Viscosidad: Fórmula, medida y ecuación

¿Qué es la viscosidad?

La viscosidad es una propiedad que mide la resistencia de un fluido a fluir cuantificando la magnitud de su fricción interna. ¿Qué es la viscosidad en sentido físico? Esta propiedad suele estar relacionada con el espesor de un fluido; los fluidos que parecen más «espesos» poseen una alta tendencia a resistir el movimiento, esto se debe a que sus moléculas poseen altas fuerzas intermoleculares, estas fuerzas le dan al fluido su consistencia espesa y hacen que resista el flujo.

La definición estándar de viscosidad es la resistencia de un fluido a fluir y a deformarse a través de la tensión de corte. La unidad estándar del SI de viscosidad es Newton-segundo por metro cuadrado ( {eq}N s/m^2 {/eq} ), que generalmente se abrevia a Pa-segundo ( Pa s ), esto se debe a que 1 Pa es igual a 1 {eq}N/m^2 {/eq}. Cabe señalar que existen dos tipos diferentes de viscosidades, cada una con su propia unidad única, pero eso se discutirá más adelante.

Se muestran dos frascos idénticos, uno lleno de miel y el otro de agua. Se gira el frasco de agua hasta quedar abierto, el agua fluye del recipiente rápidamente sin mostrar mucha resistencia y el frasco se vacía en cuestión de milisegundos. El frasco de miel se gira hasta quedar abierto en el mismo grado y ángulo que el frasco de agua. El lento fluir de la miel haría pensar que responde con retraso a la llamada de la gravedad, pero no es así. La miel se caracteriza por su consistencia espesa, que es resultado directo de sus fuerzas intermoleculares muy fuertes. Estas fuerzas intermoleculares dan lugar a altas fricciones internas dentro de las capas del fluido (miel), lo que hace que el fluido resista el movimiento del flujo.

Como la miel muestra una resistencia significativa al flujo, se la puede clasificar como un fluido con una alta viscosidad. El agua, por otro lado, mostró poca o ninguna resistencia al flujo, y eso se debe a que sus fuerzas intermoleculares son muy débiles, lo que en consecuencia hizo que la resistencia de sus capas al movimiento fuera infinitesimal. El agua se puede caracterizar por su fluidez, que es el recíproco de la viscosidad. En otras palabras, es lo opuesto a la viscosidad. La fluidez describe la facilidad de movimiento de un fluido; fluidos como el agua y la acetona poseen una fluidez muy alta.

La tabla debería ayudar a diferenciar entre viscosidad y fluidez.

Tipos de viscosidad

Existen dos tipos principales de viscosidad: la viscosidad dinámica (absoluta), que se expresa mediante {eq}N s/m^2 {/eq} o Pa s, y la viscosidad cinemática, que se expresa mediante {eq}m^2/s {/eq} o St (Stocks). La diferencia fundamental entre estas dos propiedades es que la viscosidad dinámica es, como se explicó anteriormente, la resistencia interna del fluido a fluir, mientras que la viscosidad cinemática es igual a la viscosidad dinámica del fluido dividida por su densidad. Para aclarar, la viscosidad dinámica mide la fuerza necesaria para que un fluido fluya, mientras que la viscosidad cinemática brinda información sobre la velocidad a la que fluye el fluido cuando se le aplica una cierta cantidad de fuerza. Dado que la viscosidad cinemática es la relación entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido, se puede razonar que tanto la viscosidad dinámica como la cinemática son proporcionales entre sí. La viscosidad dinámica depende de la composición del fluido, la temperatura y la presión (para los gases, los líquidos son incompresibles). La viscosidad cinemática depende de la viscosidad dinámica y de la densidad del fluido. Otra diferencia fundamental entre estas dos viscosidades es el tipo de fuerza que se aplica al fluido; en el caso de la viscosidad cinemática, el fluido estudiado está sometido a la fuerza gravitacional, mientras que en el caso de la viscosidad dinámica, el fluido está sometido a una fuerza externa (esfuerzo cortante).

Fluidos Newtonianos y No Newtonianos

Los fluidos se pueden clasificar como newtonianos o no newtonianos. Los fluidos newtonianos siguen la ley de viscosidad de Newton, que establece que el gradiente de velocidad de un fluido que fluye es linealmente proporcional a la tensión de corte. En otras palabras, a una temperatura fija, la viscosidad de cualquier fluido dado es constante y no depende de la tensión de corte del fluido. Ejemplos de tales fluidos son el agua, el alcohol, la mayoría de los disolventes orgánicos y la gasolina. La tensión de corte es la fuerza de corte dividida por el área de la sección transversal sobre la que actúa la fuerza. La fuerza de corte es paralela a la superficie de la sección transversal. La viscosidad de un fluido, o más bien, la fricción entre las partículas del fluido, es el parámetro responsable de la tensión de corte. Cuando un fluido estacionario se somete a una tensión de corte, ya no permanece estancado, porque los fluidos, en general, no pueden resistir la tensión de corte en la misma magnitud que los sólidos.

