Fluidos: características, propiedades, tipos, ejemplos
Los fluidos son medios continuos cuyas moléculas no se encuentran tan ligadas como en los sólidos, y por lo tanto poseen una mayor movilidad. Tanto los líquidos como los gases son fluidos y algunos, como el aire y el agua, son de vital importancia, pues son necesarios para mantener la vida.
Ejemplos de fluidos son el agua, el helio superfluido o el plasma sanguíneo. Hay materiales que parecen sólidos, pero que sin embargo exhiben las características que tienen los fluidos, por ejemplo el alquitrán. Poniendo un ladrillo encima de un gran trozo de alquitrán se observa que se hunde poco a poco hasta llegar al fondo.
Algunos plásticos también aparentan ser sólidos, pero en realidad son fluidos con elevadísima viscosidad, capaces de fluir sumamente despacio.
Índice del artículo
- 1 Características de los fluidos
- 2 Propiedades de los fluidos
- 3 Clasificación: tipos de fluidos
- 4 Ejemplos de fluidos
- 5 Referencias
Los fluidos se caracterizan principalmente por:
-Tener una mayor separación entre sus moléculas en comparación con los sólidos. En el caso de los líquidos, las moléculas aún mantienen cierta cohesión, mientras que en los gases interactúan mucho menos.
-Fluir o escurrir, cuando actúan esfuerzos cortantes sobre ellos. Los fluidos no resisten los esfuerzos, por lo tanto se deforman de manera continua y permanente cuando se les aplica uno.
-Adaptarse a la forma del recipiente que los contiene y si se trata de gases, de inmediato se expanden hasta abarcar todo el volumen del mismo. Más aún, si pueden, las moléculas escaparán rápidamente del envase.
-Los gases son fácilmente compresibles, es decir, su volumen puede cambiarse con facilidad. En cambio, para modificar el volumen de un líquido hace falta más esfuerzo, por ello se los considera incompresibles en un amplio rango de presiones y temperaturas.
-Los líquidos tienen una superficie libre plana cuando la presión que actúa sobre ellos es constante. A presión atmosférica por ejemplo, la superficie de un lago sin olas es plana.
El comportamiento macroscópico de un fluido se describe mediante varios conceptos, siendo los principales: densidad, peso específico, densidad relativa, presión, módulo de compresibilidad y viscosidad. Veamos en que consiste cada uno brevemente.
En un medio continuo como un fluido no es fácil seguir la pista de una sola partícula o molécula, por eso en vez de trabajar con la masa de una, se prefiere hacerlo con la densidad, una característica que atañe al fluido como un todo.
La densidad se define como el cociente entre la masa y el volumen. Denotando la densidad con la letra griega ρ, la masa m y el volumen V:
ρ = m/V
Cuando la densidad varía de un punto a otro del fluido se utiliza la expresión:
ρ = dm/dV
En el Sistema Internacional de unidades la densidad se mide en kg/m3.
La densidad de cualquier sustancia en general no es constante. Todas al calentarse experimentan dilatación, salvo el agua, que se dilata al congelarse.
Sin embargo, en los líquidos la densidad permanece casi constante en un amplio rango de presiones y temperaturas, aunque los gases sí experimentan variaciones con mayor facilidad, ya que son más compresibles.
El peso específico se define como el cociente entre la magnitud del peso y el volumen. Por lo tanto está relacionado con la densidad, ya que la magnitud del peso es mg. Denotando al peso específico con la letra griega γ, se tiene:
γ = mg / V
La unidad del peso específico en el Sistema Internacional de Unidades es el newton/m3 y en términos de la densidad, el peso específico se puede expresar así:
γ = ρg
El agua y el aire son los fluidos más importantes para la vida, por eso sirven como patrón de comparación para los demás.
En los líquidos la densidad relativa se define como el cociente entre la masa de una porción de fluido y la masa de un volumen igual de agua (destilada) a 4 ºC y 1 atmósfera de presión.
En la práctica se calcula efectuando el cociente entre la densidad del fluido y la de agua en dichas condiciones (1 g/cm3 o 1000 kg/m3), por lo tanto la densidad relativa es una cantidad adimensional.
Se la denota como ρr o sg por las siglas en inglés de specific gravity, que se traduce como gravedad específica, otro nombre por el que se conoce a la densidad relativa:
sg = ρfluido / ρagua
Por ejemplo, una sustancia con sg = 2.5 es 2.5 veces más pesada que el agua.
En los gases la densidad relativa se define de la misma forma, pero en vez de usar el agua como referencia, se utiliza la densidad del aire igual a 1,225 kg/m3 a 1 atmósfera de presión y 15 ºC.
Un fluido consta de innumerables partículas en constante movimiento, capaces de ejercer fuerza sobre una superficie, por ejemplo la del recipiente que los contiene. La presión media P que el fluido ejerce sobre cualquier superficie plana de área A se define a través del cociente:
P = F┴/A
Donde F┴ es la componente perpendicular de la fuerza, por lo tanto la presión es una magnitud escalar.
