C 05 VISCOSIDAD Y CAUDAL
Definición de Viscosidad
Los líquidos
tienen la capacidad de poder fluir, es decir, si se pone en movimiento a
un líquido, éste al moverse trata de permanecer todo junto, y es precisamente
atribuido a su virtud de ser viscosos.
Viscosidad es la resistencia que tienen los líquidos
a fluir, es decir, es la oposición de un fluido a deformarse y esta oposición
es debida a las fuerzas de adherencia que tienen unas moléculas de un líquido o
fluido con respecto a las otras moléculas del mismo líquido.
Es importante resaltar que la viscosidad es una
característica que está presente en los líquidos que se encuentran en
movimiento, no se puede ver reflejada en un líquido que se encuentre estático
debido a que si el líquido permanece fijo las moléculas que lo componen no
tendrán la necesidad de interactuar entre sí para tratar de permanecer unidas.
El hecho de que un fluido sea más viscoso que otro
quiere decir que tiene mayor oposición a su deformación.
El aumento
de temperatura a un fluido, ocasiona que disminuya su viscosidad.
A parte de
los líquidos los gases también poseen la característica de la viscosidad debido
a que estos también son fluidos o se pueden poner en movimiento, sin embargo en
este caso sus efectos suelen ser despreciables en vista que son tomados en
cuenta como fluidos ideales.
La viscosidad se refiere a la resistencia que
poseen algunos líquidos durante su fluidez y deformación.
La viscosidad también
se puede entender como la densidad que
diferencia a unos líquidos de otros.
Por
tanto, la viscosidad es una de las principales
características de los líquidos, y se determina de la siguiente manera:
mientras más resistencia posee un líquido para fluir y deformarse, es más
viscoso.
Habrá
mayor o menor viscosidad según la resistencia que hagan las moléculas o las
partículas que conforman un líquido al momento de separarse o deformarse. A
mayor fuerza de adherencia de las moléculas, mayor viscosidad.
Por
tanto, a mayor viscosidad, más resistencia opondrá
el fluido a su deformación, o, lo que es lo mismo: cuanto más fuerte son las
fuerzas intermoleculares de atracción, mayor es la viscosidad.
Ejemplos de viscosidad: miel,
los lubricantes de vehículos o aceite son líquidos viscosos, esto se observa
porque se mueven con dificultad y no se derraman fácilmente.
No
obstante, esta propiedad puede variar al someter el líquido al calor, ya que
disminuye la viscosidad y permite que se desplace con mayor rapidez.
Por el
contrario, aquellos líquidos que carecen de viscosidad se denominan fluido
ideal, justamente porque tienen fluidez.
Viscosidad dinámica o absoluta
La
viscosidad también recibe el nombre de viscosidad dinámica,
porque se entiende como la relación entre el esfuerzo cortante y el gradiente
de velocidad, que se representa con la letra griega µ.
La
viscosidad dinámica también es conocida por el nombre viscosidad absoluta. Se
caracteriza por la resistencia interna que se forma entre las moléculas de un
fluido, a fin de mantenerse unidas y no dispersase, lo que afecta su flujo y
determina su viscosidad.
Viscosidad cinemática
Otro tipo
de viscosidad es la viscosidad cinemática,
que se calcula dividiendo la viscosidad dinámica por la densidad de fluido a
fin obtener las fuerzas que generan el movimiento.
Se
calcula a través del cociente de la viscosidad dinámica por la densidad de la
sustancia, y su unidad es el stoke o centistoke (cm2/seg).
Viscosidad del agua
La
existencia de la vida depende del agua, de ahí su importancia. El agua es un líquido cuya viscosidad es bastante baja,
en comparación con otros líquidos, como por ejemplo, el aceite.
Gracias a
que su viscosidad es baja, la sangre puede fluir por el torrente sanguíneo y
demás órganos del cuerpo humano y animal. Las plantas, por su parte, también se
pueden alimentar del agua, así como muchos otros seres vivos.
Si la viscosidad
del agua fuese mayor o menor afectaría de diferentes maneras la existencia de
la vida y su desarrollo, ya que su estructura molecular también sería distinta.
UNIDAD DE VISCOSIDAD
Según el Sistema sexagesimal de unidades, la unidad
de viscosidad es el poise (P), nombre en honor al fisiólogo francés
Jean-Louis-Marie Poiseuille. También, se suele utilizar el centipoise (cP).
En relación a lo anterior, 1 poise = 100 centipoise
= 1 g/(cm·s) . A su vez, 1 centipoise es igual a un minipascal por segundo.
La unidad de la viscosidad dinámica se denomina
pascal-segundo, de acuerdo al Sistema de Unidades.
Por su parte, la viscosidad cinemática (nu = µ), se obtiene a través del cociente de la viscosidad
dinámica por la densidad de la sustancia, y su unidad es el stoke o centistoke
(cm2/seg).
