Propiedades físicas de los fluidos - ingeniería mecánica

Propiedades físicas de los fluidos

¿que es un fluido?

Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le  aplica un esfuerzo tangencial por pequeño que sea. Fluidos son líquidos y  gases. Los líquidos se diferencian de los gases por la fluidez y menor movilidad  de sus partículas y porque ocupan un volumen determinado, separándose del  aire mediante una superficie plana. En esta asignatura nos ocuparemos  únicamente del comportamiento de los líquidos, y más concretamente, del agua. 

La Hidráulica es la parte de la Mecánica que estudia el equilibrio y el movimiento de los fluidos con aplicación a los problemas de naturaleza práctica (conducciones, abastecimientos, riegos, saneamientos, etc.). 

Partiendo de la Mecánica racional, deduce, auxiliada por la experiencia,  las fórmulas que permiten resolver los problemas de índole práctica con que a diario se encuentra el técnico. Se estudian los líquidos como si fueran fluidos  perfectos (homogéneos, no viscosos e incompresibles) y se les aplican las leyes de la Mecánica, corrigiendo las fórmulas con coeficientes determinados empíricamente para que se ajusten a la realidad. Por lo tanto, la Hidráulica es  una ciencia aplicada y semiempírica.

Propiedades fundamentales de los líquidos

Los líquidos son sistemas deformables constituidos por un número  infinito de puntos materiales aislados, infinitesimales. Se trata de sistemas  continuos donde no existen “espacios vacíos” dentro de la masa. 

Desde el punto de vista de la Mecánica cabe destacar las siguientes  propiedades fundamentales de los líquidos: 

• Isotropía: Se conocen como isótropos a las sustancias cuyas  propiedades son idénticas en cualquier dirección. 
• Movilidad: Carencia de forma propia. Aptitud para adoptar cualquier  forma, la del recipiente que los contiene. 
• Viscosidad: Propiedad por la que el líquido ofrece resistencia a los  esfuerzos tangenciales que tienden a deformarlo. 
• Compresibilidad: Propiedad por la cual los líquidos disminuyen su  volumen al estar sometidos a incrementos de presión positivos. En los líquidos  esta disminución es muy pequeña, es decir, son poco compresibles.

Viscosidad

La viscosidad expresa la facilidad que tiene un fluido para fluir cuando se le aplica una fuerza externa. El coeficiente de viscosidad absoluta, o simplemente la viscosidad absoluta de un fluido, es una medida de su resistencia al deslizamiento o a sufrir deformaciones internas. La melaza es un fluido muy viscoso en comparación con el agua; a su vez, los gases son menos viscosos en comparación con el agua.

Se puede predecir la viscosidad de la mayor parte de los fluidos; en algunos la viscosidad depende del trabajo que se haya realizado sobre ellos. La tinta de imprenta, las papillas de pulpa de madera y la salsa de tomate, son ejemplos de fluidos que tienen propiedades tixotrópicas (fluidos no newtonianos que cambian su viscosidad con el tiempo)  de viscosidad.

en otras palabras los líquidos a diferencia de los sólidos tienen la capacidad de poder fluir, es decir, si se pone en movimiento a un líquido, éste al moverse trata de permanecer todo junto, y es precisamente atribuido su virtud de ser viscosos. La Viscosidad es la resistencia que tienen las moléculas que conforman un líquido para separarse unas de otras, es decir, es la oposición de un fluido a deformarse y esta oposición es debida a las fuerzas de adherencia que tienen unas moléculas de un líquido o fluido con respecto a las otras moléculas del mismo líquido.

Viscosidad absoluta o dinámica

La unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal segundo (Pa s) o también newton segundo por metro cuadrado (N s/m2), o sea kilogramo por metro segundo (kg/ms). Esta unidad se conoce también con el nombre de poiseuille (Pl) en Francia, pero debe tenerse en cuenta que no es la misma que el poise (P) descrita a continuación.

El poise es la unidad correspondiente en el sistema CGS de unidades y tiene dimensiones de dina segundo por centímetro cuadrado o de gramos por centímetro segundo. El submúltiplo centipoise (cP), 10m2 poises, es la unidad más utilizada para expresar la viscosidad dinámica y esta situación parece que va a continuar durante algún tiempo. Por esta razón, y ya que la mayor parte de los manuales y tablas siguen el mismo principio, toda la información sobre viscosidad en este texto se expresa en centipoises. La relación entre el Pascal segundo y el centipoise es:

fuente: Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías, Crane

Las dimensiones de la viscosidad absoluta son fuerza por unidad de area partido por el gradiente de velocidad.

