propiedades de los fluidos

CAPÍTULO 6

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 6.1. INTRODUCCIÓN A LA MECÁNICA DE FLUIDOS La Mecánica de Fluidos es una ciencia que se encarga del estudio de los fluidos, donde los fluidos pueden estar en la fase líquida o gaseosa. Si el fluido está en reposo, el estudio corresponde a la estática de los fluidos (hidrostática), donde la presión se incrementa con respecto a la profundidad, y si el fluido está en movimiento, el estudio corresponde a la dinámica de los fluidos (hidrodinámica), donde la velocidad del fluido no es nula. Cuando el fluido está en reposo una propiedad predominante es el peso específico, y cuando el fluido está en movimiento las propiedades más predominantes son la densidad y la viscosidad. Surgimiento de la Mecánica de Fluidos Esta ciencia de la Mecánica de Fluidos surge por la necesidad de manipular los fluidos que se encuentran en reposo o en movimiento. Según el registro histórico más antiguo, se puede atribuir a un hombre llamado Noé quien aplico el principio de flotación y de estabilidad. Noé construyó una gran nave de madera, ante una inminente precipitación de vapor de agua contenida en la atmósfera, de hecho, la nave navegó luego del anegamiento de agua producto de la lluvia torrencial conocido como diluvio universal (llovió durante 40 días y 40 noches). El hecho histórico se registra en la Biblia (Compendio de libros Inspirado por Dios), en el libro Génesis, Capítulo 6, versículo 14-16, y el Capítulo 7, versículo 17 [16]. Las civilizaciones antiguas tenían conocimiento, y resolvían sus problemas de acuerdo a sus necesidades. La navegación a vela y los sistemas de regadíos datan de tiempos antiguos. Por ejemplo, los romanos construyeron gran cantidad de acueductos, y en Sur América se ven vestigios de culturas indígenas que utilizaron sistemas de riegos. El impulso de esta ciencia se debe a muchos científicos que establecieron principios o leyes para fluidos estáticos y dinámicos, y desarrollaron leyes para el estudio con modelos a escalas, etc.

CAPÍTULO 6: PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS 254

Fundadores de la Mecánica de Fluidos Se señalan algunos investigadores que contribuyeron con sus escritos al desarrollo de la Mecánica de Fluidos

• Arquímedes (287-212 a.C.) Ley de la hidrostática. • Leonardo da Vinci (1452-1519) Ecuación de continuidad para flujos

unidimensionales. • Blaise Pascal (1623-1662) Presión en los fluidos. • Isaac Newton (1642-1727) Leyes del movimiento. Resistencia lineal viscosa. • Daniel Bernoulli (1700-1782) Flujos incompresibles y no viscosos. • Giovanni Battista Venturi (1746-1822) Tubo venturi. • George Gabriel Stokes (1819-1903) Efectos de rozamiento de cuerpos sólidos en

líquidos. • Osborne Reynolds (1842-1912) Número de Reynolds. • Ludwig Prandtl (1875-1953) Capa límite.

La lista de investigadores continúa, lo cual se puede consultar las referencias del [6] al [12]. Áreas de aplicación de la Mecánica de Fluidos Las áreas de la mecánica de los fluidos son la aeronáutica, ingeniería química, ingeniería civil e industrial, meteorología, construcciones navales, la oceanografía, y se aplica a dispositivos mecánicos, tales como, la propulsión a chorro, turbinas, compresores, bombas, sistemas de redes de tuberías para transporte de agua, crudo, gas, canales abiertos, circulación sanguínea o de respiración, etc. 6.2. DEFINICIÓN DE MECÁNICA DE FLUIDOS La palabra Mecánica de Fluidos es la unión de dos palabras, que procede de las palabras del latín mechanicus, que significa “mecánico” y es relativo a la mecánica, y fluidus que significa “fluido”. La Mecánica, es una rama de la física que se ocupa del movimiento de los cuerpos y de su respuesta a las fuerzas. Se dice Fluido a las sustancias que se encuentran en la fase líquida o gaseosa [5]. La Mecánica de Fluidos es una rama de las ciencias de la ingeniería que estudia el comportamiento de los fluidos cuando están en reposo (estática de fluidos o hidrostática) o cuando están en movimiento (dinámica de fluidos o hidrodinámica), y la interacción de estos con sólidos o con otros fluidos en las fronteras. 6.3. DEFINICIÓN DE UN FLUIDO Un fluido se define como cualquier sustancia que se deforma continuamente cuando actúa sobre ella esfuerzos cortantes de cualquier magnitud.


