Explorando la Viscosidad, Tensión Superficial y Capilaridad en Fluidos

Viscosidad, Tensión Superficial y Capilaridad en Fluidos

Viscosidad

La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Se manifiesta en fluidos en movimiento y es una característica principal de la mayoría de los productos lubricantes. Los cambios de temperatura afectan la viscosidad, generando cambios en el mismo. Al aumentar la temperatura, disminuyen las fuerzas de cohesión del líquido y, por lo tanto, la viscosidad disminuye. La viscosidad de un fluido se expresa cuantitativamente mediante el coeficiente de viscosidad (η), característico de cada sustancia fluida. Su unidad es el Pa·s (Pascal por segundo). Su fórmula es:

donde F es la fuerza, e es el espesor, v es la velocidad y A es el área de contacto.

Índice de Viscosidad

El índice de viscosidad es un valor numérico indicativo de la variación de la viscosidad con respecto a la temperatura. En este caso, se mide el escurrimiento de un fluido y cómo varía este al aumentar la temperatura. Cuanto más alto es el índice, más estable es la viscosidad del fluido.

Ley de Stokes

Si se deja caer una esfera de acero en un recipiente con miel, se observa que la esfera adquiere un movimiento. Durante la caída, las fuerzas que se ejercen sobre ella son el peso (P), el empuje (E) y la fuerza viscosa (F). Este movimiento es acelerado hasta que las tres fuerzas se equilibran, a esto se le llama velocidad límite o de régimen. Cuando la esfera alcanza la velocidad límite: |P| = |F| + |E|. La intensidad de la fuerza viscosa en el movimiento de una esfera dentro de un fluido viscoso se puede calcular mediante la Ley de Stokes:

F = 6

donde η es el coeficiente de viscosidad, r el radio de la esfera y v la velocidad de régimen.

Tensión Superficial

Un alfiler colocado con cuidado sobre la superficie del agua puede quedar apoyado sin hundirse. Se observa que el alfiler no se hunde, sino que se encuentra apoyado sobre dicha superficie del líquido. En el interior del líquido, las moléculas experimentan la fuerza de atracción en todas sus direcciones, de modo que la resultante es 0. En cambio, las moléculas de la superficie no están rodeadas completamente, de manera que la resultante de atracción es hacia el interior del fluido. A esta fuerza de resistencia se la denomina tensión superficial. Al modificar la forma de un líquido se requiere llevar a cabo cierto trabajo. El coeficiente de tensión superficial (γ) de un líquido representa este trabajo por unidad de área. Cada líquido tiene un valor de tensión superficial distinto, pero no es una constante característica del líquido, sino que depende de la superficie de contacto. Por ejemplo, la tensión superficial del agua en contacto con el aire es distinta que en contacto con aceite. Además, también varía con la temperatura y, en general, la tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura.

Capilaridad

Para conservar durante varios días un ramo de flores se lo debe colocar en agua. Si se vierte tinta de color en el agua, se puede observar que al cabo de unas horas los pétalos tomarán el color de la tinta. Es evidente que el agua sube por los vasos capilares del tallo. Este efecto recibe el nombre de capilaridad. Se puede calcular cuánto ascenderá un líquido por un tubo aplicando la Ley de Jurin, que establece que:

h =

donde

y ρ son la tensión superficial y el peso específico del líquido, r es el radio del tubo y θ es el llamado ángulo de contacto. Esta expresión muestra que cuanto menor es el radio del tubo, mayor será la altura alcanzada.