martes, 18 de abril de 2017

PROPIEDADES DEL ESTADO LÍQUIDO


ESTADO LÍQUIDO

1. Generalidades

El líquido es uno de los tres estados de agregación de la materia y se caracteriza por ser un fluido cuyo volumen es constante en condiciones de presión y temperatura constantes. Su forma es esférica, sin embargo, debido a la atracción de la gravedad su forma es la del recipiente que lo contiene y ejerce la misma presión hacia todos los lados.
Los líquidos pueden cambiar de estado, ya sea al estado gaseoso o al estado sólido, aumentando ó disminuyendo la temperatura hasta sus puntos críticos.
En los líquidos las fuerzas de cohesión intermolecular se encuentran en equilibrio con las fuerzas de repulsión intermolecular, donde sus moléculas se encuentran desordenadas, manteniendo una vibración constante y deslizándose unas sobre las otras, pero sin separarse.
                       

2. Densidad δ

La densidad absoluta ó simplemente densidad de una sustancia, se simboliza con una letra griega (δ) y es una magnitud intensiva que se refiere a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen. También se dice que es la relación entre la masa y el volumen de una misma sustancia. Por ejemplo, si se dice que la densidad del agua es 1g/cc, significa que un gramo de agua ocupa un centímetro cúbico ó un mililitro de volumen.
                                                                   (4)
Donde:   
 δ = Densidad,                                                                                                 m = Masa del líquido y                                                                  V  = Volumen del mismo líquido.

3. Densidad relativa δr

La densidad relativa de una sustancia es la relación existente entre su densidad (del líquido problema) y la densidad de otra sustancia de referencia; por tanto, es una magnitud adimensional.
                           (5)
Donde:      δr = Densidad relativa                                                                                        δ  = Densidad de la sustancia a calcular                              δ0 = Densidad de referencia ó absoluta
El agua sirve de referencia para líquidos y sólidos, cuando a 4ºC y 1 atm de presión su densidad equivale a: 1000 kg/m3 ó 1 kg/ℓ.

3.1. Unidades de densidad en el Sistema Internacional de medidas (SI):

  • Kilogramo por metro cúbico              (kg/m³)
  • kilogramo por decímetro cúbico        (kg/dm3) ó kg/l
  • gramo por centímetro cúbico            (g/cm³)   ó g/cc
  • gramo por mililitro                            (g/ml)
Tabla 1 Densidades
Sustancia
Densidad kg/m3
Densidad en g/cc
Agua
1000
1
Aceite
920
0,92
Gasolina
680
0,68
Plomo
11300
11,300
Acero
7800
7,800
Mercurio
13600
13,600
Madera
900
0,900
Aire
1,3
0,013
Butano
2,6
0,026
Dióxido de carbono
1,8
0,018
La densidad de los líquidos se puede obtener indirectamente en forma teórica aplicando la fórmula (4), es decir dividiendo la masa del líquido entre el volumen del mismo líquido. También se puede obtener directamente en forma práctica y real mediante instrumentos para medir la densidad como: densímetro, picnómetro, la balanza de Mohr y también con instrumentos digitales.
                 100px-Pycnometer_full         
     Densímetro           Picnómetro            Balanza de Mohr-Westphal
  • El densímetro, es un instrumento que permite la medida directa de la densidad de un líquido, que consiste en dar lectura a una ampolla de vidrio que tiene una escala. (en g/cm3).
  • El picnómetro, permite la medida precisa del volumen del líquido y también de su masa, el picnómetro consiste en un recipiente de vidrio cuya tapa está provista de un finísimo capilar con un aforo para medir el volumen. (llamada también botella de gravedad específica)
  • La balanza de Mohr, es una variante de balanza hidrostática que permite la medida precisa de la densidad de líquidos.
  • Para medir la densidad de los líquidos se puede utilizar también un instrumento digital basado en el principio del tubo en U oscilante, para líquidos y gases.