El esfuerzo cortante "τ " es el resultado de la división entre la fuerza tangencial "𝛿𝛿𝛿𝛿𝛿𝛿" aplicada a una superficie de área "𝛿𝛿𝛿𝛿", donde esta fuerza tangencial actúa. La Figura 6.1 ilustra la representación de la fuerza normal y tangencial.

τ� = δFtδA

; τ = LímδA → ε2

δFtδA

; τ = Ft

A (6.1)

Donde el valor de ε es más grande que la distancia media intermolecular. Cabe señalar que la distancia media intermolecular, 𝜀𝜀, fue mencionado en el medio continuo Capítulo 1. Cabe señalar que el proceso de deformación continua se denomina fluidez. La fluidez es una cualidad del fluido. La materia se clasifica por la forma física que se encuentra en la naturaleza. Estas formas conocidas son la fase sólida, líquida y gaseosa. Los líquidos y los gases se clasifican como fluido: El agua, aceite, alcohol, gasolina, petróleo, glicerina, etc., se clasifican como líquido. El aire, helio, oxígeno, nitrógeno, freón, amoniaco, gas propano, etc., se clasifican como gases. Si es una fase líquida o una fase de gas es un fluido monofásico. La combinación de más de dos fases de fluido, por ejemplo: fases líquidos-líquidos, líquidos-gases se conoce como fluido multifásico. En general, los sólidos y los líquidos son pocos compresibles y los gases muy compresibles; pero ningún cuerpo (sólido, líquido o gaseoso) es estrictamente incompresible. Sin embargo, aunque el fluido incompresible no existe en la realidad. Se considera un fluido perfecto al fluido que tiene la siguiente característica:

• Isotropía perfecta: Las propiedades (dilatación térmica, resistencia mecánica, velocidad de la luz, densidad, temperatura, etc.) a partir de un punto de referencia son las mismas en todas las direcciones. En caso contrario el cuerpo es anisótropo.

• Movilidad perfecta: Se amoldan al recipiente que los contiene, por su fácil deformación.

• Fluidez perfecta: El fluido se considera sin viscosidad. • Compresibilidad nula: Su volumen permanece constante.

6.4. VISCOSIDAD DE UN FLUIDO La viscosidad de un fluido se define como la resistencia opuesta que tiene un fluido al esfuerzo cortante “𝜏𝜏”. La viscosidad es una medida cuantitativa de la resistencia de un fluido al movimiento, por lo tanto, la viscosidad determina la velocidad de deformación del fluido que se produce cuando se le aplica un esfuerzo cortante de cualquier magnitud.

𝛿𝛿𝛿𝛿𝛿𝛿

𝛿𝛿𝛿𝛿𝛿𝛿

𝛿𝛿�

𝛿𝛿𝛿𝛿 𝛿𝛿

𝛿𝛿𝛿𝛿

Figura 6.1. Aplicación del esfuerzo cortante en un diferencial de área.


Podemos movernos con facilidad a través de la masa de aire a diferentes temperaturas, que tiene un a viscosidad muy baja. El movimiento es más difícil en el agua, con una viscosidad 50 veces mayor al del aire, y aún más difícil en aceite SAE 30, que es 300 veces más viscoso que el agua [6], [7]. La viscosidad de los fluidos está en función de la temperatura y presión. El esfuerzo cortante está dado como la igualdad de la relación de la viscosidad, velocidad y espesor de película, como se indica en la siguiente ecuación para fluidos newtonianos:

dyduµτ = (6.2)

La Ecuación 6.2 es conocida como ley de viscosidad de Newton, y la Figura 2.2 ilustra el perfil de viscosidad. La viscosidad de un fluido newtoniano es una auténtica propiedad termodinámica y varía con la temperatura y presión. Donde τ es el esfuerzo cortante, µ la viscosidad dinámica o viscosidad absoluta, y du/dy es el gradiente de velocidad o tasa de deformación angular. Los fluidos que obedecen a la Ecuación 6.2 se denominan fluidos newtonianos, en honor a sir Isaac Newton, que postuló esta ley en 1687 [7]. La unidad de la viscosidad dinámica es Pa.s. La temperatura tiene un efecto considerable sobre la viscosidad. La presión tiene una influencia menor: La viscosidad de los gases y de algunos líquidos aumenta lentamente con la presión, lo cual se considera despreciable en los cálculos. La viscosidad de los gases aumenta cuando aumenta la temperatura, lo cual se utilizan dos aproximaciones la ley de potencia y la ley de Sutherland [7].

