Propiedades de los fluidos

Compresibilidad

La diferencia esencial entre un líquido y un gas es su compresibilidad, es decir, la capacidad de modificar el volumen del fluido cuando se ejerce una presión externa. En general, los gases son más compresibles que los líquidos. Mediante un experimento sencillo, podemos verificar que comprimir un líquido resulta extremadamente difícil. Esto lo podemos verificar si llenemos con agua una jeringa y tapamos el orificio de salida mientras oprimimos el émbolo, y luego realizamos el mismo experimento cuando la jeringa está llena de aire. Para muchos efectos prácticos, los líquidos pueden considerarse esencialmente incompresibles, es decir, por grande que sea la presión ejercida sobre ellos su volumen permanece prácticamente constante. Por otra parte, aunque el aire es aproximadamente veinte mil veces más compresible que el agua, bajo ciertas condiciones que estudiaremos más adelante, puede considerarse también como incompresible. Siendo la densidad, \(\rho\), una variable intensiva que relaciona la masa de un cuerpo entre el volumen ocupado por el mismo, en un fluido incompresible la densidad se mantiene constante. En general, la densidad depende del estado termodinámico del fluido y varía con la presión y la temperatura.

Viscosidad, conductividades térmica y eléctrica

La propiedad intrínseca de los fluidos a ofrecer resistencia al movimiento se conoce como viscosidad y es una manifestación de las fuerzas de fricción originadas por la estructura molecular de la materia. Cuando un fluido viscoso en movimiento entra en contacto con un cuerpo sólido, las partículas de fluido se adhieren a la superficie del cuerpo de manera que no hay deslizamiento entre el fluido y la superficie sólida.

Sin embargo, en la vecindad del cuerpo la velocidad se incrementa con la distancia a la superficie, en otras palabras, se presenta un gradiente de velocidad. Este gradiente a través del flujo produce fricción entre las sucesivas capas de fluido, lo que denominamos fricción viscosa. La viscosidad se manifiesta entonces, no únicamente cuando un fluido interacciona con un cuerpo sólido, sino también cuando una capa de fluido se desplaza con relación a otra, es decir, se manifiesta igualmente en el bulto del fluido aunque con menor intensidad. Fluidos como la miel o los aceites se caracterizan por una alta viscosidad mientras que en fluidos como el agua y el aire, el valor de la viscosidad es mucho más pequeño. Como veremos, la viscosidad juega un papel muy importante en el transporte de la cantidad de movimiento en un fluido.

Los fluidos, en mayor o menor medida, son capaces de conducir calor cuando están sujetos a diferencias de temperatura. Esta propiedad se caracteriza a través de la conductividad térmica. Mientras que el aire seco es un mal conductor del calor, y por ende caracterizado por una conductividad térmica baja, los metales líquidos como el mercurio o el galio son excelentes conductores de calor. Además de conducir el calor, algunos fluidos como los metales líquidos y los electrolitos, son capaces de conducir también la corriente eléctrica. Esta propiedad se cuantifica a través de otro coeficiente conocido como la conductividad eléctrica. La viscosidad, la conductividad térmica y la conductividad eléctrica se conocen como coeficientes de transporte puesto que determinan en gran medida los procesos de transporte de cantidad de movimiento, calor y corriente eléctrica, respectivamente. Los coeficientes de transporte son característicos de cada fluido y comúnmente se determinan a través del experiemento.

Tensión superficial

Otra propiedad importante de los fluidos es la tensión superficial que se manifiesta cuando existen dos fluidos inmiscibles en contacto, como ocurre por ejemplo en la interfaz entre agua y aire. En tal caso, la interfaz se comporta como si estuviera en tensión, creando una tendencia a la contracción de la superficie del líquido que le permite resistir una fuerza externa, lo que implica que el líquido presenta una resistencia incrementar su superficie. La causa de la tensión superficial se encuentra en que las fuerzas que se ejercen sobre las moléculas que están en el interior del líquido son diferentes a las que se ejercen sobre aquellas que están en la superficie. Mientras que en el interior cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido. Este desequilibrio entre la superficie y el interior del líquido se manifiesta como una tensión en dicha superficie. La fuerza de tensión suele ser muy débil pero es lo suficientemente grande para oponerse a la gravedad en objetos pequeños. Esta es la razón por la que algunos insectos pueden caminar sobre el agua.