Viscosidad, elasticidad y tensión superficial en fluidos: resumen de mecánica de fluidos

Resumen

El documento explica tres propiedades fundamentales de los fluidos: el módulo de elasticidad (relacionado con la compresibilidad), el incremento de presión en el interior de una gota por efecto de la tensión superficial y la viscosidad. Además, describe cómo varía la viscosidad con la temperatura en líquidos y gases, y las causas moleculares de ese comportamiento.

Puntos clave

El módulo de elasticidad de un fluido expresa la relación entre la presión aplicada y la variación relativa de volumen; su recíproco es la compresibilidad.
Los líquidos son poco compresibles y los gases muy compresibles; cuanto más incompresible es el fluido, mayor es el valor de K.
Por la tensión superficial, las moléculas de la superficie de una gota son atraídas hacia el centro, y el fluido tiende a adoptar la forma de menor área superficial y menor volumen.
Al reducirse el volumen de una gota, disminuye el recorrido libre de las moléculas y aumentan los choques, es decir, la presión.
La viscosidad es la propiedad que se opone al deslizamiento entre capas de fluido; sin ella no sería posible frenar o acelerar un fluido.
En los líquidos, al aumentar la temperatura disminuye la viscosidad porque se debilitan las fuerzas de cohesión; en los gases aumenta, porque crecen los choques intermoleculares.

Ponte a prueba

Conceptos Esenciales en Mecánica de Fluidos

Año 2012

1. Módulo de Elasticidad de un Líquido: Definición y Significado

Representa, en cierta forma, la compresibilidad de un fluido (el recíproco del módulo de elasticidad se denomina compresibilidad) y expresa la relación que existe entre la presión aplicada a un fluido y la variación de volumen con respecto al volumen inicial del mismo.

Las unidades son las mismas que las de la presión, y el signo negativo indica que cuando la presión aumenta, el volumen disminuye y viceversa.

El módulo de elasticidad de los fluidos varía con la presión y la temperatura. En general, los líquidos son poco compresibles y los gases, muy compresibles. Cuanto más incompresible es el fluido, mayor será el valor de K.

2. Incremento de Presión en el Interior de una Gota: El Rol de la Tensión Superficial

En una gota de agua, debido a la tensión superficial, las partículas que se ubican en la superficie estarán sometidas a diferentes fuerzas de cohesión (diferencia de cohesión entre el líquido y el aire), dando como resultado una fuerza dirigida hacia el centro de la misma. De esta manera, el fluido tiende a tomar la forma que arroje la menor área superficial y, por ende, el menor volumen. Puesto que la presión es la manifestación macroscópica de los choques intermoleculares, al reducir el volumen, se reducirá el recorrido libre de las moléculas y, por lo tanto, aumentará la cantidad de choques, es decir, la presión.

3. Viscosidad y Temperatura: Comportamiento Molecular en Líquidos y Gases

La viscosidad es una propiedad de los fluidos que se opone al deslizamiento entre sus capas. Si la viscosidad fuese nula, sería imposible frenar o acelerar un fluido, pues no habría posibilidad de transferir cantidad de movimiento entre las distintas capas.

La capacidad de un fluido de transferir cantidad de movimiento en régimen laminar se asocia a dos fenómenos:

Las fuerzas de cohesión entre moléculas.
La transferencia de cantidad de movimiento que se pone en juego en los choques intermoleculares.

En el caso de los líquidos, las fuerzas de cohesión intermoleculares son las dominantes. Dichas fuerzas disminuyen al aumentar la temperatura como consecuencia de la mayor actividad vibratoria de las moléculas. Por lo tanto, al aumentar la temperatura, disminuye la viscosidad de los líquidos.

En cambio, en los gases, las fuerzas de cohesión son pequeñas y los intercambios de cantidad de movimiento entre moléculas son los predominantes. Al aumentar la temperatura, aumenta el estado de movilidad de las moléculas y, por lo tanto, la cantidad de choques entre moléculas. Es decir, que al aumentar la temperatura, aumenta la viscosidad de los gases.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el módulo de elasticidad de un líquido?

Es una magnitud que expresa la relación entre la presión aplicada a un fluido y la variación de volumen respecto al volumen inicial. Sus unidades son las de la presión y su signo negativo indica que, al aumentar la presión, el volumen disminuye.

¿Cómo varía la viscosidad con la temperatura?

En los líquidos la viscosidad disminuye al aumentar la temperatura, porque las fuerzas de cohesión entre moléculas se debilitan. En los gases, en cambio, la viscosidad aumenta al subir la temperatura, porque se incrementan los choques entre moléculas.

¿Por qué aumenta la presión dentro de una gota de agua?

Debido a la tensión superficial, las moléculas de la superficie son atraídas hacia el centro y el fluido tiende a minimizar su área y su volumen. Al reducirse el volumen, aumentan los choques intermoleculares y, con ello, la presión.