Propietats dels Fluids: Densitat, Viscositat i Tensió Superficial

Introducció a les Propietats dels Fluids

Un fluid és una substància que pateix una deformació contínua quan se li aplica una força. Les seves propietats fonamentals inclouen la densitat, la viscositat i la tensió superficial.

Densitat i Densitat Relativa

• Densitat Absoluta (D_abs): Es defineix com la massa per unitat de volum.

  Dabs = m / V

• Densitat Relativa (d_rel): És la relació entre la densitat d'una substància i la densitat d'una substància de referència (sovint aigua).

  drel = d1 / d2

Viscositat: Fregament Intern dels Fluids

La viscositat és el fregament intern d'un fluid, la resistència que ofereix a la deformació per cisallament. Es pot classificar en diferents tipus de fluids segons el seu comportament davant una força aplicada.

Tipus de Fluids segons la Viscositat

• Fluids Newtonians: Són aquells que compleixen la Llei de Newton de la viscositat, on la viscositat es manté constant quan s'aplica una força (F).
• Fluids No Newtonians: Són aquells que no compleixen la Llei de Newton. Es classifiquen en:
  1. Fluids independents del temps: Són aquells per als quals la velocitat de deformació és només funció de la tensió tallant aplicada.
  2. Fluids dependents del temps: Són aquells per als quals la relació entre el gradient de velocitat i la tensió tallant aplicada depèn del temps d'aplicació de la força.

Mesures de Viscositat

• Viscositat Absoluta (Dinàmica) en Poise (P): Representa la viscositat que presenta un fluid tal que per comunicar a una capa d'1 cm² una velocitat constant d'1 cm/s amb relació a una altra capa separada 1 cm de la primera, és necessària l'aplicació d'una força tangencial d'una dina.

  ηabs = k · d · t

• Viscositat Relativa (Cinemàtica) en Stokes (St): Mesurada pel coeficient de viscositat, és la força per unitat de superfície (N/m²) necessària per mantenir un gradient de velocitat (1 m/s) entre dues capes del fluid, paral·leles i separades per una distància d'1 m. És el quocient entre la viscositat dinàmica i la densitat.

  ηrel = k · t

Unitats de Viscositat

• 1 Poiseuille = 1 Pa·s = 1 N·s/m2
• 1 m2/s = 104 Stokes

Índex de Viscositat (VI)

L'Índex de Viscositat (VI) mesura la variació de la viscositat amb la temperatura. Un fluid amb un alt índex de viscositat mostra petits canvis en la seva viscositat amb la temperatura. Per contra, un fluid amb un baix índex de viscositat mostra grans canvis en la seva viscositat.

Tensió Superficial

La tensió superficial (γ) és la manifestació macroscòpica sobre la superfície lliure de les forces de cohesió interna en els líquids.

γ = dlíquid · Vgota · g / (2 π · r)

γmostra = γH2O · dmostra · ηH2O / (dH2O · ηmostra)

Conceptes Relacionats amb el Flux de Fluids

• Resistència a la Circulació d'un Fluid en un Tub:

  R = 8 η L / (π · r4)

• Número de Reynolds (Nr): Un paràmetre adimensional que prediu els patrons de flux en diferents situacions de flux de fluid.

  Nr = 2 r v d / η

• Llei de Newton de la Viscositat: Relaciona la tensió de cisallament amb el gradient de velocitat.

  F / A = η γ

• Llei de Laplace: Relaciona la pressió capil·lar amb la tensió superficial i el radi de curvatura.

  pγ = 2 γ / R (on pγ és la pressió capil·lar)