Qué es la viscosidad
La viscosidad describe la resistencia al flujo o fluidez de un líquido. Depende de las interacciones moleculares y del rozamiento interno y es uno de los factores que determinan su velocidad de flujo. Los líquidos poco viscosos, como el agua, se desplazan más fácilmente que los muy viscosos. Esta propiedad importa en numerosos sectores y ciencias, especialmente al procesar y transportar aceites, productos químicos y alimentos. Además de afectar al comportamiento físico, influye directamente en la eficiencia de los sistemas donde se utiliza el líquido.
Esfuerzo cortante en sólidos y fluidos
Los sólidos ofrecen gran resistencia al esfuerzo cortante; en los fluidos es mucho menor. Incluso el esfuerzo más pequeño provoca una deformación continua.
Factores del esfuerzo cortante según Newton
Newton describió estos factores:
- La velocidad de la placa (v) es directamente proporcional a la fuerza aplicada (F).
- La fuerza (F) sobre la placa móvil es directamente proporcional a su área (A).
- La fuerza F es inversamente proporcional a la separación entre placas (h).
Cálculo del esfuerzo cortante
Para un fluido newtoniano con variación lineal de velocidad entre placas paralelas: τ = F/A = μ(v/h). Donde:
- τ: esfuerzo cortante (Pa).
- μ: viscosidad dinámica (Ns/m²).
- v: velocidad (m/s).
- h: separación entre placas (m).
Variación de velocidad y esfuerzo cortante no lineal
La velocidad no siempre varía linealmente. En un fluido newtoniano, el esfuerzo local se calcula mediante el gradiente de velocidad: τ = μ(dv/dy). Aquí dv/dy es la variación en dirección perpendicular al flujo. En fluidos no newtonianos no se utiliza de la misma manera esta relación lineal sencilla.
Viscosidad cinemática y dinámica
Cálculo de la viscosidad cinemática
Es la relación entre viscosidad dinámica y densidad: ν = μ/ρ. Donde:
- ν: viscosidad cinemática (m²/s).
- μ: viscosidad dinámica (Ns/m²).
- ρ: densidad (kg/m³).
Densidad y peso específico
Su relación es ρ = γ/g. Donde:
- ρ: densidad (kg/m³).
- γ: peso específico (N/m³).
- g: aceleración de la gravedad (m/s²).
Esfuerzo cortante y viscosidad cinemática
Como μ = ρν, en un fluido newtoniano también puede escribirse τ = ρν(dv/dy).
Unidades de viscosidad
En el Sistema Internacional:
- Viscosidad dinámica: Ns/m² o Pa.s.
- Viscosidad cinemática: m²/s.
Factores que influyen
Por lo general, la viscosidad de los líquidos disminuye al aumentar la temperatura. Un líquido caliente tiende a fluir más fácilmente; por ejemplo, el agua caliente puede fluir más rápido que la fría. El calor aumenta la movilidad molecular. Composición química, estructura y tamaño molecular también influyen. Moléculas grandes y complejas pueden reducir la fluidez y aumentar la viscosidad. Las interacciones entre moléculas polares y apolares también la modifican. Una presión alta acerca las moléculas y puede elevar la viscosidad, reduciendo la fluidez y creando una estructura más densa.