( )

( ) ( )

+−

≈)4.6(

)3.6(

02/3

0

0

0 Sutherlanddeley

potenciadeley

STSTTT

TT n

µµ

Donde µ0 es la viscosidad a una temperatura absoluta de referencia T0

(habitualmente a 273 K). Las constantes n y S se ajustan a los datos, y ambas fórmulas son adecuadas en un amplio margen de temperaturas.

La viscosidad de los líquidos decrece cuando aumenta la temperatura de forma casi exponencial, bTae−=µ .Donde a y b son constante que se obtienen por ajuste de curvas, ver Referencia [7].

u=V

u(y) h

F

x Placa fija

y Placa movil

Figura 6.2. Flujo viscoso inducido por movimiento relativo entre dos placas paralelas.

V Fluido viscoso

Película de espesor, h


La viscosidad en líquidos aumenta exponencialmente con la presión. El agua a menos de 30 º C es el único caso en que disminuye. Los cambios de viscosidad con la presión son bastante pequeños para presiones distintas de la atmosférica. Por lo tanto, el efecto de la presión se ignora en las mediciones con el viscosímetro.

La Mecánica de los Fluidos se ocupa del estudio de los fluidos newtonianos exclusivamente; mientras que los fluidos no-Newtonianos son parte de una ciencia más amplia denominada Reología [8]. La Reología es la ciencia que estudia y analiza los fenómenos de flujo y deformación y las propiedades mecánicas de los gases, líquidos, plásticos y comprende el estudio de las substancias que "fluyen" pero que su comportamiento no está regido por la ley de viscosidad de Newton. Consecuentemente se puede decir que el campo de la Reología se extiende desde la Mecánica de los Fluidos Newtonianos hasta la elasticidad de Hooke. La región comprendida para fluidos no newtonianos corresponde a todos los materiales pastosos y a las suspensiones. Un ejemplo típico de fluidos no-newtonianos son los fluidos utilizados en la técnica de fractura de los pozos de petróleo que se aplica para aumentar la producción de los mismos. Consiste en una solución de agua con materiales que constituyen un fluido de alta densidad en el que permanecen en suspensión arena, vidrio y hasta esferas metálicas. Este fluido con elementos en suspensión puede bombearse al pozo en grandes caudales con pérdidas de carga del orden de la mitad de la correspondiente al agua. 6.4.1. Clasificación de fluidos no newtonianos Fluidos no newtonianos independientes del tiempo Para fluidos no newtonianos se tiene la siguiente ecuación, ley potencial

n

dyduk

=τ (6.5)

Donde k y n son constantes. La constante k es una medida de la consistencia del fluido y se denomina índice de consistencia, y el exponente n es indicativo de la desviación respecto al fluido con comportamiento newtoniano y se lo suele llamar índice de comportamiento. Se pueden definir tres tipos de fluidos no Newtonianos independientes del tiempo, la cual ilustra la Figura 6.3.a.

• Fluido Pseudoplástico, valor de n < 1. Es aquel fluido en el que disminuye su resistencia al aumentar el esfuerzo cortante, es decir, su viscosidad disminuye. Este efecto es mostrado en la Figura 6.3.a con línea discontinua. Ejemplo:


suspensiones coloidales, pulpa de papel en agua, plasma sanguíneo, resinas, melazas, polietileno fundido, suspensiones acuosas de arcillas, etc.

• Fluido Dilatante, valor de n > 1. Es aquel fluido en que la resistencia a la deformación aumenta al aumentar el esfuerzo cortante, es decir, su viscosidad aumenta. Ejemplo: fécula de maíz en etilenglicol, suspensiones de almidón, dióxido de titanio, manteca, arenas movedizas, etc.

• Plástico ideal o de Bingham. El caso límite de su sustancia plástica es aquel que requiere un esfuerzo finito (límite de fluencia) antes de comenzar a fluir. Ejemplo: suspensiones de arcilla, suspensiones acuosas de ceniza de carbón, lodos para sondeos, pasta de dientes, mayonesa, chocolate, plásticos, emulsiones, pinturas, lodos de perforación, asfalto, algunas grasas, etc.