En el sistema internacional de unidades (SI), las unidades de la viscosidad dinámica son:

fuente: Hidráulica, Ingeniería Rural

en el sistema británico las unidades de la viscosidad dinámica son:

fuente: Hidráulica, Ingeniería Rural

Una unidad muy utilizada para la viscosidad en el sistema (CGS) es el poise (P), denominado así en honor a Jean Louis Poiseuille.

El poise es igual a 1 gr./cm•seg ó 0.10 N*s/m2.

El centipoise (cP) es igual a 0.01 Poise y es frecuentemente una unidad mas cómoda. Tiene otra ventaja en cuanto que la viscosidad del agua a 68.4ºF es 1cP. Por tanto, el valor de la viscosidad en centipoise es una indicación de la viscosidad del fluido con respecto a la del agua a 68.4ºF.

Viscosidad cinemática

Es el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad. En el sistema internacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado por segundo (m2/s). La unidad CGS correspondiente es el stoke (St), con dimensiones de centímetro cuadrado por segundo y el centistoke (cSt), lOe2 stokes, que es el submúltiplo más utilizado.

fuente: Hidráulica, Ingeniería Rural

La medida de la viscosidad absoluta de los fluidos (especialmente de gases y vapores) requiere de instrumental adecuado y de una considerable habilidad experimental. Por otro lado, se puede utilizar un instrumento muy simple, como es un viscosímetro de tubo, para medir la viscosidad cinemática de los aceites y otros líquidos viscosos. Con este tipo de instrumentos se determina el tiempo que necesita un volumen pequeño de líquido para fluir por un orificio y la medida de la viscosidad cinemática se expresa en términos de segundos.

Se usan varios tipos de viscosímetros de tubo, con escalas empíricas tales como Saybolt Universal, Saybolt Furo1 (para líquidos muy viscosos).

Propiedades de la viscosidad

• La viscosidad absoluta de todos los fluidos es prácticamente independiente de la presión en el rango de valores que se encuentran en el campo de la ingeniería.
• La viscosidad cinemática de los gases varía con la presión debido los cambios de densidad.
• La viscosidad de los vapores saturados o poco recalentados es modificada apreciablemente por cambios de presión, sin embargo los datos sobre vapores son incompletos y en algunos casos contradictorios, es por esto que cuando se trata de vapores distintos al de agua se hace caso omiso del efecto de la presión a causa de la falta de información adecuada.
• En un líquido las moléculas tienen una movilidad limitada con fuerzas cohesivas grandes. Un aumento de la temperatura disminuye la cohesión entre moléculas (se apartan más) y decrece la viscosidad o “pegajosidad” del fluido.
• En un gas hay gran movilidad y muy poca cohesión, sin embargo las moléculas chocan y de aquí que se origina la viscosidad; al aumentar la temperatura la temperatura aumenta el movimiento aleatorio y por ende la viscosidad.

densidad

la densidad (p) de un material se define como su masa por unidad de volumen. La unidad de densidad en el SI es el kilogramo por metro cúbico  y se denota por  (Rho) (libras por pie cúbico). 

Otras unidades métricas que también se usan son:

fuente: Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías, Crane

si el material es homogéneo como el hielo o el hierro, su densidad es la misma en todo el material. Si la masa (m) ocupa un volumen (V), la densidad (p) es: 

en la siguiente tabla se encuentran algunas materiales con sus respectivas densidades

fuente: Hidráulica, Ingeniería Rural

A no ser que se consideren presiones muy altas, el efecto de la presión sobre la densidad de los líquidos carece de importancia en los problemas de flujo de fluidos.