La viscosidad se describe mejor como una variable en fluidos no newtonianos, lo que implica que la consistencia del fluido podría cambiar dependiendo de la tensión aplicada. En tales fluidos, la viscosidad depende de la velocidad de corte, que es un término que se utiliza para describir la velocidad a la que las capas de fluido se mueven unas contra otras. La tabla resume las cuatro categorías principales de fluidos no newtonianos, y la imagen muestra el comportamiento de cada tipo de fluido en respuesta a la tensión de corte.

El viscosímetro está diseñado para medir la viscosidad de la mayoría de los fluidos newtonianos, mientras que el reómetro está diseñado para fluidos no newtonianos.

La fórmula del coeficiente de viscosidad

La ecuación de viscosidad se puede derivar simplemente revisando la definición de viscosidad. La fórmula general de viscosidad dicta que viscosidad = esfuerzo cortante/velocidad de corte (gradiente de velocidad). El coeficiente de viscosidad se puede derivar de la siguiente manera:

{eq}\eta =(F*d)/(A*v) {/eq}

Dónde:

• {eq}\eta {/eq} es el coeficiente de viscosidad, medido en {eq}N s/m^2 {/eq}

• F es la fuerza tangencial, medida en N
• v es la velocidad del fluido, medida en m/s
• d es la distancia entre dos capas del fluido, medida en m
• A es el área de la sección transversal donde se aplica la fuerza, medida en {eq}m^2 {/eq}

Efecto de la temperatura sobre la viscosidad

El efecto de la temperatura sobre la viscosidad depende del tipo de fluido. Para explicarlo mejor, el término fluido se utiliza para referirse a sustancias que tienen la capacidad de fluir, estrictamente hablando. Es un término amplio que se utiliza tanto para referirse a gases como a líquidos. El efecto de la temperatura sobre la viscosidad de un líquido difiere del de un gas. A medida que aumenta la temperatura de un líquido, su viscosidad disminuye rápidamente, y eso se debe a que el calor suministrado estimula la energía de las partículas del líquido, lo que a su vez disminuye las fuerzas de cohesión entre las partículas del líquido. En consecuencia, el movimiento de las partículas del líquido se vuelve más fácil y más móvil.

En cambio, el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de los gases es el opuesto: un aumento de la temperatura de un gas siempre va acompañado de un aumento de su viscosidad. Esto se debe a que las partículas de gas reciben un exceso de energía que estimula la frecuencia de sus colisiones, lo que hace que el flujo de los gases sea «dificultoso».

Para resumir:

• El coeficiente de viscosidad de los líquidos es inversamente proporcional a la temperatura.
• El coeficiente de viscosidad de los gases es directamente proporcional a la temperatura (es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura)

Resumen de la lección

La viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido a fluir; su unidad en el SI es {eq}N s/m^2 {/eq} o {eq}Pa s {/eq}. La viscosidad es el recíproco de la fluidez, que es un término utilizado para describir la facilidad de flujo de un fluido. Los fluidos altamente viscosos, como la miel, a menudo se caracterizan por su consistencia espesa y su tendencia a resistir el movimiento del flujo. La fórmula de la viscosidad es:

{eq}\eta =(F*d)/(A*v) {/eq}

Existen dos tipos de viscosidades, que son:

• Viscosidades dinámicas, que miden la fuerza necesaria para que un fluido fluya.
• Viscosidades cinemáticas, que son las relaciones entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido (medida en {eq}m^2/s {/eq} o St (Stocks))

Los viscosímetros son instrumentos que miden la viscosidad de un fluido. Se utilizan para fluidos newtonianos, como el agua. La viscosidad de dichos fluidos es constante e independiente de la tensión de corte aplicada. Los reómetros son dispositivos sofisticados que se utilizan para medir la viscosidad de fluidos no newtonianos, que son fluidos con viscosidades variables que cambian en respuesta a la fuerza aplicada. Existen cuatro tipos de fluidos no newtonianos:

• Adelgazamiento por cizallamiento (pseudoplásico), p. ej., sangre
• Espesante por cizallamiento (dilatador), p. ej. oobleck
• Tixotrópico, p. ej. miel
• Reopéctico, p. ej. crema batida

El efecto de la temperatura sobre la viscosidad de los líquidos es inversamente proporcional y directamente proporcional a la viscosidad de los gases.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador