entre capas, y las capas
de líquido deslizan unas con otras. Cuando cesa la fuerza, las fuerzas de
cohesión no son lo suficiente fuertes como para volver a colocar las moléculas
en su posición inicial, queda deformado. La capa de fluido que se encuentra
justo en contacto con el sólido, se queda pegada a éste, y las capas de fluido
que se encuentran unas juntas a las otras deslizan entre sí. En los gases, las
fuerzas de cohesión son despreciables, las moléculas se encuentran en constante
movimiento. Las fuerzas de adherencia con los sólidos y los líquidos son
importantes. Al aplicarse una fuerza de corte, se aumenta la velocidad media de
las moléculas. Como estas partículas con más velocidad media (más cantidad de
movimiento) se mueven en el espacio, algunas pasan a las capas contiguas
aumentando a su vez la velocidad media de esas capas adyacentes, estas a su vez
con una cantidad de movimiento más pequeña, algunas de sus partículas pasan a
la capa de mayor cantidad de movimiento (afectada por el esfuerzo de corte)
frenándola.
Adhesión
La adhesión es la propiedad de la materia por la cual se
unen y plasman dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran
en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares.
Mecanismos de adhesión
La cohesión es la causa de que el agua forme gotas, la
tensión superficial hace que se mantengan esférica y la adhesión la mantiene en
su sitio.
Las gotas de agua son más planas sobre la flor de
Hibiscus ya que tienen mejor adhesión.
Cinco mecanismos han sido propuestos para explicar por
qué un material se adhiere a otro.
Adhesión mecánica
Los materiales adhesivos rellenan los huecos o poros de
las superficies manteniendo las superficies unidas por enclavamiento. Existen
formas a gran escala de costura, otras veces a media escala como el velcro y
algunos adhesivos textiles que funcionan a escalas pequeñas. Es un método
similar a la tensión superficial
Adhesión química
Dos materiales pueden formar un compuesto al unirse. Las
uniones más fuertes se producen entre átomos donde hay permutación (enlace
iónico) o se comparten electrones (enlace covalente). Un enlace más débil se
produce cuando un átomo de hidrógeno que ya forma parte de una partícula se ve
atraída por otra de nitrógeno, oxígeno o flúor, en ese caso hablaríamos de un puente
de hidrógeno. La adhesión química se produce cuando los átomos de la interfaz
de dos superficies separadas forman enlaces iónicos, covalentes o enlaces de
hidrógeno.
El principio de la ingeniería detrás de adhesión química
en este sentido es bastante sencillo: si las moléculas de superficie se pueden
unir, a continuación, las superficies se unen entre sí por una red de estos
enlaces. Cabe mencionar que estas fuerzas iónicas y covalentes atractivas son
eficaces sólo en distancias muy pequeñas - de menos de un nanómetro . Esto
significa que, en general, no sólo las superficies que se quieren unir estén
muy próximas entre sí, sino también, que estos enlaces sean bastante frágiles,
ya que las superficies a continuación deben mantenerse juntas.
Incompresibilidad
Un flujo se caracteriza como incompresible dependiendo
siempre de la variación de la densidad del fluido y de la velocidad que
desarrolle, es decir, si la densidad del flujo no varía a lo largo del fluido,
se caracteriza directamente como incompresible.
Para una explicación más comprensible, cuando los
líquidos, que son los que corresponden generalmente al grupo de los
incompresibles, no sufren alteración alguna en todas las porciones de fluido
sobre el curso de movimiento, son fluidos incompresibles.
Una presión de 210 atm, hace que un líquido aumente su
densidad en sólo un 1 por ciento.
Un flujo se convierte en incompresible cuando los cambios
que sufre la temperatura no son de una calidad tan importante, lo que los
convierte en cambios despreciables.
Esta ecuación, considera al calor como un flujo
estacionario sin esfuerzo constante. Para finalizar, la ecuación de Bernoulli
es una aproximación a los números, que puede tener un margen de error de hasta
un dos por ciento, lo que no despierta una consideración importante a la hora
de realizar la ecuación química.
Navier Strokes es otro de los estudiosos que entran en
nuestra lista. El tensor de esfuerzo, por definición, es linealmente
proporcional al tensor de razón de formación.
Aunque los componentes de esta ecuación se resolvieron en
coordenadas de tipo cartesiano, es de todas formas una ecuación diferencial,
parcial de segundo orden, por lo que antes de resolver este tipo de ecuaciones,
es necesario elegir un sistema coordenado para expandir las ecuaciones en el.
La mecánica de fluidos sostiene que la compresibilidad,
es decir, si un flujo es compresible o incompresible, depende de la naturaleza
de la que provenga y de los cambios que sufra al momento de que sea alterada su
presión, y si su temperatura sufre cambios significativos como para que puedan
ser apreciables y no despreciables.
Un dato curioso, que no está demás agregar, es que la
ecuación de Navier Stokes es sólo aplicable para fluidos Newtonianos, es decir,
viscosos y de conductividad térmica, entre otros.