1 stoke = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0,0001 m²/s.
Hidrodinámica
CAUDAL O GASTO
La hidrodinámica estudia
la dinámica de los líquidos.
Para el estudio de la
hidrodinámica normalmente se consideran tres aproximaciones importantes:
La hidrodinámica tiene numerosas
aplicaciones industriales, como diseño de canales, construcción de puertos y
presas, fabricación de barcos, turbinas, etc.
CAUDAL O GASTO
El caudal o gasto es
una de las magnitudes principales en el estudio de la hidrodinámica.
Se define como el volumen de
líquido DV que fluye por una unidad de
tiempo Dt. Sus unidades en el Sistema
Internacional son los m3/s y su expresión matemática:
Q = v / t
Para conocer el volumen del
líquido que pasa por el punto 1 al 2 de la tubería, basta multiplicar entre si
el área, la velocidad del líquido y el tiempo que tarda en pasar por los
puntos.
El caudal de un río es
fundamental en el dimensionamiento de presas, embalses y obras de control de
avenidas. Dependiendo del tipo de obra, se emplean los caudales medios diarios,
con un determinado tiempo de recurrencia o tiempo de retorno, o los caudales
máximos instantáneos.
Flujo
Se define como la cantidad de
masa del líquido a través de una tubería en un segundo.
Para algunas aplicaciones
prácticas es mejor conocer la cantidad de masa que circula con un conducto o
tubo en la unidad de tiempo, como por ejemplo, el flujo de agua en una
manguera.
Su fórmula es:
f = m/t
Donde:
f=Flujo
(kg/s)
m=Masa
del líquido (Kg)
t=Tiempo
(s)
Tenemos
que cada fluido tiene una densidad propia que se define como la relación
existente entre masa y volumen:
d = m/V
Por lo
que entonces: f = p*V/t
Posteriormente
tenemos que el gasto es la relación entre volumen y tiempo.
Q = v/t Q
= v * A v = velocidad, A = Área
Concluimos
que el flujo se puede determinar como:
f = d * Q
Donde:
Q=Caudal (m3/s)
f=Flujo (Kg/s)
d=Densidad
del fluido (Kg/m3)
Número de Reynolds: El número de Reynolds relaciona la densidad,
viscosidad, velocidad y dimensión típica de un flujo en una expresión
adimensional, que interviene en numerosos problemas de dinámica de fluidos.
Dicho número o combinación adimensional aparece en muchos casos relacionado con
el hecho de que el flujo pueda considerarse laminar o turbulento.
En conductos y tuberías:
• Si el número
de Reynolds es menor de 2100 el flujo será laminar y si es mayor de 3000 el
flujo será turbulento.
Para un
fluido que circula por el interior de una tubería circular recta, el número de
Reynolds viene dado por:
Re = Vs*D
/ V
Donde:
Vs=velocidad característica del fluido
D=diámetro de la tubería a través de la cual circula
el fluido o longitud característica del sistema.
V=viscosidad cinemática del fluido (m2/s)
Flujo Laminar: movimiento de un fluido cuando éste es ordenado,
estratificado, suave. En un flujo laminar el fluido se mueve
en láminas paralelas sin entremezclarse y cada partícula de
fluido sigue una trayectoria suave, llamada línea de corriente. En flujos
laminares el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular.
Flujo
Turbulento: movimiento
de un fluido que se da en forma caótica, en que las
partículas se mueven desordenadamente y las trayectorias de las partículas
se encuentran formando pequeños remolinos periódicos, (no coordinados).
TIPOS DE FLUJOS
La conservación de la masa
de fluido a través de dos secciones (sean éstas A1 y
A2) de un conducto o tubo de corriente establece que: la
masa que entra es igual a la masa que sale.
Tubo de corriente: superficie
formada por las líneas de corriente.
Solo hay flujo de corriente
si V es diferente de 0.
La ecuación de continuidad se
puede expresar como:
p1*A1*V2
= p2*A2*V2
Cuando p1 = p2 que es
el caso general tratándose de agua, y flujo en régimen permanente, se
tiene:
A1*V1 =
A2*V2
O de otra
forma:
Q1=Q2 (El
caudal que entra es igual al que sale)
Donde:
• Q = Caudal (m3/s)
• V = Velocidad
(m/s)
• A = Área
transversal del tubo de corriente o conducto (m2)
Que se
cumple cuando entre dos secciones de la conducción no se acumula masa, es
decir, siempre que el fluido sea incompresible y por lo tanto
su densidad sea constante. Esta condición la satisfacen todos los
líquidos y, particularmente, el agua.
En general la geometría del conducto
es conocida, por lo que el problema se reduce a estimar la velocidad media del
fluido en una sección dada.
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