VISCOSIDAD 1. DEFINICIÓN: La viscosidad, representa la resistencia interna de un fluido al movimiento o la “fluidez”, es decir, es una característica de los fluidos en movimiento, que muestra una tendencia de oposición hacia su flujo ante la aplicación de una fuerza. Es importante resaltar que la viscosidad está presente en los fluidos que se encuentran en movimiento, no se puede ver reflejada en un fluido que se encuentre estático debido a que, si este permanece fijo, las moléculas que lo componen no tendrán la necesidad de interactuar entre sí para tratar de permanecer unidas. Mientras más grandes sean las moléculas de un fluido, mayor resistencia pondrán a su desplazamiento, por lo tanto se dice que estos fluidos son más viscosos debido a que el desplazamiento que pueden presentar sus moléculas se da de una manera más lenta (la razón es que las fuerzas intermoleculares que están presente en el fluido son más fuertes), en caso el contrario, cuando las moléculas que lo conforman son más pequeñas tendrán menor fuerza de oposición por lo que su movimiento será más rápido (presentan fuerzas intermoleculares débiles). El hecho de que un fluido sea más viscoso que otro quiere decir que tiene mayor oposición a su deformación, sin embargo con la sola acción de aplicarle energía calórica (aumento de temperatura) a un fluido, ocasiona que disminuya su viscosidad, lo que provoca este pueda moverse de una manera mucho más rápida.
2. LEY DE NEWTON PARA LA VISCOSIDAD: Para obtener una relación para la viscosidad, se considera una capa de fluido entre dos placas paralelas muy grandes (o, lo que es equivalente, dos placas paralelas sumergidas en una gran masa de fluido) separadas por una distancia.
Ahora se aplica una fuerza paralela constante “F” a la placa superior, en tanto que la placa inferior se mantiene fija. Después de los efectos transitorios iniciales, se observa que la placa superior se mueve de manera continua, bajo la influencia de esta fuerza, a una velocidad constante “V”.
El fluido, en contacto con la placa superior, se pega a la superficie de ésta y se mueve con ella a la misma velocidad, y el esfuerzo cortante actúa sobre esta capa de fluido es:
Donde:
que
“A” es el área de contacto entre la placa y el fluido.
La capa de fluido se deforma de manera continua bajo la influencia del esfuerzo cortante. El fluido en contacto con la placa inferior toma la velocidad de esa placa, la cual es cero (debido a la condición de no deslizamiento). En el flujo laminar estacionario, la velocidad del fluido entre las placas varía de manera lineal entre 0 y V, y así, el perfil de velocidad y el gradiente de velocidad son:
Donde:
“y” es la distancia vertical medida desde la placa inferior.
Durante un intervalo diferencial de tiempo “dt”, los lados de las partículas del fluido a lo largo de una recta vertical MN giran describiendo un ángulo diferencial
al mismo tiempo que la placa superior se mueve una distancia
diferencial El desplazamiento o deformación angular (o deformación por esfuerzo cortante) se puede expresar como:
Si se reordena, la razón de deformación bajo la influencia del esfuerzo cortante
queda:
De donde se llega a la conclusión de que la razón de deformación de un elemento de fluido equivale al gradiente de velocidad,
.
Además, se puede verificar de manera experimental que, para la mayoría de los fluidos, la razón de deformación (y, por lo tanto, el gradiente de velocidad) es directamente proporcional al esfuerzo cortante
:
Los fluidos para los cuales la razón de deformación es proporcional al esfuerzo cortante se llaman “Fluidos Newtonianos” en honor de sir Isaac Newton, quien lo expresó por primera vez en 1687.
La mayoría de los fluidos comunes, como el agua, el aire, la gasolina y los aceites son newtonianos. La sangre y los plásticos líquidos son ejemplos de “Fluidos No-Newtonianos”.
En el flujo tangencial unidimensional de fluidos newtonianos, el esfuerzo cortante, se puede expresar mediante la relación lineal:
Donde:
La constante de proporcionalidad
se llama coeficiente de
viscosidad o “Viscosidad Dinámica (O Absoluta)” del fluido. La fuerza cortante que actúa sobre una capa de fluido newtoniano (o, por la tercera ley de Newton, la fuerza que actúa sobre la placa) es: La fuerza cortante que actúa sobre una capa de fluido newtoniano (o, por la tercera ley de Newton, la fuerza que actúa sobre la placa) es:
Donde:
A es el área de contacto entre la placa y el fluido.
Entonces la fuerza F. requerida para mover la placa superior a una velocidad constante de V al mismo tiempo que la placa inferior permanece estacionaria, es:
En mecánica de fluidos y transferencia de calor, con frecuencia aparece la razón de la viscosidad dinámica a la densidad. Por conveniencia, a esta razón se le da el nombre de “Viscosidad Cinemática” y se expresa como:
3. VARIACIÓN DE LA VELOCIDAD CON LA TEMPERATURA La viscosidad se debe a la fuerza de fricción interna que se desarrolla entre las diferentes capas de los fluidos a medida que se obligan a moverse una con relación a las otras. En los líquidos, la viscosidad se origina por las fuerzas de cohesión entre las moléculas mientras que, en los gases por las colisiones moleculares, además de que ésta varía mucho con la temperatura. La viscosidad de los líquidos decrece con la temperatura, en tanto que la de los gases se incrementa gracias a ella