Sin embargo, las densidades de los gases y vapores, varían grandemente con la presión. Para los gases perfectos, la densidad puede calcularse a partir de la fórmula:

fuente: Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías, Crane

La constante individual del  gas R es igual a la constante universal para los gases   R, = 8314 J/kg-mol*K dividida por el peso molecular M del gas,

fuente: Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías, Crane

volumen especifico

Se denomina volumen específico al volumen ocupado por la unidad de masa. Para un fluido homogéneo se define como v = V /m = 1/ρ, mientras que en el caso general de un fluido inhomogéneo tendremos que hablar de su valor en un punto,

fuente: Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías, Crane

también se usan las siguientes unidades:

fuente: Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías, Crane

El volumen específico se utiliza a menudo en los cálculos de flujo de vapor de agua.

peso especifico relativo o densidad relativa 

El peso específico (o densidad relativa) es una medida relativa de la densidad. Como la presión tiene un efecto insignificante sobre la densidad de los líquidos, la temperatura es la única variable que debe

ser tenida en cuenta al sentar las bases para el peso específico,  amenudo estas temperaturas son las mismas y se suele utilizar 60”F/60”F (15.6’C/15.6“C). Al redondear 15.0°C/15.00C.. El peso especifico relativo (p) es el peso especifico de una sustancia respecto al agua en la siguiente ecuación se aprecia mejor:

fuente: Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías, Crane

La densidad relativa es una magnitud adimensional. La densidad relativa del agua a una temperatura determinada es igual a la densidad absoluta del agua a esa misma temperatura dividida por la densidad del agua a 4 [ºC].

La densidad relativa también, como la densidad, es función de la presión y de la temperatura. Para un gas, la densidad relativa es la razón de su densidad a la del aire o la del hidrógeno.

en la siguiente tabla se muestra la densidad relativa de algunos líquidos

Tabla densidad relativa de líquidos más usuales

fuente: FLUIDOS  Ing. Viviana del Valle Nahid

Se usa un hidrómetro para medir directamente la densidad relativa de un líquido. Normalmente se utilizan dos escalas hidroméricas, a saber:

• La escala API que se utiliza para productos de petróleo. 
• Las escalas Baumé, que a su vez usan 2 tipos: uno para líquidos más densos que el agua y otro para líquidos más ligeros que el agua.

Las relaciones entre estas escalas hidrométricas y el peso específico son:

• petroleo: 
  

fuente: Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías, Crane

• para líquidos mas ligeros que el agua:
  
  

fuente: Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías, Crane

• para líquidos mas pesados del agua: 

fuente: Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías, Crane

La densidad relativa de los gases se define como la relación entre su peso molecular y el del aire, o como la relación entre la constante individual del aire y la del gas.

fuente: Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías, Crane

peso especifico

El peso específico es la razón del peso al volumen de un fluido y representa la fuerza de atracción ejercida por la gravedad sobre la unidad de volumen del fluido. Depende, al igual que la densidad, de la p y la tº, sobre todo en los gases.

Presión: atmosférica, relativa y absoluta

• presión

la presión es una fuerza nominal ejercida sobre un cuerpo por unidad de superficie. Se mide en pascales (SI) siendo 1Pa=1N/m^2

• la presión atmosférica

se define como el peso de la columna de aire, de base unidad, que gravita sobre dicho punto. Se mide con el barómetro, por lo que la presión atmosférica también se define como presión barométrica 

Esta ecuación, fundamental en Hidráulica, representa la presión ejercida por una columna de líquido de altura h, peso específico  y base unidad. 

Permite medir la presión mediante la altura de presión, que correspondería a la  altura de una columna de agua que da lugar a una presión equivalente a la que  soporta un punto determinado.

Evidentemente, una misma presión P estará representada por distintas alturas según el líquido considerado, tanto mayores cuanto menor sea y. 

El valor de la presión atmosférica en condiciones normales y a nivel del  mar es el equivalente a una columna de mercurio de 760 mm, y se denomina  atmósfera física. 

• La presión relativa 

es la presión que existe sobre la presión atmosférica  normal, es decir, tomando como origen de presiones la presión barométrica. Se  mide con el manómetro, por lo que la presión relativa también se conoce como  presión manométrica. 

• La presión absoluta  

 que existe en un punto es la suma de las dos  anteriores, es decir, es el valor de presión medido sobre el vacío o cero  absoluto: 

Presión absoluta = Presión barométrica + Presión manométrica 

En ingeniería hidráulica se acostumbra a trabajar con presiones relativas  o manométricas, a medir la presión en metros de columna de agua (m.c.a.) y a aplicar las equivalencias con la atmósfera técnica o métrica, ya que la  atmósfera física proporciona valores no muy cómodos de manejar. 

