¿Qué es la viscosidad?

La viscosidad de un fluido es una medida de su resistencia a fluir. Describe la fricción interna de un fluido en movimiento. Los fluidos viscosos resisten el movimiento porque su composición molecular crea mucha fricción interna. Los fluidos con baja viscosidad fluyen fácilmente porque su composición molecular crea poca fricción cuando están en movimiento.

A nivel molecular, la viscosidad es causada por las interacciones entre diferentes moléculas en un fluido. Esto también se puede considerar como fricción entre las moléculas. Al igual que en el caso de la fricción entre sólidos en movimiento, la viscosidad determinará la energía necesaria para hacer fluir un fluido.

La mejor manera de visualizar esto es a través de un ejemplo. Considere una taza hecha de espuma de poliestireno con un agujero en la parte inferior. Noto que la copa se escurre muy lentamente cuando le echamos miel. Esto se debe a que la viscosidad de la miel es relativamente alta en comparación con otros líquidos. Cuando llenamos la misma taza con agua, por ejemplo, el agua se escurrirá mucho más rápido. Se dice que un fluido con una viscosidad baja es "delgado", mientras que un fluido de alta viscosidad se dice que es "espeso". Es más fácil moverse a través de un fluido de baja viscosidad (como el agua) que de un fluido de alta viscosidad (como la miel).

Factores que afectan la viscosidad

La viscosidad está influenciada por muchos factores. Los ejemplos incluyen la temperatura, la presión y la adición de otras moléculas. La presión tiene un efecto pequeño en los líquidos y, a menudo, se ignora. Agregar moléculas puede tener un efecto significativo. El azúcar, por ejemplo, hace que el agua sea más viscosa.

La temperatura, sin embargo, tiene el mayor impacto en la viscosidad. Los aumentos de temperatura en un líquido disminuyen la viscosidad porque les da a las moléculas suficiente energía para superar la atracción intermolecular. El efecto de la temperatura sobre la viscosidad es el opuesto para los gases. A medida que aumenta la temperatura del gas, aumenta la viscosidad. La viscosidad del gas no se ve afectada significativamente por la atracción intermolecular, sino por el aumento de la temperatura, lo que hace que colisionen más moléculas.

Viscosidad dinámica y cinética

Hay dos formas de informar la viscosidad. Absoluto o viscosidad dinámica es una medida de la resistencia de un fluido a fluir mientras viscosidad cinemática es la relación entre la viscosidad dinámica y la densidad de un fluido. Si bien la relación es sencilla, es importante recordar que dos fluidos con los mismos valores de viscosidad dinámica pueden tener densidades diferentes y, por lo tanto, valores de viscosidad cinemática diferentes. Y, por supuesto, la viscosidad dinámica y la viscosidad cinemática tienen unidades diferentes.

Unidades de viscosidad

La unidad SI para la viscosidad es newton-segundo por metro cuadrado (N·s/m2). Sin embargo, a menudo verá la viscosidad expresada en términos de pascal-segundo (Pa·s), kilogramo por metro por segundo (kg·m−1·s−1), poise (P o g·cm−1·s− 1 = 0.1 Pa·s) o centipoise (cP). Esto hace que la viscosidad del agua a 20 °C sea de aproximadamente 1 cP o 1 mPa·s.

En la ingeniería estadounidense y británica, otra unidad común es la libra-segundo por pie cuadrado (lb·s/ft2). Una unidad alternativa y equivalente es la libra-fuerza-segundo por pie cuadrado (lbf·s/ft2).

Unidades de viscosidad dinámica

Equilibrio (símbolo: P)

Poise (símbolo: P) Nombrada en honor al médico francés Jean Louis Marie Poiseuille (1799–1869), esta es la unidad de viscosidad CGS, equivalente a dina-segundo por centímetro cuadrado. Es la viscosidad de un fluido en el que una fuerza tangencial de 1 dina por centímetro cuadrado mantiene una diferencia de velocidad de 1 centímetro por segundo entre dos planos paralelos separados por 1 centímetro. Incluso en relación con los fluidos de alta viscosidad, esta unidad suele encontrarse como el centipoise (cP), que es 0.01 poise. Muchos fluidos cotidianos tienen viscosidades entre 0.5 y 1000 cP

Pascal-segundo (símbolo: Pa · s)

Esta es la unidad SI de viscosidad, equivalente a newton-segundo por metro cuadrado (N · sm – 2). A veces se le llama "poiseuille" (Pl). Un equilibrio es exactamente 0.1 Pa · s. Una poiseuille es 10 poise o 1000 cP, mientras que 1 cP = 1 mPa · s (un milipascal-segundo).

Unidades de viscosidad cinemática

Stokes (símbolo: St)

Esta es la unidad cgs, equivalente al centímetro cuadrado por segundo. Una stoke es igual a la viscosidad en poise dividida por la densidad del fluido en g cm–3. Generalmente se encuentra como centistokes (cSt) (= 0.01 stokes).

Segundos Saybolt universales

Este es el tiempo para que fluyan 60 ml de fluido a través del orificio calibrado de un viscosímetro Saybolt Universal a una temperatura especificada de viscosidad cinemática, según lo prescrito por el método de prueba ASTM D 88. Para viscosidades más altas, se usa SSF (Saybolt Seconds Furol).

fórmula de la viscosidad

Modelo básico de flujo entre dos placas [1]

La relación de la fuerza externa (F) al área afectada (A) se define como el Esfuerzo cortante (σ):

σ = F/A

El sistema esfuerzo cortante (γ) se define como el cambio relativo en la longitud del material debido a la fuerza externa:

γ = l/l₀

La relación entre el esfuerzo cortante (σ) y la deformación cortante (γ) se define como el módulo (G):

G = σ/ γ

Si la placa superior de la Figura 1 se mueve a cierta velocidad (v), el gradiente de velocidad dv/dx se define como el tasa de corte (γ̇). Sir Isaac Newton, quien formuló las leyes del movimiento y la gravitación universal, descubrió que en los fluidos ideales (conocidos como fluidos newtonianos), el esfuerzo cortante (σ) está directamente relacionado con la velocidad de corte (γ̇):

σ = ηγ̇ or η = σ/γ̇

Fluidos newtonianos y no newtonianos

Los fluidos newtonianos, como se les llama, tienen una viscosidad constante. A medida que aumenta la fuerza, aumenta la resistencia, pero es un aumento proporcional. No importa cuánta fuerza se aplique a un fluido newtoniano, sigue actuando como un fluido. A Fluido newtoniano es un fluido que obedece la ley de fricción de Newton, donde la viscosidad es independiente de la velocidad de deformación.

La viscosidad permanece constante independientemente de los cambios en la velocidad de corte o la agitación. A medida que aumenta la velocidad de la bomba, el flujo aumenta proporcionalmente. Los líquidos que muestran un comportamiento newtoniano incluyen agua, aceites minerales, jarabe, hidrocarburos y resinas.

Fluidos no newtonianos

A fluido no newtoniano es aquel que no obedece la ley de fricción de Newton. La mayoría de los sistemas de fluidos no son newtonianos (conocidos como fluidos no newtonianos) y su viscosidad no es constante, sino que cambia en función del aumento o la disminución de la velocidad de corte aplicada.

Muchos fluidos muestran una disminución de la viscosidad en función del aumento de la velocidad de corte. Estos fluidos se llaman fluidos pseudoplásticos. La "estructura" del fluido en estos sistemas se descompone debido a la fuerza externa, lo que resulta en una adelgazamiento por cizallamiento conducta. Si la asociación inicial entre partículas (o molecular) es fuerte, el sistema puede comportarse como un sólido en reposo. El esfuerzo cortante inicial que se requiere para vencer las fuerzas internas y romper la estructura se define como el valor de rendimiento del sistema. Los materiales que exhiben un valor de rendimiento y luego muestran adelgazamiento por cizallamiento al aumentar la velocidad de cizallamiento se definen como fluidos plasticos. Algunos fluidos exhiben un aumento en la viscosidad con el aumento de la velocidad de corte, un fenómeno conocido como engrosamiento por corte. Estos materiales se definen como fluidos dilatantes.

Esfuerzo cortante en función de la velocidad de corte [1]

Viscosidad en función de la velocidad de corte [1]

Comportamiento del flujo en el tiempo: tixotropía

Un fluido complejo se reorganiza con el tiempo cuando se elimina una fuerza externa. Por lo tanto, la viscosidad no solo debe medirse aumentando la velocidad de corte a medida que se rompe la estructura, sino también disminuyendo la velocidad de corte a medida que el sistema se restablece. Esto se llama histéresis.