Si la fuerza no es constante, o la superficie no es plana, entonces la presión se define mediante:
p = dF/dA
La unidad de la presión en SI es el newton/m2, llamada pascal y abreviado Pa, en honor al físico francés Blaise Pascal.
Sin embargo, en la práctica se utilizan muchas otras unidades, bien sea por razones históricas, geográficas o también de acuerdo al campo de estudio. Las unidades del sistema británico o sistema imperial se emplean con mucha frecuencia en los países de habla inglesa. Para la presión en este sistema se emplea el psi o libra-fuerza/pulgada2.
Cuando una porción de fluido es sometida a un esfuerzo de volumen, este disminuye en alguna medida. Esta disminución es proporcional al esfuerzo realizado, siendo la constante de proporcionalidad el módulo de compresibilidad o simplemente compresibilidad.
Si B es el módulo de compresibilidad, ΔP el cambio de presión y ΔV/V el cambio unitario de volumen, entonces matemáticamente:
B = ΔP / (ΔV/V)
El cambio unitario de volumen es adimensional, por ser el cociente entre dos volúmenes. De esta manera la compresibilidad tiene las mismas unidades de la presión.
Como se dijo al comienzo, los gases son fluidos fácilmente compresibles, en cambio los líquidos no, por lo tanto estos tienen módulos de compresibilidad comparables a los de los sólidos.
Un fluido en movimiento puede modelarse mediante capas delgadas que se desplazan unas respecto a otras. La viscosidad es el roce que existe entre ellas.
Para imprimir movimiento al fluido se aplica un esfuerzo de corte (no muy grande) a una sección, el rozamiento entre capas impide que la perturbación llegue a las capas más profundas.
En este modelo, si la fuerza se aplica a la superficie del fluido, la velocidad va disminuyendo linealmente en las capas inferiores hasta anularse en el fondo, donde el fluido está en contacto con la superficie en reposo del recipiente que lo contiene.
Matemáticamente se expresa diciendo que la magnitud del esfuerzo de corte τ es proporcional a la variación de la velocidad con la profundidad, a la que se denota como Δv/ Δy. La constante de proporcionalidad es la viscosidad dinámica μ del fluido:
τ = μ (Δv/ Δy)
Esta expresión se conoce como ley de Newton de la viscosidad y a los fluidos que la siguen (algunos no siguen este modelo) se les llama fluidos newtonianos.
En el Sistema Internacional las unidades de la viscosidad dinámica son Pa. s, pero es de uso común el poise, abreviado P, que equivale a 0.1 Pa.s.
Los fluidos se clasifican obedeciendo a diversos criterios, la presencia o ausencia de rozamiento es uno de ellos:
Su densidad es constante, es incompresible y de viscosidad es nula. Además es irrotacional, es decir, no se forman torbellinos en su interior. Y por último es estacionario, lo que significa que todas las partículas de fluido que pasan por determinado punto tienen la misma velocidad
En las capas de los fluidos reales hay rozamientos y por lo tanto viscosidad, además pueden ser compresibles, aunque como hemos dicho, los líquidos son incompresibles en un amplio rango de presiones y temperaturas.
Otro criterio establece que los fluidos pueden ser newtonianos y no newtonianos, según el modelo de viscosidad que sigan:
Cumplen la ley de Newton de la viscosidad:
τ = μ (Δv/ Δy)
No cumplen la ley de Newton de la viscosidad, así que su comportamiento es más complejo. Se clasifican a su vez en fluidos con viscosidad independiente del tiempo y aquellos con viscosidad dependiente del tiempo, más complejos aún.
El agua es un fluido newtoniano, aunque bajo ciertas condiciones el modelo de fluido ideal describe muy bien su comportamiento.
Es un buen ejemplo de fluido no newtoniano independiente del tiempo, concretamente de los fluidos seudoplásticos, en los cuales la viscosidad aumenta mucho con el esfuerzo cortante aplicado, pero que luego, al aumentar el gradiente de velocidad, deja de aumentar progresivamente.
Hace falta mucha tensión de corte para que este tipo de fluidos comience a fluir. Luego la viscosidad se mantiene constante. A este tipo de fluido se le llama fluido de Bingham. El dentífrico y algunas pinturas también pertenecen a esta categoría.
Es un fluido que se utiliza para pavimentar las carreteras y como impermeabilizante. Tiene el comportamiento de un fluido de Bingham.
Carece totalmente de viscosidad, pero a temperaturas cercanas al cero absoluto.
- Cimbala, C. 2006. Mecánica de Fluidos, Fundamentos y Aplicaciones. Mc. Graw Hill.
- Medida de la viscosidad de un líquido. Recuperado de: sc.ehu.es.
- Mott, R. 2006. Mecánica de Fluidos. 4ta. Edición. Pearson Educación.
- Wikipedia. Superfluidez. Recuperado de: es.wikipedia.org.
- Zapata, F. Fluidos: densidad, peso específico y gravedad específica. Recuperado de: francesphysics.blogspot.com.