Fluidos no newtonianos dependientes del tiempo Existen otro tipo de fluidos que son más complejos que los vistos y cuya viscosidad aparente depende no solo de la velocidad de deformación, sino también del tiempo durante el cual actúa la tensión tangencial τ. Se los clasifica en dos grupos principales:

• Fluidos tixotrópicos. Se caracterizan por que hay un cambio de su estructura interna al aplicar un esfuerzo. Esto produce la rotura de las largas cadenas que forman sus moléculas. Algunos ejemplos de fluidos tixotrópicos son: algunos aceites de petróleo crudo a bajas temperaturas, el nailon, algunas jaleas, el yogur, la tinta de impresión que generalmente se la trabaja en rollos antes de aplicarla a una placa, la masa de harina y varias soluciones polímeros.

• Fluidos reopécticos. Se caracterizan por tener un comportamiento contrario a los tixotrópicos, es decir, su viscosidad aumenta con el tiempo y con la velocidad de deformación aplicada. Ejemplo, el yeso, la arcilla bentonítica, etc.

En los tixotrópicos la tensión tangencial disminuye con el tiempo, mientras que en los reopécticos se incrementa. La Figura 6.3.b ilustra el comportamiento de estos fluidos.

Plástico ideal de Bingham

Plástico real

Dilatante (n > 1)

Newtoniano

Pseudoplástico (n < 1)

du/dy

τ

Tiempo (t)

τ

Reopéctico

Fluidos comunes

Tixotrópico

Tasa de deformación constante

Figura 6.3. Comportamiento reológico de diversas sustancias viscosas: a) esfuerzo en función de la velocidad de deformación. b) efecto del tiempo sobre el esfuerzo aplicado.

(a)

(b)


Fluidos visco-elásticos Los materiales visco-elásticos exhiben propiedades elásticas y viscosas, y el más simple es aquel que desde el punto de vista de la viscosidad se comporta como newtoniano, y en lo referente a su elasticidad sigue a la ley de Hooke. Por ejemplo, los plásticos a temperatura ambiente y bajo carga son visco-elásticos, la nata, la gelatina, el helado, etc. Fluidos electroreológicos Se han estado desarrollando los fluidos electroreológicos, que ofrecen propiedades exclusivas controlables mediante la aplicación de una corriente eléctrica [9]. A veces conocidos como “fluidos ER”, consisten en suspensiones de partículas finas como almidón, polímeros o cerámicas, en aceite no conductor, como el aceite mineral o el aceite de silicona. Cuando no hay una corriente aplicada se comportan como otros líquidos; pero cuando se les aplica una corriente, se convierten en una gelatina y se comportan más como sólido. El cambio puede presentarse menos de 1/1000 de segundo. Las aplicaciones potenciales de tales fluidos son sustitutas de las válvulas convencionales, en embragues de automóvil, en sistemas de suspensión para vehículos y maquinaria, y en dispositivos accionadores automáticos [10]. En este texto no se consideraran los efectos no newtonianos, para más información ver referencia [8]. 6.4.2. Índice de viscosidad El índice de la viscosidad es la medida en que tanto cambia la viscosidad del aceite con respecto a la temperatura, y es importante en los aceites lubricantes y fluidos hidráulicos cuando trabajan a temperaturas extremas. Un fluido con alto índice de viscosidad muestra un cambio pequeño de viscosidad con respecto a la temperatura Un fluido con bajo índice de viscosidad muestra un cambio grande de viscosidad con respecto a la temperatura. Los valores de índice de viscosidad por ejemplo son; 50, 100 y 140, y es determinado por la medición de la viscosidad de una muestra del fluido a 40ºC o 100ºC, en comparación con otro fluidos de referencia [10]. 6.4.3. Medición de la viscosidad Mediante un viscosímetro absoluto calibrado, se determina el tiempo de derrame del volumen constante de líquido cuya viscosidad se desea conocer.

a) Si el derrame es debido a la acción de su propio peso, se determina la viscosidad cinemática.

b) Si el derrame es debido a una diferencia de presión, se determina la viscosidad dinámica.


La Sociedad Norteamericana para Pruebas y Materiales (ASTM) genera normas para la medición y el informe de viscosidades. Algunos instrumentos de medición de viscosidades se presentan a continuación.