1 atm física ≈ 1.033 kg/cm 2 = 1.013 bar = 1.013 ⋅ 10 5 Pa = 10.33 m.c.a. = 760 mm Hg 

1 atm técnica ≈ 1 kg/cm 2 = 1 bar = 98100 Pa = 10 m.c.a. = 100000 kg/m^2

Mientras que en el caso de los sólidos en reposo, las fuerzas sobre una superficie pueden tener cualquier dirección, en el caso de los fluidos en reposo la fuerza ejercida sobre una superficie debe ser siempre perpendicular a la superficie, ya que si hubiera una componente tangencial, el fluido fluirá. En el caso de un fluido en movimiento, si este no es viscoso tampoco aparecen componentes tangenciales de la fuerza, pero si se trata de un fluido viscoso si que aparecen fuerzas tangenciales de razonamiento.

en la siguiente figura se observa como la presión actúa sobre un volumen pequeño de fluido de modo uniforme y en todas direcciones.

figura 1, fuente mecanica de fluidos de Robert Mott

La presión actúa de modo uniforme en todas las direcciones de un volumen pequeño de fluido. En un fluido confinado por fronteras sólidas, la presión actúa de manera perpendicular a la pared.

En las figuras 1 y 2 ilustramos estos principios, los cuales suelen recibir el nombre de leyes de Pascal.

Si se conoce la cantidad de fuerza que se ejerce sobre un área dada, es posible calcular la magnitud de la presión en un fluido, por medio de la  segunda ley de Pascal.

figura 2, fuente mecánica de fluidos de Robert Mott

compresibilidad de un liquido 

La compresibilidad es la propiedad de un fluido de cambiar su volumen por efecto de la presión. Aunque no hay en realidad fluidos rigurosamente incompresibles, se consideran como tales, aquellos cuya variación de su densidad con la presión es de poca entidad. Tal es el caso común de los líquidos y aún el de los gases, si las variaciones de presión son muy pequeñas en comparación con la presión absoluta.

El agua se tiene por lo general por un fluido incompresible, a pesar de que su elasticidad se pone en evidencia por el hecho de que el sonido se propaga a su través. En los problemas en que interviene el efecto de golpe de ariete es necesario tomar en cuenta la compresibilidad del agua.

Por otro lado, el flujo de aire en un sistema de ventilación es un caso en que el aire puede ser considerado como incompresible, dado que la variación de presión es tan pequeña que el cambio de densidad carece de significación. En cambio en un gas o vapor que fluye a alta velocidad a lo largo de una cañería, la caída de presión puede ser tan grande que no es posible desdeñar la variación de densidad.

En el caso de una aeronave que avanza a menos de 400 [Km/h], el aire que la rodea puede considerarse de densidad constante, pero cuando un proyectil se desplaza a la velocidad del sonido, la que es del orden, en el aire, de 1.200 [Km/h], la presión del aire adyacente al proyectil resulta sustancialmente diferente de la del aire alejado y el aire debe ser considerado, en este caso, como un fluido compresible.

Consideramos un tubo cilíndrico lleno de líquido a una presión "p", en  reposo, y lo comprimimos apretando un émbolo colocado en su extremo, como  representa la figura. 

La disminución de volumen respecto a la variación de presión aplicada será: 

Siendo K el coeficiente volumétrico de elasticidad.  El módulo volumétrico de compresibilidad de un líquido (c) se define  como la inversa del coeficiente volumétrico de elasticidad.  Siendo K el coeficiente volumétrico de elasticidad. El módulo volumétrico de compresibilidad de un líquido (c) se define como la inversa del coeficiente volumétrico de elasticidad. 

El término módulo volumétrico por lo general no se aplica a los gases, y deben aplicarse los principios de la termodinámica para determinar el cambio de volumen que sufre un gas cuando se cambia la presión.

 fuente: mecánica de fluidos de Robert Mott

Como ya se dijo, los líquidos son muy poco compresibles, lo que indica que se requeriría un cambio muy grande en la presión, para producir un cambio pequeño en el volumen. Así. las magnitudes de E para los líquidos, que aparecen en la tabla son muy grandes . esto significa que ocurren variaciones pequeñas de volumen o de densidad inclusive para variaciones grandes de presión, y salvo en aquellos fenómenos en que se producen incrementos violentos de presión y temperatura (golpe de ariete, flujos a gran velocidad, flujos con transferencia de calor), en los restantes casos no son de importancia, por estas razones se considera que los líquidos son incompresibles para resolver ejercicios,a menos que se indique lo contrario.

