Propiedades Fundamentales de los Fluidos: Densidad, Viscosidad y Tensión Superficial

Propiedades Físicas Esenciales de los Fluidos

La comprensión del comportamiento de los fluidos (líquidos y gases) requiere el estudio de sus propiedades fundamentales, las cuales definen su respuesta ante cambios de presión, temperatura y movimiento.

1. Densidad (ρ)

La densidad es la medida del grado de compactación de un material. Para un fluido homogéneo, se define como la masa por unidad de volumen y depende de factores tales como su temperatura y la presión a la que está sometido. Sus unidades en el Sistema Internacional (SI) son: kg/m³.

• Líquidos: Son ligeramente compresibles y su densidad varía poco con la temperatura o la presión.
• Gases: Para una masa dada, la presión, la temperatura y el volumen que ocupa se relacionan por medio de la ley de los gases ideales: pV = mRT, donde R es la constante de los gases ideales y T la temperatura absoluta (grados Kelvin).

2. Compresibilidad

En la mayoría de los casos prácticos, un líquido se considera incompresible. Sin embargo, cuando la presión cambia bruscamente, la compresibilidad se hace evidente e importante. Lo mismo ocurre si hay cambios significativos de temperatura.

La compresibilidad se expresa mediante el módulo elástico de compresión.

3. Viscosidad (μ)

La viscosidad es una medida de la resistencia interna del fluido al corte cuando este se encuentra en movimiento. Se le puede ver como una constante de proporcionalidad entre el esfuerzo de corte y el gradiente de velocidad.

Unidades y Dependencia Térmica

Sus unidades en el SI son: Pa·s (Pascal-segundo) o kg/(m·s).

• Líquidos: La viscosidad de un líquido decrece con el aumento de temperatura.
• Gases: La viscosidad de los gases crece con el aumento de temperatura.

Esta diferencia se debe a las fuerzas de cohesión entre moléculas. Esta propiedad también depende de la presión.

4. Tensión Superficial (σ)

Una molécula dentro del líquido es atraída en todas direcciones por otras moléculas mediante fuerzas cohesivas. Cuando un líquido está en contacto con algún otro medio (aire, otro líquido, un sólido) se forma una superficie de contacto entre el líquido y el otro medio.

Comportamiento Molecular en la Interfase

Dentro del líquido, y lejos de su superficie de contacto, una molécula se encuentra en equilibrio: la suma de las fuerzas de atracción es cero. Sin embargo, en la superficie de contacto, la suma de estas fuerzas tiene como resultante una fuerza neta, perpendicular a la superficie y con sentido hacia el interior del líquido.

Esta fuerza hacia el interior hace que la superficie de contacto se comporte como una membrana elástica. Una de las consecuencias directas de la tensión superficial es la capilaridad.

5. Presión de Vapor y Equilibrio de Fases

Cavitación: Se crea una presión como resultado del vapor que se forma debido a las moléculas de líquido que se escapan. Cuando el número de moléculas que abandonan la superficie es igual al número de moléculas que entran en la superficie, se alcanza la condición de equilibrio.

Condición de Equilibrio

Se dice que el vapor está saturado y que la presión ejercida por el vapor sobre la superficie del líquido se denomina presión de vapor.