• Viscosímetro de tambor giratorio • Viscosímetro de tubo capilar • Viscosímetro estándar calibrados capilares de vidrio • Viscosímetro de caída de bola • Viscosímetro universal Saybolt

Para información de estos tipos de viscosímetros, ver referencia [10]. Por convenio internacional, existen unidades basadas en el tiempo que tarda el líquido en pasar a través de un orificio perfectamente calibrado. Grados Engler. Segundos Saybolt. Segundos Reedwood

• Los grados Engler se obtienen dividiendo el tiempo de vaciado del líquido problema a través del orificio calibrado y el tiempo que tardaría por el mismo orificio un líquido patrón, agua destilada, efectuando ambas mediciones a la misma temperatura. Siendo las temperaturas más usuales para realizar estas mediciones de 20°C, 50°C, 100°C. En Europa se utilizan los grados Engler.

• Los segundos Saybolt se obtienen midiendo el tiempo que 60 cm3

• Los segundos Reedwood se obtienen midiendo el tiempo que 50 cm

de fluido tardaran en circular por un orificio calibrado siendo las temperaturas más usuales de 70°F, 100°F, 130°F y 210°F. En USA se utilizan los segundos Saybolt.

3

de líquido tardarían en circular por un orificio calibrado, siendo las temperaturas más usuales de 70°F, 100°F, 140°F y 200°F. En Inglaterra se utilizan los segundos Reedwood.

6.4.4. Grados de viscosidad SAE La viscosidad SAE fue establecida por la Sociedad de Ingenieros Automotrices (las siglas en inglés SAE significa Society of Automobiles Engineers) para establecer intervalos de viscosidad SUS (Segundos Universales Saybolt) de los aceites comerciales a las temperaturas de prueba estándar SAE. Lo cual se tiene clasificación de grados de viscosidad SAE de aceites para motor y grados de viscosidad SAE para lubricantes de transmisiones de ejes [10]. Los aceites monogrado tienen el sufijo 10W, 15W, 20W, 25W, etc., y deben tener viscosidades cinemáticas a intervalos indicados a 100ºC. Los aceites de multiviscosidad,

-20

SAE 40

𝑇𝑇(º𝐶𝐶)

𝜇𝜇(𝑃𝑃𝑃𝑃. 𝑠𝑠)

Figura 6.4. Ilustración gráfica de la trayectoria de un tipo de aceite multigrado SAE 15W-40.

SAE 15W

SAE 15W – 40 (multigrado)

20 100


multigrado, como el SAE 10W-30, etc., deben cumplir con las normas en las condiciones de baja y alta temperatura. Cabe señalar, que 10W es el número de invierno, y 30 el número de verano. Por ejemplo, un aceite SAE 40 es más viscoso que un aceite SAE 15. La Figura 6.4 ilustra una gráfica para un aceite multigrado SAE 15W-40 compuesto por dos tipos de aceite monogrado. Las características que identifican a los aceites, son su calidad y viscosidad. La calidad del aceite la define el Instituto Americano del Petróleo, API. Los motores de vehículos que encienden por chispa (bujía), que es de ciclo Otto, se les identifican por una letra S, seguida de otra letra que sigue el orden del alfabeto y representa el nivel de avance tecnológico, que se traduce en las características de los aditivos que le agregan. Así, un aceite API SG es más avanzado que uno SF pero no reúne las características que exigiría un motor que requiere de SH. Los aceites para motores de encendido por compresión, que es el ciclo Diesel, se identifican por empezar con la letra C e igualmente va acompañada de otra letra como E ó F. Cabe señalar, mientras más avanzado sea el nivel (la segunda letra), el aceite tendrá mejores características. 6.4.5. Grados de viscosidad ISO Las viscosidad ISO fue establecido por la Organización Internacional de Normalización, organismo encargado de coordinar y unificar las normas nacionales (las siglas ISO en ingles significa International Organisation for Standardization). Los lubricantes que se utilizan en aplicaciones industriales deben estar disponibles en un amplio intervalo de viscosidades, por ejemplo; maquinaria de producción, cojinetes, accionadores de engranajes, máquinas eléctricas, ventiladores y sopladores, sistemas de potencia de fluido, equipo móvil y muchos otros dispositivos. Los diseñadores de tales sistemas deben asegurarse de que el lubricante pueda soportar las temperaturas a la cual va a estar sometido cuando desarrollan una capacidad suficiente de traslado de peso. Por lo tanto, se tiene que tener una amplia variedad de viscosidades. La Norma ASTM D2422, Clasificación estándar de lubricantes fluidos industriales por sistema de viscosidad, define un conjunto de 18 grados de viscosidad ISO. La designación estándar incluye el prefijo ISO VG seguido por un número que representa la viscosidad nominal en cSt (mm2

/s) para una temperatura de 40ºC. Para más información, ver referencia [10].

