¿Qué es un fluido?

De manera genérica, utilizamos el término fluido para referirnos tanto a los líquidos como a los gases. Desde un punto de vista elemental, observamos que mientras que un líquido toma la forma del recipiente que lo contiene, un gas se expande ocupando todo el espacio disponible. A pesar de la aparente diferencia entre ambos medios, los líquidos y los gases pueden ser descritos de una manera común. Una forma de caracterizarlos es analizando su comportamiento cuando se les aplica un esfuerzo. En física, denominamos esfuerzo al cociente de la fuerza aplicada sobre un cuerpo y el área de la superficie sobre el que está siendo aplicada. Esencialmente podemos distinguir entre esfuerzos normales y tangenciales. Los esfuerzos normales son aquellos en los que la fuerza actúa perpendiculamente a la superficie del cuerpo, y los más comunes son los que denominamos esfuerzos de presión o simplemente presión. Por su parte, los esfuerzos tangenciales actúan en alguna dirección tangencial a la superficie del cuerpo y también son conocidos como esfuerzos cortantes. Cuando aplicamos un esfuerzo cortante a un sólido, éste puede resistirlo mediante una deformación estática. Pensemos en un caso sencillo, por ejemplo, en un bloque de hule al que podemos llamar un sólido elástico. Si aplicamos un esfuerzo cortante a una de sus caras, digamos la superior, manteniendo la superficie inferior fija, el bloque se deforma dando lugar a un paralelepipedo como el mostrado en la Fig. 2

Fig. 2 a) Sólido elástico en ausencia de esfuerzos. b) Sólido elástico siendo deformado por un esfuerzo cortante \(\sigma\).

Al eliminar el esfuerzo, el sólido elástico recupera su forma original. Si en vez de un bloque de hule se tratara de un bloque metálico, por ejmplo de oro, un esfuerzo suficientemente intenso puede ocasionar una deformación permenente en el cuerpo. ¿Qué sucede cuando se aplica un esfuerzo cortante a un fluido? Pensemos en un estanque de agua sobre el que sopla una ráfaga de viento tangencialmente a la superficie libre. En tal caso el fluido también se deforma pero a diferencia de un sólido la deformación no cesa cuando el esfuerzo cortante desaparece. El fluido fluye, es decir, se deforma y se desplaza [2]. Esta es una de las principales características de un fluido. Entendemos a un fluido como un medio deformable cuyos elementos se pueden desplazar libremente sin afectar las propiedades macroscópicas del medio. Aunque un fluido ofrece resistencia a moverse, ésta no impide que se deforme. Es decir, un fluido es un medio material que se deforma continuamente ante la acción de esfuerzos cortantes de cualquier magnitud. Si un fluido está en equilibrio estático, los esfuerzos cortantes dentro del fluido deben ser nulos.

Si consideramos la estructura molecular de la materia podemos pensar que en un sólido los enlaces moleculares son muy fuertes, lo que se traduce en la rigidez del medio. En un sólido la fuerza de atracción entre átomos y moléculas es tan grande que la energía térmica que poseen no es suficiente para vencerla. En contraste, en un líquido los enlaces moleculares son más débiles por lo que incluso un esfuerzo mínimo es capaz de deformarlo y hacerlo fluir, aunque manteniendo cierta cohesión que lo confina en una región del espacio. Por su parte, en un gas los enlaces moleculares son aún más débiles que en un líquido, lo que permite a las moléculas poder ocupar todo el espacio disponible. Dicho de otro modo, la energía térmica de las moléculas de un gas es suficiente para romper los enlaces moleculares y moverse de manera casi autónoma. De hecho, podemos pensar que en un gas poco denso, lo que se conoce como un gas diluido, las moléculas no interactúan entre sí más que a través de colisiones entre ellas, actuando entonces como partículas libres. Vemos entonces que, los líquidos son un estado intermedio entre un sólido y un gas, es decir, sus átomos tienen suficiente energía térmica para romper algunos enlaces con sus vecinos pero no suficiente para romperlos todos y convertirse en un gas.

Otra característica primordial de los fluidos tiene que ver con el desplazamiento relativo de una parte del medio respecto a otra cuando el fluido se mueve. Si un sólido rígido (es decir, no deformable) se mueve, todas las partículas que lo constituyen guardan siempre la misma distancia entre ellas y por tanto todo el sólido tiene la misma aceleración. En contraste, en un fluido en movimiento, en general existe un desplazamiento relativo entre sus elementos de modo que la aceleración en los diferentes puntos del medio puede ser distinta. Debido a este hecho, la descripción del movimiento de un fluido es en general mucho más complicada que la de un sólido.

La experiencia cotidiana nos muestra que existe una gran diversidad de fluidos en la naturaleza, en la industria y en la vida diaria. Algunos de ellos tienen comportamientos peculiares o poco comunes como el agua con maicena (ver ejemplo en [3]). También existen fluidos que parecen sólidos y pueden resistir esfuerzos cortantes por periodos cortos pero se deforman lentamente comportándose como fluidos en periodos largos, como el asfalto (ver ejemplo en [4]). En este curso estudiaremos únicamente a los fluidos más comunes, aquellos que se comportan como el agua y el aire que son los fluidos más importantes para la vida en la Tierra. El agua y el aire pertenecen a una clase de fluidos conocidos como Newtonianos que se caracterizan por la existencia de una relación lineal entre el esfuerzo aplicado y la deformación resultante, como veremos posteriormente.

Por otra parte, en diversas aplicaciones es común encontrar la co-existencia de líquidos y gases en mezclas de dos o más fases, por ejemplo agua y vapor o bien agua con burbujas de aire o de algún otro gas. Este tipo de flujos se conocen comomultifásicos y son muy comunes en las industrias petrolera y geotérmica, al igual que en muchas otras aplicaciones. En este curso estudiaremos únicamente fluidos en una sola fase (monofásicos). Suponderemos además, que el fluido en consideración está compuesto de una sola especie química (monocomponente) y que es inerte químicamente. Por tanto, no contemplaremos la existencia de reacciones químicas.