El modulo volumétrico del agua varia principalmente con la temperatura como se muestra en la figura 3 donde el valor de las condiciones estándar es 2.09 *10^8 kg/m^2, es decir aproximadamente 100 veces mas compresible que el acero; en cambio para el aire el valor estándar resulta de 0,000105*10^8 kg/m^2, esto es  20.000 veces aproximadamente mas compresible que el agua; sin embargo, la variación depende de la naturaleza del proceso termodinámico que se efectúa.

fuente Hidráulica general Sotelo Avila

tensión superficial

La tensión superficial de un líquido se define como el trabajo que hay  que aplicar para aumentar en una unidad su superficie libre. Se debe a las  fuerzas de atracción que se ejercen entre las moléculas de la superficie libre de  un líquido, que son debidas a la cohesión entre sus moléculas y a la adhesión entre las moléculas del líquido y las paredes del recipiente. 

La tensión superficial actúa como una película en la interfaz entre la superficie del agua líquida y el aire sobre ella. Las moléculas de agua por debajo de la superficie se ven atraídas una por la otra y por aquellas que están en la superficie. En forma cuantitativa, la tensión superficial se mide como el trabajo por unidad de área que se requiere para llevar las moléculas de la parte inferior hacia la superficie del líquido. Las unidades resultantes son la fuerza por unidad de longitud, como N/m. 

La tensión superficial también es la causa de que las gotas de agua adopten una forma casi esférica. Además, la capilaridad depende de la tensión superficial. La superficie de un líquido en un tubo de diámetro pequeño tomará una forma curvada que depende de la tensión superficial del líquido. El mercurio adoptará una forma virtualmente de bulbo extendido. Sin embargo, la superficie del agua presentará una cavidad en forma de depresión con el líquido que pareciera ascender un poco por las paredes del tubo. La adherencia del líquido a las paredes del tubo contribuye a dicho comportamiento.

El movimiento de líquidos dentro de espacios pequeños depende de esta acción de capilaridad. Es frecuente describir el ascenso de un fluido desde una superficie líquida hacia un material tejido con el término percolación. El movimiento de líquidos dentro de los sucios también se ve afectado por la tensión superficial y la acción correspondiente de la capilaridad.

Los casos que se pueden presentar en función del balance entre las  fuerzas de cohesión y adhesión son los siguientes: 

1) Cohesión > Adhesión con el aire: El líquido libre adquiere una forma  determinada sin necesidad de recipiente. Es el caso de las gotas de agua, que  son esféricas, y es válido para volúmenes pequeños. 

2) Adhesión > Cohesión: Se forma un menisco cóncavo al elevarse el líquido en contacto con el contorno sólido. Se dice que el líquido moja el  recipiente, y es el caso del agua en un tubo de vidrio. 

3) Adhesión < Cohesión: Se forma un menisco descendente, dando a la  superficie del líquido aspecto convexo. En este caso se dice que el líquido no  moja el recipiente, como sucede, por ejemplo, entre el mercurio y el vidrio.

En Hidráulica la tensión superficial no se tiene en cuenta por su poca  importancia frente a las cargas hidrodinámicas, que son mucho mayores. Además, este fenómeno solo tiene importancia en conductos de pequeño  diámetro (capilares), inusuales en la mayoría de las aplicaciones hidráulicas.

La tabla presenta la tensión superficial del agua a presión atmosférica y a varias temperaturas. Las unidades del SI que se usan en ella son mN/m. donde 1000 mN =1.0 N. De manera similar, las unidades tradicionales de Estados Unidos son mlb/pie. donde 1000 mlh = 1.0 Ib fuer/a. La tabla 1.6 proporciona valores para varios líquidos comunes a presión atmosférica y temperaturas seleccionadas.