6.4.6. Viscosidad cinemática La viscosidad cinemática ν de un fluido, es la relación de su viscosidad dinámica entre su densidad. Esto es 𝜈𝜈 = 𝜇𝜇

𝜌𝜌 (6.6)

La Tabla 6.1 presenta las unidades de la viscosidad dinámica, viscosidad cinemática, y de la densidad en el sistema (SI), (CGS), (BG), y (II).


propiedad símbolo dimensión SI CGS BG II Viscosidad dinámica

µ [M/LT] Pa.s Poise (gr/cm.seg) (dina.s/cm2

slug/ft.seg )

lbm/pie.seg

Viscosidad cinemática

ν [L2 m/T] 2 stoke (cm/s 2

centistoke=stoke/100 /s) ft2 ft/seg 2/seg

Densidad ρ [M/L3 kg/m] gr/cm3 slug/ft3 lbm/ft3 3 6.4.7. Superfluido Una de las sustancias considerado como superfluido es el Helio, la cual logrando disminuir su temperatura cercano al cero absoluto, esta sustancia tiene la facilidad de reptar por la pared del recipiente que lo contiene, incluso puede desplazarse hacia arriba en contra de la gravedad. Anthony J. Leggett, físico estadounidense fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 2003 por sus teorías de los superfluidos. Leggett tuvo éxito al construir una teoría que explica cómo los átomos de helio 3 se emparejan y se comportan en el estado superenfriado. Sus teorías encontraron numerosas aplicaciones, por ejemplo, en la investigación de partículas subatómicas en los aceleradores de alta energía. El estudio del comportamiento de los remolinos, o torbellinos, en superfluidos como el helio 3 aportó mucha información a los investigadores sobre los conceptos generales de turbulencia y caos. Para más información, ver referencia [5]. 6.5. GRADO BAUMÉ Y GRADO API Existen relaciones de gravedades específicas, tal es la caso en grados Baumé (ºBaumé) o grados API (ºAPI). La temperatura de referencia para realizar mediciones en la escala ºBaumé o ºAPI es 15,6 ºC (60 ºF). Para resaltar esta diferencia, la gravedad específica

API o Baumé se denota como FespecíficaGravedadº60º60

, esta notación indica que tanto

el fluido de referencia (agua) como el aceite se encuentran a 60 ºF. Se tiene las siguientes ecuaciones para fluidos líquidos más pesados y livianos que el agua

)7.6()(1145145º aguaelquepesadomásfluidosSsi

SBaumé >−=

)8.6()(1130140º aguaelquelivianomásfluidosSsi

SBaumé <−=

El Instituto Americano del Petróleo (API, American Petroleum Institute) desarrolló la escala API para fluidos más ligeros que el agua. EL grado API es muy utilizado en la industria petrolera. La ecuación siguiente relaciona el grado API con la densidad relativa

5,1315,141º −=S

API (6.9)

Tabla 6.1. Unidades de viscosidad y densidad.


Los grados API para aceites pueden variar desde 10 hasta 80. La mayoría de los grados de combustible están en el rango de 20 y 70 grados API. Los aceites más livianos tienen grado API mayores, y los más pesados valores de grado API menores. La clasificación de crudos por rango de gravedad °API utilizada en la industria venezolana de los hidrocarburos, a 15,6 °C (60 °F) es como sigue:

Livianos ≥ 30 °API Medianos 22,0 - 29,9 °API Pesados 16,1 - 21,9 °API Extrapesados ≤ 16 °API

