Fundamentos de la Viscosidad y Fenómenos Interfaciales en Fluidos

Influencia de la Temperatura y la Presión en la Viscosidad

La viscosidad varía principalmente con la presión y la temperatura. Sin embargo, los efectos de la presión son prácticamente despreciables en comparación con los efectos de la temperatura, que son mucho más acusados.

• Un incremento de presión siempre supone, tanto en líquidos como en gases, un incremento de la viscosidad dinámica.
• Un incremento de la temperatura supone una disminución de la viscosidad dinámica en líquidos, mientras que en los gases sucede lo contrario.

Índice de Viscosidad en Fluidos Lubricantes (IVLUB)

El Índice de Viscosidad (IVLUB) es un número adimensional que describe el comportamiento de un fluido lubricante frente a una variación de la temperatura.

Para la obtención del IVLUB, se realiza un ensayo a 100ºF y 210ºF, comparando los valores de la viscosidad de la muestra con las viscosidades de lubricantes de referencia.

La fórmula para calcular el Índice de Viscosidad es:

IV = ((A - B) / (A - C)) * 100

Donde:

• A: Viscosidad a 100ºF de un aceite de referencia con IV = 0.
• B: Viscosidad de la muestra a 100ºF (en SSV).
• C: Viscosidad a 100ºF de un aceite de referencia con IV = 100.

Los valores de A y C pueden obtenerse de tablas estandarizadas.

Concepto de Tensión Superficial

Cuando un líquido se expande, no lo hace libremente, sino que formará una interfase con un segundo fluido (líquido o gas) o con una superficie sólida.

Las moléculas inmersas en la masa líquida son atraídas o repelidas en la misma magnitud en todas direcciones. Sin embargo, las moléculas situadas en la superficie libre están en desequilibrio, ya que son repelidas o atraídas de forma distinta.

Esto provoca la aparición de tensiones tangenciales en la interfase de separación, la cual queda sometida a tensión y se comporta como una membrana elástica.

El coeficiente de tensión superficial (σ) se define como:

σ = F/L = Energía/Superficie (N/m)

Donde:

• σ es la fuerza de tensión por unidad de longitud, coplanaria con la interfase que puede soportar.
• También se define como la energía por unidad de superficie almacenada en la interfase.

Presión Capilar

Si la interfase es una superficie curva, la condición de equilibrio establece que debe existir una diferencia de presiones entre ambos lados, siendo la presión mayor en el lado cóncavo.

Este fenómeno se resume en la frase: "La tensión superficial se equilibra con la diferencia de presiones."

Ejemplos de Presión Capilar

A) Incremento de Presión en una Interfase Cilíndrica

Consideremos una interfase cilíndrica (por ejemplo, una película líquida cilíndrica o una burbuja alargada) de radio R y longitud L. La diferencia de presión (Δp) se relaciona con la tensión superficial (σ) y el radio de curvatura.

• La fuerza debida a la presión (F_p) que actúa sobre el área proyectada (2RL) es: Fp = Δp · (2 · R · L).
• La fuerza debida a la tensión superficial (F_σ) que actúa a lo largo de las dos líneas de la interfase (2L) es: Fσ = σ · (2 · L).
• En equilibrio, igualando ambas fuerzas: Δp · (2 · R · L) = σ · (2 · L)
• Simplificando, obtenemos la ecuación de Laplace para una interfase cilíndrica: Δp = σ / R

B) Incremento de Presión en una Gota Esférica (Interfase Esférica)

Para una gota esférica (o burbuja), la diferencia de presión (Δp) se relaciona con la tensión superficial (σ) y el radio (R) de la esfera.

• La fuerza debida a la presión (F_p) que actúa sobre el área de la sección transversal (πR²) es: Fp = Δp · (π · R²).
• La fuerza debida a la tensión superficial (F_σ) que actúa a lo largo del perímetro de la sección transversal (2πR) es: Fσ = σ · (2 · π · R).
• En equilibrio, igualando ambas fuerzas: Δp · (π · R²) = σ · (2 · π · R)
• Simplificando, obtenemos la ecuación de Laplace para una interfase esférica: Δp = 2σ / R