fuente: mecánica de fluidos de Robert Mott

fuente: mecánica de fluidos de Robert Mott

Uno de los procedimientos para la medición de la tensión superficial es el Método de la Placa: se utiliza una placa de geometría rectangular perfectamente conocida suspendida verticalmente a una balanza de precisión siguiente figura. El lado inferior de la placa se pone en contacto (horizontalmente) con la superficie del líquido para que se moje (2). Luego se ejerce una fuerza vertical sobre la placa para levantarla. La placa se levanta poco a poco, y de cada lado se forma una interfase curva (3); se levanta la placa hasta que se produzca el arranque (4)

Método de la placa para la determinación de la tensión superficial

En la posición justo antes del arranque (Fig. 5 caso 3) se puede calcular el equilibrio de fuerzas entre las fuerzas de tensión actuando a ambos lados de la placa (por eso el factor 2 en la ecuación 12) y la fuerza de levantamiento F.

Balance de fuerzas en la placa

Usualmente la placa es de platino levemente rugoso, de tal forma que el ángulo de contacto sea lo más pequeño posible y se pueda suponer igual a cero. La placa mide típicamente 29,9 mm de largo (L) y 0,1 mm de espesor (e), en cuyo caso el perímetro completo es de 60 mm.

En el momento del arranque, ninguna parte del volumen de la placa está dentro del líquido y por tanto no se necesita realizar corrección alguna por empuje de Arquímedes.

volumen especifico 

Es la inversa del peso específico y representa el volumen ocupado por el fluido de peso unidad:

Dilatación térmica

Cuando la temperatura de un cristal varia, se produce un cambio en sus dimensiones (dilata o contrae), y a menudo deforma, que se conoce como dilatación térmica. Cuando se recupera la temperatura inicial, se recuperan las dimensiones y la forma, y por tanto, el fenómeno es reversible.

Un incremento de temperatura implica, normalmente, un aumento de las distancias interatómicas (y por tanto, una dilatación) debido al incremento de la vibración térmica de cada un de los átomos. Si imaginamos un sistema sencillo formado por dos átomos enlazados, a 0ºK el sistema es estático, no hay vibración térmica y los centros de los átomos se encuentran a una distancia determinada d0 . 

Como la forma de un fluido no está definida, solamente tiene sentido hablar del cambio del volumen con la temperatura. La respuesta de los gases a los cambios de temperatura o de presión es muy notable, en tanto que el cambio en el volumen de un líquido, para cambios en la temperatura o la presión, es muy pequeño. β representa el coeficiente de dilatación volumétrica de un líquido,

Los líquidos se caracterizan por dilatarse al aumentar la temperatura, siendo su dilatación volumétrica unas diez veces mayor que la de los sólidos.

Sin embargo, el líquido más común, el agua, no se comporta como los otros líquidos. En la figura F, se muestra la curva de dilatación del agua. Se puede notar que, entre 0 y 4ºC el agua líquida se contrae al ser calentada, y se dilata por encima de los 4ºC, aunque no linealmente. Sin embargo, si la temperatura decrece de 4 a 0ºC, el agua se dilata en lugar de contraerse. Dicha dilatación al decrecer la temperatura no se observa en ningún otro líquido común; se ha observado en ciertas sustancias del tipo de la goma y en ciertos sólidos cristalinos en intervalos de temperatura muy limitados, un fenómeno similar. La densidad del agua tiene un máximo a 4ºC, donde su valor* es de 1 000 kg/m3. A cualquier otra temperatura su densidad es menor. Este comportamiento del agua es la razón por la que en los lagos se congela primero la superficie, y es en definitiva lo que hace posible la vida subacuática.

Esta propiedad es importante en la ingeniería, recordemos que los dos fluidos más importantes para un ingeniero son el agua y el aire, el primero prácticamente incompresible y el segundo sensiblemente compresible.

Como el líquido carece de forma propia, solo puede tener sentido hablar de dilatación cúbica, pues sus dimensiones dependen del recipiente que lo contiene, observándose un ascenso del nivel del fluido debido a que en general, los líquidos se dilatan más que los sólidas y en particular, que el vidrio.

vaporización

Todos los líquidos tienden a evaporarse o vaporizarse, lo que hacen proyectando moléculas al espacio que está por arriba de su superficie libre. Si se trata de un espacio cerrado, la presión parcial ejercida por las moléculas va aumentando hasta que se llega a la condición en que el número por segundo de moléculas que vuelven al líquido es igual al de las que salen por vaporización. La presión del vapor en esta condición de equilibrio se llama presión de saturación.