Para más información de hidrocarburos, ver referencia [11]. En el Apéndice, la Tabla B-4 presenta equivalencias entre grados API y Baumé. 6.6. TENSIÓN SUPERFICIAL La tensión superficial σ, es la condición existente en la superficie libre de un líquido, semejante a las propiedades de una membrana elástica bajo tensión. La tensión es el resultado de las fuerzas moleculares, que ejercen una atracción no compensada hacia el interior del líquido sobre las moléculas individuales de la superficie; esto se refleja en la considerable curvatura en los bordes donde el líquido está en contacto con la pared del recipiente. Concretamente, la tensión superficial es la fuerza por unidad de longitud de cualquier línea recta de la superficie líquida que las capas superficiales situadas en los lados opuestos de la línea ejercen una sobre otra. En resumen, la tensión superficial es la propiedad de una sustancia que resulta de las fuerzas de atracción entre las moléculas que se encuentran en la interfaz de un gas y un líquido, entre dos líquidos no miscibles, entre un gas y un sólido y entre un líquido y un sólido. La tendencia de cualquier superficie líquida es hacerse lo más reducida posible como resultado de esta tensión, como ocurre con el mercurio, que forma una bola casi redonda cuando se deposita una cantidad pequeña sobre una superficie horizontal. La forma casi perfectamente esférica de una burbuja de jabón, que se debe a la distribución de la tensión sobre la delgada película de jabón, es otro ejemplo de esta fuerza. La tensión superficial es suficiente para sostener una aguja colocada horizontalmente sobre el agua. La tensión superficial es importante en condiciones de ingravidez; en los vuelos espaciales, los líquidos no pueden guardarse en recipientes abiertos porque ascienden por las paredes de los recipientes. Una de las maneras de disminuir la tensión superficial en el agua es cuando se le añade jabón o detergente, lo cual la acción limpiadora penetra con facilidad en las fibras de las telas. La fisicoquímica de superficies entre fases es muy compleja, y existen libros enteros dedicados a esta especialidad, y para obtener información al respecto ver referencia [12].


Adhesión y Cohesión.

La adhesión es la fuerza de atracción entre moléculas de un líquido con otras moléculas de una superficie sólida en contacto. Se dice que el fluido moja la superficie en contacto del recipiente que lo contiene, y la superficie del líquido es cóncava. Ejemplo: el agua moja la pared del recipiente que lo contiene, ver Figura 6.5.a. La cohesión es la fuerza de atracción entre moléculas adyacentes dentro de un mismo líquido. Se dice que el fluido no moja la superficie en contacto del recipiente que lo contiene, y la superficie del líquido es convexa. Ejemplo, el mercurio no moja la pared del recipiente que lo contiene, ver Figura 6.5.b. En los líquidos, la cohesión se refleja en la tensión superficial, causada por una fuerza no equilibrada hacia el interior del líquido que actúa sobre las moléculas superficiales, y también en la transformación de un líquido en sólido cuando se comprimen las moléculas lo suficiente. En los sólidos, la cohesión depende de cómo estén distribuidos los átomos, las moléculas y los iones, lo que a su vez depende del estado de equilibrio (o desequilibrio) de las partículas atómicas. Muchos compuestos orgánicos, por ejemplo, forman cristales moleculares, en los que los átomos están fuertemente unidos dentro de las moléculas, pero éstas se encuentran poco unidas entre sí [10]. Capilaridad

La tensión superficial causa la elevación o depresión del líquido en un tubo sólido de diámetro menor de 10 mm. Este efecto se llama capilaridad, ver Figura 6.5.c. Para un fluido que moja (adhesión) la tensión superficial eleva una columna de líquido hasta que equilibra esta tensión superficial con el peso de la columna del líquido. Es decir, el fluido ascenderá por encima del nivel hidrostático, como ejemplo sería el agua lo cual moja la pared del recipiente que lo contiene. Para un fluido que no moja (cohesión) la tensión superficial deprime una columna de líquido hacia abajo. Es decir, el fluido descenderá por debajo del nivel hidrostático, como ejemplo sería el mercurio lo cual no moja las paredes del recipiente que lo contiene. La absorción de agua por una esponja y la ascensión de la cera fundida por el pabilo de una vela son ejemplos familiares de ascensión capilar. El agua sube por la tierra debido en parte a la capilaridad, y algunos instrumentos de escritura como la pluma estilográfica (fuente) o el rotulador (plumón) se basan en este principio [10].

(a) (b) (c)

Figura 6.5. Fenómenos debido a la tensión superficial (a) contacto entre agua y vidrio, (b) contacto entre mercurio y líquido, (c) elevación capilar.

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