2. Propiedades de los fluidos
Los fluidos se comportan de manera muy diferente de
los slidos.
Los fluidos incluyen a los lquidos y gases.
Muchos procesos de manufactura se ejecutan en
materiales que han pasado del estado slido al lquido
a travs de calentamiento. Los metales son lquidos en
el estado de fusin; el vidrio se forma en un estado
caliente y muy fluido; y a los polmeros casi siempre se
les moldea como fluidos espesos. Ingeniera en Diseo Industrial Procesos Industriales de Metales y Materiales de alta Tecnologa
Viscocidad
Aunque el flujo es una caracterstica que define a los
fluidos, la tendencia a fluir vara de uno a otro.
La viscosidad es la propiedad que determina que un
fluido fluya.
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A grandes rasgos, la viscosidad se define como la
resistencia al flujo que es caracterstica de un fluido. Es
una medida de la friccin interna que aparece cuando
ay presentes gradientes de velocidad en el fluido, entre
ms viscoso es el fluido, mayor es la friccin interna y
mayor la resistencia al flujo.
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A grandes rasgos, la viscosidad se define como la
resistencia al flujo que es caracterstica de un fluido. Es
una medida de la friccin interna que aparece cuando
ay presentes gradientes de velocidad en el fluido, entre
ms viscoso es el fluido, mayor es la friccin interna y
mayor la resistencia al flujo.
El inverso de la viscosidad es la fluidez, es decir, la
facilidad con que el fluido fluye.
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Fluidos de baja viscosidad Fluidos de alta viscosidad
Con ms precisin, la viscosidad se define respecto de un arreglo como el
que se ilustra en la figura, en el que dos placas paralelas estn separados por
una distancia . Una de ellas es estacionaria, mientras que la otra se mueve a velocidad , y el espacio entre ellas est ocupado por un fluido.
Al orientar estos parmetros en relacin con un sistema de ejes
coordenados, est en la direccin del eje y en direccin del eje x. Al movimiento de la placa superior se opone la fuerza F que resulta de la
accin de viscosidad cortante del fluido. Esta fuerza se reduce a un esfuerzo
cortante si se divide F entre la superficie de la placa, A:
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=
donde = esfuerzo cortante, Pa (psi). Este esfuerzo cortante se relaciona con la tasa de cortante ( ), que se define como el cambio de la velocidad respecto de . Es decir,
=
La viscosidad cortante es la propiedad del fluido que define la relacin entre
/ y /; es decir,
=
O
=
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Donde = una constante de proporcionalidad llamada coeficiente de viscosidad [Pa-s].
El coeficiente de viscosidad puede expresarse como sigue:
=
As, la viscosidad de un fluido se define como la razn del esfuerzo cortante a
la tasa del cortante durante el flujo, donde el esfuerzo cortante es la fuerza
por friccin que el fluido ejerce por unidad de rea, y la tasa del cortante es
el gradiente de velocidad perpendicular a la direccin de flujo. Newton fue
quien enunci primero las caractersticas de viscosidad de los fluidos
definidas por la ecuacin anterior. l observ que la viscosidad era una
propiedad constante de un fluido dado, y un fluido de ese tipo se denomina
fluido newtoniano.
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Donde = una constante de proporcionalidad llamada coeficiente de viscosidad.
As, la viscosidad de un fluido se define como la razn del esfuerzo cortante a
la tasa del cortante durante el flujo, donde el esfuerzo cortante es la fuerza
por friccin que el fluido ejerce por unidad de rea, y la tasa del cortante es
el gradiente de velocidad perpendicular a la direccin de flujo. Newton fue
quien enunci primero las caractersticas de viscosidad de los fluidos
definidas por la ecuacin anterior. l observ que la viscosidad era una
propiedad constante de un fluido dado, y un fluido de ese tipo se denomina
fluido newtoniano.
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Las unidades del coeficiente de viscosidad requieren explicacin. En el
Sistema Internacional de Unidades (SI), debido a que el esfuerzo cortante se
expresa en N/m2 o Pascales, y la tasa del cortante en 1/s, sigue que tiene unidades de N-s/m2 o Pascal-segundo, que se abrevia Pas. En el sistema de
unidades tradicional de Estados Unidos, las unidades correspondientes son
lb/in2 y 1/s, de modo que las unidades del coeficiente de viscosidad estn
en lb-s/in2. Otra unidad que a veces se emplea para la viscosidad es el poise,
que es dina-s/cm2 (10 poises = 1 Pas y 6 895 Pas = 1 lb-s/in2). En la tabla se
dan algunos valores comunes del coeficiente de viscosidad para distintos
fluidos
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Fluidos Newtonianos
En el caso en que la relacin entre el esfuerzo cortante y la rapidez de
deformacin es lineal (tasa de cortante), se dice que el fluido es newtoniano,
en cualquier otro caso se dice que el fluido es no newtoniano. A la relacin
matemtica que existe entre el esfuerzo de corte y la rapidez de deformacin
se le denomina ecuacin constitutiva. Por lo tanto, la ecuacin constitutiva
para el fluido newtoniano est expresada por
=
cuando se habla de la viscosidad se est haciendo referencia a un fluido newtoniano.
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Fluidos no Newtonianos
Para fluidos no newtonianos la ecuacin constitutiva que los describe es el
modelo de ley de potencia, expresado por la siguiente ecuacin:
= k (Modelos de Ostwald de Waele o Ley de la Potencia)
Donde k y n son parmetros empiricos. El comportamiento en flujo de
fluidos como las soluciones polimricas, algunas pinturas, suspensiones y
polmeros fundidos puede ser representado por este modelo, por ello es
muy til en la industria ya que se emplea para modificar las variables de
procesamiento.
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Debido a que determina precisamente el modo en que se desarrolla el flujo, si < 1 el fluido se denomina pseudoplstico, estos fluidos fluyen ms fcilmente aumentando la velocidad de deformacin.
Por el contrario, cuando > 1 la resistencia a fluir aumenta con un aumento de la velocidad de corte, y el fluido se denomina dilatante.
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La mayora de los fluidos no newtonianos son pseudoplsticos: alimentos
(jugos y pur de frutas, salsas), polmeros fundidos (poliestireno, acrilonitrilo,
polipropileno, etc.), cosmticos, ltex, tinta de imprenta.
Los fluidos dilatantes son ms raros, entre otros el cemento y las
suspensiones concentradas (ej: almidn de maz) siguen este
comportamiento.
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Al sustituir el modelo de ley de potencia en la definicin de viscosidad, se
obtiene que sta depende explcitamente de la rapidez de deformacin de
la manera siguiente,
= 1
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Fluidos Newtonianos:
Agua
Fluidos no Newtonianos:
Pegamento, miel, geles, sangre, etc
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