2. Propiedades de los fluidos

Los fluidos se comportan de manera muy diferente de

los slidos.

Los fluidos incluyen a los lquidos y gases.

Muchos procesos de manufactura se ejecutan en

materiales que han pasado del estado slido al lquido

a travs de calentamiento. Los metales son lquidos en

el estado de fusin; el vidrio se forma en un estado

caliente y muy fluido; y a los polmeros casi siempre se

les moldea como fluidos espesos. Ingeniera en Diseo Industrial Procesos Industriales de Metales y Materiales de alta Tecnologa

Viscocidad

Aunque el flujo es una caracterstica que define a los

fluidos, la tendencia a fluir vara de uno a otro.

La viscosidad es la propiedad que determina que un

fluido fluya.

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A grandes rasgos, la viscosidad se define como la

resistencia al flujo que es caracterstica de un fluido. Es

una medida de la friccin interna que aparece cuando

ay presentes gradientes de velocidad en el fluido, entre

ms viscoso es el fluido, mayor es la friccin interna y

mayor la resistencia al flujo.

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A grandes rasgos, la viscosidad se define como la

resistencia al flujo que es caracterstica de un fluido. Es

una medida de la friccin interna que aparece cuando

ay presentes gradientes de velocidad en el fluido, entre

ms viscoso es el fluido, mayor es la friccin interna y

mayor la resistencia al flujo.

El inverso de la viscosidad es la fluidez, es decir, la

facilidad con que el fluido fluye.

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Fluidos de baja viscosidad Fluidos de alta viscosidad

Con ms precisin, la viscosidad se define respecto de un arreglo como el

que se ilustra en la figura, en el que dos placas paralelas estn separados por

una distancia . Una de ellas es estacionaria, mientras que la otra se mueve a velocidad , y el espacio entre ellas est ocupado por un fluido.

Al orientar estos parmetros en relacin con un sistema de ejes

coordenados, est en la direccin del eje y en direccin del eje x. Al movimiento de la placa superior se opone la fuerza F que resulta de la

accin de viscosidad cortante del fluido. Esta fuerza se reduce a un esfuerzo

cortante si se divide F entre la superficie de la placa, A:

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=

donde = esfuerzo cortante, Pa (psi). Este esfuerzo cortante se relaciona con la tasa de cortante ( ), que se define como el cambio de la velocidad respecto de . Es decir,

=

La viscosidad cortante es la propiedad del fluido que define la relacin entre

/ y /; es decir,

=

O

=

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Donde = una constante de proporcionalidad llamada coeficiente de viscosidad [Pa-s].

El coeficiente de viscosidad puede expresarse como sigue:

=

As, la viscosidad de un fluido se define como la razn del esfuerzo cortante a

la tasa del cortante durante el flujo, donde el esfuerzo cortante es la fuerza

por friccin que el fluido ejerce por unidad de rea, y la tasa del cortante es

el gradiente de velocidad perpendicular a la direccin de flujo. Newton fue

quien enunci primero las caractersticas de viscosidad de los fluidos

definidas por la ecuacin anterior. l observ que la viscosidad era una

propiedad constante de un fluido dado, y un fluido de ese tipo se denomina

fluido newtoniano.

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Donde = una constante de proporcionalidad llamada coeficiente de viscosidad.

As, la viscosidad de un fluido se define como la razn del esfuerzo cortante a

la tasa del cortante durante el flujo, donde el esfuerzo cortante es la fuerza

por friccin que el fluido ejerce por unidad de rea, y la tasa del cortante es

el gradiente de velocidad perpendicular a la direccin de flujo. Newton fue

quien enunci primero las caractersticas de viscosidad de los fluidos

definidas por la ecuacin anterior. l observ que la viscosidad era una

propiedad constante de un fluido dado, y un fluido de ese tipo se denomina

fluido newtoniano.

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Las unidades del coeficiente de viscosidad requieren explicacin. En el

Sistema Internacional de Unidades (SI), debido a que el esfuerzo cortante se

expresa en N/m2 o Pascales, y la tasa del cortante en 1/s, sigue que tiene unidades de N-s/m2 o Pascal-segundo, que se abrevia Pas. En el sistema de

unidades tradicional de Estados Unidos, las unidades correspondientes son

lb/in2 y 1/s, de modo que las unidades del coeficiente de viscosidad estn

en lb-s/in2. Otra unidad que a veces se emplea para la viscosidad es el poise,

que es dina-s/cm2 (10 poises = 1 Pas y 6 895 Pas = 1 lb-s/in2). En la tabla se

dan algunos valores comunes del coeficiente de viscosidad para distintos

fluidos

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Fluidos Newtonianos

En el caso en que la relacin entre el esfuerzo cortante y la rapidez de

deformacin es lineal (tasa de cortante), se dice que el fluido es newtoniano,

en cualquier otro caso se dice que el fluido es no newtoniano. A la relacin

matemtica que existe entre el esfuerzo de corte y la rapidez de deformacin

se le denomina ecuacin constitutiva. Por lo tanto, la ecuacin constitutiva

para el fluido newtoniano est expresada por

=

cuando se habla de la viscosidad se est haciendo referencia a un fluido newtoniano.

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Fluidos no Newtonianos

Para fluidos no newtonianos la ecuacin constitutiva que los describe es el

modelo de ley de potencia, expresado por la siguiente ecuacin:

= k (Modelos de Ostwald de Waele o Ley de la Potencia)

Donde k y n son parmetros empiricos. El comportamiento en flujo de

fluidos como las soluciones polimricas, algunas pinturas, suspensiones y

polmeros fundidos puede ser representado por este modelo, por ello es

muy til en la industria ya que se emplea para modificar las variables de

procesamiento.

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Debido a que determina precisamente el modo en que se desarrolla el flujo, si < 1 el fluido se denomina pseudoplstico, estos fluidos fluyen ms fcilmente aumentando la velocidad de deformacin.

Por el contrario, cuando > 1 la resistencia a fluir aumenta con un aumento de la velocidad de corte, y el fluido se denomina dilatante.

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La mayora de los fluidos no newtonianos son pseudoplsticos: alimentos

(jugos y pur de frutas, salsas), polmeros fundidos (poliestireno, acrilonitrilo,

polipropileno, etc.), cosmticos, ltex, tinta de imprenta.

Los fluidos dilatantes son ms raros, entre otros el cemento y las

suspensiones concentradas (ej: almidn de maz) siguen este

comportamiento.

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Al sustituir el modelo de ley de potencia en la definicin de viscosidad, se

obtiene que sta depende explcitamente de la rapidez de deformacin de

la manera siguiente,

= 1

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Fluidos Newtonianos:

Agua

Fluidos no Newtonianos:

Pegamento, miel, geles, sangre, etc

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