En una recuperación rápida, el gráfico de viscosidad frente a velocidad de cizallamiento decreciente se superpondría al gráfico de viscosidad frente a velocidad de cizallamiento creciente. Si el fluido tarda en restaurar su estructura, la "curva descendente" estaría por debajo de la "curva ascendente". Tixotropía se define como que presenta adelgazamiento por cizallamiento con una velocidad de cizallamiento aumentada y una recuperación más lenta con una velocidad de cizallamiento decreciente. En no tixotrópico materiales, las curvas "hacia arriba" y "hacia abajo" se superponen y en reopectico materiales, la curva "hacia abajo" está por encima de la curva "hacia arriba".

Pero mientras que los fluidos tixotrópicos se confunden ocasionalmente con fluidos pseudoplásticos, y los fluidos reopécticos se confunden ocasionalmente con fluidos dilatantes, estos dos tipos de fluidos difieren en una forma crucial: la dependencia del tiempo. El cambio de viscosidad con respecto al estrés para fluidos dilatantes y pseudoplásticos es independiente del tiempo. Pero para los fluidos tixotrópicos, la viscosidad disminuye con el aumento de la tensión cuanto más tiempo se aplica la tensión. Lo mismo ocurre con los fluidos reopécticos, la viscosidad aumenta con el aumento de la tensión cuanto más tiempo se aplica dicha tensión.

Usamos muchos productos en la vida diaria que exhiben un comportamiento tixotrópico. La tixotropía es la propiedad que explica por qué los productos de cuidado personal como los geles para el cabello y la pasta de dientes pasan de líquido a sólido cuando se exprimen, pero luego vuelven a su estado sólido para mantener su forma. Las propiedades reológicas de descomposición estructural y regeneración en relación con el tiempo determinan la calidad de un producto.

Viscosidad en función de la velocidad de corte: comportamiento tixotrópico y no tixotrópico (las flechas muestran el aumento o la disminución de la velocidad de corte) [1]

Viscosidad con respecto al estrés a lo largo del tiempo (comportamiento tixotrópico frente a reopéctico) [2]

Importancia de la viscosidad en la vida diaria

En muchos campos diferentes, la viscosidad puede ser bastante útil, aunque parece tener una importancia menor en la vida diaria. Por ejemplo:

• Lubricación en vehículos.Cuando pone aceite en su automóvil o camión, debe considerar su viscosidad. Es porque la viscosidad afecta la fricción, que afecta el calor. Además, la viscosidad afecta tanto la tasa de consumo de aceite como la facilidad con la que su vehículo arranca en condiciones de calor y frío. La viscosidad de algunos aceites permanece igual a medida que se calientan y se enfrían, mientras que otros se vuelven más delgados a medida que se calientan, causando problemas al operar su automóvil durante un caluroso día de verano.
• En la preparación y servicio de los alimentos, la viscosidad juega un papel importante. Muchos aceites de cocina se vuelven mucho más viscosos con el enfriamiento, mientras que otros pueden no cambiar la viscosidad en absoluto. Como la grasa es viscosa cuando se calienta, se vuelve sólida cuando se enfría. La viscosidad de salsas, sopas y guisos también es importante en diferentes cocinas. Cuando se diluye, una sopa espesa de patata y puerro se convierte en vichyssoise francesa. La miel, por ejemplo, es bastante viscosa y puede cambiar la "sensación en la boca" de ciertos alimentos.
• El equipo de fabricación debe estar correctamente lubricado para funcionar sin problemas. Las tuberías pueden atascarse y obstruirse con lubricantes viscosos. Los lubricantes diluidos brindan una protección insuficiente para las piezas móviles.
• Cuando los fluidos se inyectan por vía intravenosa, la viscosidad puede ser crucial. Una preocupación importante tiene que ver con la viscosidad de la sangre: la sangre que es demasiado viscosa puede formar coágulos internos, mientras que la sangre que es demasiado delgada no se coagula, lo que provoca una pérdida de sangre peligrosa e incluso la muerte.

Algunas viscosidades típicas