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Tema 5 N06

5. Los fluidos y sus propiedades 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

Definición de fluido. Densidad. Compresibilidad. Viscosidad. Clasificación de fluidos. Presión de vapor. Resistencia a la tracción.

5.1 Definición de fluido ¿Qué es un fluido? Contestaciones informales: Sustancia que puede fluir. Sustancia que se adapta al recipiente que la contiene. Definición formal: Un fluido es una sustancia que no puede soportar ningún esfuerzo de cizalla sin moverse (fluir). Como podemos ver en la figura cuando un esfuerzo de cizalla actúa sobre un sólido, éste se deforma un cierto ángulo. Si el esfuerzo se mantiene, en un sólido, el ángulo permanece constante, mientras que en el fluido el ángulo aumenta indefinidamente con el tiempo. Además cuando el esfuerzo de cizalla desaparece, el movimiento desaparece, pero a diferencia del sólido, el fluido ya no recupera su forma inicial. φ1

F sólido

φ2=φ1

F

sólido φ1

F Fluido

F

sólido

φ2≠φ1

F

Fluido

F

Fluido

Figura 5.1 Esfuerzo de cizalladura. Los fluidos engloban tanto a líquidos como gases. El origen de la diferencia entre líquidos y gases está en la magnitud de sus fuerzas cohesivas. En un líquido la distancia intermolecular es menor, por tanto, las fuerzas cohesivas son también mayores. Esto se traduce en el campo macroscópico a que los líquidos tienden a conservar su volumen. Sin embargo, un gas es libre de expansionarse hasta que encuentre paredes que lo confinan. La siguiente tabla nos muestra las diferentes propiedades de sólidos y fluidos.

Distancia

Sólido

Líquido

Gas

Del orden r0*

Del orden r0

Del orden 10r0

2

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intermolecular promedio en moléculas simples Relación entre las Menor que 1 oscilaciones térmicas y r0

Del orden de la Mayor que 1 unidad

Fuerzas intermoleculares

Fuertes

Medias

Débiles

Ordenamiento molecular

Ordenado

Parcialmente ordenado

Desordenado

Respuesta cizalladura

No fluye

Puede fluir

Puede fluir

Forma

Definida

Se adaptan al Se adaptan al recipiente, pero con recipiente, tienden a volumen definido ocuparlo totalmente

Densidad (dada una Definida T)

Definida

Depende del volumen que los contiene

Tabla 1.5. Propiedades de sólidos, líquidos y gases. * r0 Distancia a la que la energía potencial es mínima y por tanto la fuerza es nula, corresponde a la posición de equilibrio estable.

En este tema estudiaremos propiedades básicas de fluidos. Empezaremos con la definición de densidad continuaremos con dos propiedades de fluidos, la compresibilidad y viscosidad, clasificando los fluidos en función de su respuesta a la cizalladura. Después, analizaremos la presión de vapor que es una propiedad de los líquidos y se verá la posibilidad de tener presiones absolutas negativas en los líquidos.

5.2 Densidad La densidad se define como la cantidad de materia contenida por unidad de volumen de una sustancia. Se puede expresar como densidad de masa, densidad relativa, peso específico o volumen específico. La densidad másica, ρ se define como la masa de una sustancia por unidad de volumen. Las unidades en el SI son kg/m3. ρ =M/V

(5.1)

¿Depende la densidad del volumen V considerado? Sabemos que la distancia entre las moléculas es mucho mayor que el diámetro molecular en fluidos y éstas se mueven libremente. Como consecuencia, el número de moléculas contenidas en un volumen cambia continuamente. Para que este efecto sea despreciable deben de cumplirse dos condiciones. La primera es que el volumen considerado sea mucho mayor que el cubo del espaciado molecular, λ3. La segunda es que el volumen debe ser lo suficientemente pequeño para que no sean relevantes las fluctuaciones moleculares. El volumen que

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cumple ambas condiciones está en torno a 10-9 mm3 para todos los líquidos y gases a presión atmosférica. La densidad relativa se define como el cociente entre la densidad de una sustancia y un valor estándar, carece por tanto de unidades. Se usa generalmente sólo en líquidos y sólidos. Un estándar habitual corresponde a la densidad máxima del agua a presión atmosférica que se corresponde a una temperatura de 4 ˚C. El peso específico, w, se define como el peso por unidad de volumen, sus unidades en SI son kg m-2s-2: w=ρg

(5.2)

Por último, el volumen específico, se define como la inversa de la densidad másica, sus unidades en SI son m3/kg.

5.3 Compresibilidad Hemos analizado ya el módulo de compresibilidad en el tema anterior. Sin embargo, son los líquidos las sustancias para las que tiene más interés ya que los sólidos son muy poco compresibles y los gases son tan compresibles que B no es constante sino que varía con la presión (la dependencia se pude obtener fácilmente a partir de la ecuación de estado del gas). En el caso de los líquidos el valor de B es grande (compresibilidad es pequeña) y cambia poco con la presión y densidad. Por lo general, B aumenta con la presión (es explicable desde el punto de vista molecular ya que cuando la presión aumenta las moléculas están más juntas) y disminuye con la temperatura (si la temperatura aumenta el fluido se dilata, la distancia entre las moléculas aumenta y B disminuye). Una excepción a la disminución de B con el aumento de la temperatura lo constituye el agua a presión atmosférica donde B aumenta hasta 49 ºC, temperatura a partir de la cual sigue el comportamiento general. A modo de ejemplo, para duplicar el valor de B del agua tenemos que pasar de 1 a 3500 atm. La expresión que dimos para B puede rescribirse en función de la densidad: B = -V ∆p/∆V = ρ ∆p/∆ρ

(5.3)

Por tanto, si consideramos como aceptable un cambio de 1% en densidad, aceptaremos que un fluido es incompresible si ∆p/B