2.03 viscosidad
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VISCOSIDAD
Es la propiedad del lquido que define la magnitud de su resistencia debida a las fuerzas de cizalla en su interior, es una propiedad del lquido que ms influye en las caractersticas de flujo.
La viscosidad es la propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide con un recipiente llamado viscosmetro que tiene un orificio de tamao conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida de su viscosidad.
Segn la teora molecular, cuando un fluido empieza a fluir bajo la influencia de la gravedad, las molculas de las capas estacionarias del fluido deben cruzar una frontera o lmite para entrar en la regin de flujo. Una vez cruzado el lmite, estas molculas reciben energa de las que estn en movimiento y comienzan a fluir. Debido a la energa transferida, las molculas que ya estaban en movimiento reducen su velocidad. Al mismo tiempo, las molculas de la capa de fluido en movimiento cruzan el lmite en sentido opuesto y entran en las capas estacionarias, con lo que transmiten un impulso a las molculas estacionarias. El resultado global de este movimiento bidireccional de un lado al otro del lmite es que el fluido en movimiento reduce su velocidad, el fluido estacionario se pone en movimiento, y las capas en movimiento adquieren una velocidad media.
Para hacer que una capa de fluido se mantenga movindose a mayor velocidad que otra capa es necesario aplicar una fuerza continua. La viscosidad en poises se define como la magnitud de la fuerza (medida en dinas por centmetro cuadrado de superficie) necesaria para mantener en situacin de equilibrio una diferencia de velocidad de 1 cm por segundo entre capas separadas por 1 cm. La viscosidad del agua a temperatura ambiente (20 C) es de 0,0100 poises; en el punto de ebullicin (100 C) disminuye hasta 0,0028 poises.
La viscosidad de un fluido disminuye con la reduccin de densidad que tiene lugar al aumentar la temperatura. En un fluido menos denso hay menos molculas por unidad de volumen que puedan transferir impulso desde la capa en movimiento hasta la capa estacionaria. Esto, a su vez, afecta a la velocidad de las distintas capas. El momento se transfiere con ms dificultad entre las capas, y la viscosidad disminuye. En algunos lquidos, el aumento de la velocidad molecular compensa la reduccin de la densidad. Los aceites de silicona, por ejemplo, cambian muy poco su tendencia a fluir cuando cambia la temperatura, por lo que son muy tiles como lubricantes cuando una mquina est sometida a grandes cambios de temperatura.
La viscosidad es el rozamiento interno entre las capas de fluido. A causa de la viscosidad, es necesario ejercer una fuerza para obligar a una capa de fluido a deslizar sobre otra.
En la figura, se representa un fluido comprendido entre una lnea inferior fija y una lnea superior mvil.
Los diferentes fluidos presentan diferentes grados de resistencia a la tensin aplicada. La viscosidad es la propiedad del fluido que define la resistencia al movimiento existente entre las capas internas del fluido.
fluido
del
ento
comportami
de
indice
n
fluido
del
ia
consistenc
de
indice
K
fluencia
de
tensin
=
=
=
0
t
y
u
A
F
D
D
-
=
m
Donde:
Pa
m
N
=
=
2
t
Los lquidos que cumplen la ecuacin anterior se denominan lquidos newtonianos. El agua es un lquido newtoniano; otros alimentos que presentan caractersticas newtonianas son la miel, la leche lquida y los zumos de frutas.
s
Pa
s
Pa
dy
du
.
1
=
=
=
t
m
Lquido
Viscosidad aproximada
(Pa.s)
Aire
Agua
Aceite de Oliva
Glicerol
Miel lquida
Jarabe dorado
Vidrio
10-5
10-3
10-1
100
101
102
1040
Pa
m
N
dy
du
=
+
=
2
0
h
t
t
El esfuerzo cortante ( se obtiene seguidamente, teniendo en cuenta que la fuerza se expresa en Newton y el rea en m2.
El tmino du/dy se denomina velocidad de cizallamiento. Sus unidades son 1/s, dadas por el cociente entre el cambio de velocidad (m/s) y la distancia (m).
Las unidades de la viscosidad son:
+
=
dy
du
n
k
log
log
log
t
Fluidos No Newtonianos
Estos fluidos no cumplen la ecuacin vista, las suspensiones densas, lodos, emulsiones, soluciones de polmeros de cadena larga, fluidos biolgicos, alimentos lquidos, pinturas, suspensiones de arcillas y mezclas de hormign son, en general, no newtonianos.
Los no newtonianos (NNs) pueden dividirse en tres amplias clases de materiales.
1. NNs independientes del tiempo
(Velocidad de cizalladura) = (esfuerzo cortante solo)
2. NNs dependientes del tiempo pero no elsticos.
Son fluidos cuyo comportamiento en un momento determinado est influenciado por lo que les ha ocurrido en el pasado reciente. Por ejemplo, la salsa (ketchup) de tomate que ha estado en reposo durante un rato no verter; sin embargo, una botella de ketchup recientemente agitada verter fcilmente.
Velocidad de cizalladura = (esfuerzo historia pasada cortante del esfuerzo)
3. NNs Viscoelsticos.
Son materiales que combinan las propiedades elsticas de los slidos con el comportamiento de los fluidos, y como ejemplos se tiene la saliva y en general todos los fluidos biolgicos, sopa concentrada de tomate, masa de pan y muchas soluciones polimricas.
* Para otros tipos de NNs las ecuaciones de flujo, si pueden desarrollarse completamente, son mucho ms complicadas. Sin embargo, afortunadamente, Para flujo en estado estacionario sin aceleraciones (flujo en tubos rectos sin boquillas, codos, orificios, etc.) estos fluidos pueden con frecuencia tratarse tambin como independientes del tiempo.
Esfuerzo frente a velocidad de cizalladura para las dos clases de fluidos no newtonianos, dependientes del tiempo, pero no elsticos.
Esfuerzo cortante y viscosidad:
1. Para un newtoniano el gradiente de velocidad es proporcional al esfuerzo cortante impuesto al fluido.
2. Para un plstico de Bingham la relacin esfuerzo cortante frente gradiente de velocidad es lineal, pero no pasa por el origen.
fluido
del
ento
comportami
de
indice
n
fluido
del
ia
consistenc
de
indice
K
fluencia
de
tensin
=
=
=
0
t
3. Para pseudoplsticos y dilatantes que siguen un comportamiento potencial, denominados fluidos de la ley de potencia, la relacin entre esfuerzo cortante y gradiente de velocidad no es lneal.
n
dy
du
K
=
-
0
t
t
4. Para plsticos en general se tiene:
y
u
A
F
D
D
-
=
m
Pa
m
N
=
=
2
t
Esquema del perfil de velocidad en un lquido utilizado para definir la viscosidad
EMBED Equation.3
= viscosidad dinmica
Tabla: Viscosidad de algunos materiales comunes a temperatura ambiente
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
PAGE
s
Pa
s
Pa
dy
du
.
1
=
=
=
t
m
Pa
m
N
dy
du
=
+
=
2
0
h
t
t
+
=
dy
du
n
k
log
log
log
t
n
dy
du
K
=
-
0
t
t