La actividad molecular aumenta con la temperatura, por lo que la presión de saturación, aumenta también con la temperatura. A una temperatura dada, la presión sobre la superficie líquida puede ser mayor que la de saturación, pero una disminución de la presión, por debajo del valor de la presión de saturación del líquido, por escasa que sea la diferencia, induce una evaporación rápida conocida como ebullición.

En la Tabla se encuentran los valores de la presión de saturación de líquidos.

La tabla demuestra la conveniencia del uso del mercurio en el barómetro, donde debería existir un vacío perfecto en la parte superior de la columna. También demuestra que en el caso de la gasolina hay que mantener una presión mucho mayor que en el caso del agua para evitar que se evapore o hierva. Por lo tanto no es posible elevar gasolina por succión a alturas de aspiración tan grandes como en el caso del agua.

capilaridad 

Cuando un líquido entra en contacto con una superficie, aparecen fuerzas de atracción entre las moléculas de la superficie y del líquido, esta fuerza de adhesión es la que da origen a la capilaridad. Si el efecto de la atracción de la superficie al líquido es mayor que la fuerza de atracción entre las moléculas del líquido, este asciende por la superficie de contacto. Cuando esto sucede con las paredes interiores de un tubo de diámetro pequeño o capilar, el líquido puede llegar a subir varios centímetros. Decimos en este caso que el liquido (por ejemplo agua) moja la superficie. En el caso del mercurio y el vidrio, la tensión superficial le gana a la adhesión. El mercurio no moja la superficie del vidrio y es claramente empujado hacia abajo por las paredes de un capilar de vidrio.

La capilaridad, como la tensión superficial, es consecuencia a la vez, de la cohesión y de la adhesión. Cuando la primera tiene menor efecto que la segunda, el líquido moja las superficies sólidas con las que está en contacto y se eleva en el punto de contacto, si predomina la cohesión, la superficie líquida desciende en el punto de contacto. Por ejemplo, la capilaridad hace que el agua se eleve en un tubo de vidrio, mientras que el mercurio desciende por debajo del nivel verdadero.

Imagínate un tubo de vidrio muy fino, el cual lo sumergimos parcialmente en un fluido. Si observamos atentamente el comportamiento del líquido junto a las paredes del tubo podemos observar uno de estos dos fenómenos:

Si observamos el fenómeno “A”, decimos que el líquido “moja” el vidrio. Esto ocurre cuando, por ejemplo, tenemos agua en un recipiente y le introducimos un tubo delgado. Vemos cómo el agua penetra en el interior del tubo y alcanza una altura superior al nivel que tiene el agua en el recipiente. Es como si las partículas de agua “treparan” por las paredes del tubo, “mojándolas”.

Si observamos el fenómeno “B”, decimos que el líquido “no moja” el vidrio. Supongamos que tenemos mercurio en un recipiente y le introducimos un tubo muy fino. El mercurio penetra en el tubo pero su superficie libre no alcanza el nivel del líquido dentro del recipiente. Es como si al mercurio “le costara trepar” por las paredes del tubo.

Estos dos fenómenos dependen de las magnitudes relativas de las fuerzas de cohesión entre las partículas del fluido y las fuerzas de adhesión de las partículas del fluido a las paredes del recipiente. En “A” las fuerzas de adhesión son mayores que las de cohesión y en “B” las fuerzas de cohesión son mayores que las de adhesión.

La capilaridad es muy importante cuando se usan tubos cuyo diámetro es inferior a 10 mm. Para poder cuantificar la capilaridad se mide la diferencia de altura h entre la superficie libre del líquido en el recipiente y el nivel alcanzado por el líquido dentro del tubo. Pero… ¿a qué se debe esta diferencia de alturas? pues a un balance entre la fuerza debida a la tensión superficial y el peso de la columna de fluido dentro del tubo:

La componente vertical de la fuerza debida a la tensión superficial T es:

La altura típica que alcanza la elevación capilar para diferentes suelos es: arena gruesa 2 a 5 cm, arena 12 a 35 cm, arena fina 35 a 70 cm, limo 70 a 150 cm, arcilla 200 a 400 cm y más. Gracias al fenómeno de la Tensión superficial y Capilaridad, existe un incremento de agua a la capa activa del suelo.