3.2. Puede cambiar la densidad de un líquido?

En general, la densidad de una sustancia varía cuando cambia la presión o la temperatura.
  • Cuando aumenta la presión, de cualquier material estable también aumenta la densidad.
  • Como regla general, al aumentar la temperatura, la densidad disminuye (si la presión permanece constante). Sin embargo, existen notables excepciones a esta regla. Por ejemplo, la densidad del agua aumenta entre las temperaturas de 0 ºC y 4 ºC; algo similar ocurre con el silicio a bajas temperaturas.

4. Viscosidad η

Si se compara líquidos en cuanto a su fluidez, se observa que, algunos líquidos fluyen lentamente como la miel mientras que otros fluyen con facilidad como el agua, la resistencia a fluir se conoce con el nombre de viscosidad. Si existe una mayor viscosidad, el líquido fluye más lentamente. La viscosidad puede medirse tomando en cuenta el tiempo que transcurre cuando cierta cantidad de un líquido fluye a través de un delgado tubo, bajo la fuerza de la gravedad.



     Deformación de un sólido por la aplicación de una fuerza tangencial
     Figura 3
En otras palabras, la viscosidad “es la propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Cuando un líquido fluye se supone la existencia de una capa estacionaria, de líquido, adherida a la superficie del material sobre la cual se presenta el flujo, la segunda capa roza con la adherida a la superficie y ésta segunda con una tercera y así sucesivamente (figura 3). Este roce entre las capas sucesivas es el responsable de la oposición al flujo o sea el responsable de la viscosidad.
La viscosidad llamada también frotamiento interno se refiere, como indicamos líneas arriba, a la resistencia que experimenta un determinado líquido cuando se desliza sobre una superficie (otra sustancia) y se ha encontrado que: la fuerza que actúa es directamente proporcional al área y a su velocidad e inversamente proporcional a la distancia ó longitud.
  
 
                        
                                               (8) Ecuación de la viscosidad

Donde:       η = viscosidad del líquido
                         m = masa del líquido
                           ℓ = distancia ó longitud recorrida por el líquido
                             t = tiempo empleado por el líquido                                 Unidades de medida para viscosidad
Sistema CGS                              Sistema Internacional
                 
        1 dina.s/cm2 = POISE                   1 N.s.m-2= Pa.s
Tabla 2   ALGUNAS EQUIVALENCIAS
 1 Pascal segundo (Pa.s) = 10 poises (P)
                    1Poise (P) = 100 centipoise (cP)
                    1Poise (P) = 106 micropoise (μ P)
                   1 Poise (P) = 0,1 Pa.s
           1 centipoise (cP) = 1 mPa.s
                        1 poise = 1dina.s/cm2
                          1 Pa.s = 1 N.s.m-2

 
 







               Tabla 3   VISCOSIDAD DE ALGUNOS LÍQUIDOS

Líquido
Viscosidad aproximada (Pa-s)
Vidrio fundido (500 ºC)
1012
Polímeros fundidos
103
Jarabes
102
Miel líquida
101
Glicerol
10-1
Aceite de Oliva
10-2
Agua
10-3
Aire
10-5

El agua a 20 ºC, tiene una viscosidad de 1,0020 cP.
Se llama flujo laminar ó corriente laminar, “cuando el movimiento de un fluido es perfectamente ordenado, paralelo a las paredes del tubo y suave (velocidad baja), de manera que el fluido se mueve en láminas paralelas sin entremezclarse” como muestra la figura 7a, por ejemplo la glicerina en un tubo de sección circular pequeño, donde el mecanismo de transporte es exclusivamente molecular. Este tipo de flujo se da en líquidos de alta viscosidad, donde le número de Reynolds (Re) es inferior a 2000.
Se llama flujo turbulento ó corriente turbulenta, “cuando el movimiento de un fluido se da en forma caótica, donde las partículas se mueven en forma  desordenada y las trayectorias de las partículas se encuentran formando pequeños remolinos de vez en vez (velocidad alta)”, como por ejemplo el agua en un canal de sección circular grande de gran pendiente figura 7b. Debido a esto, la trayectoria de una partícula se puede predecir hasta una cierta escala, a partir de la cual la trayectoria de la misma es impredecible, más caótica. Este tipo de flujo se da en líquidos de muy poca viscosidad, donde el número de Reynolds (Re) mayor ó igual a 4000.

Termodinámicamente la tensión superficial es un fenómeno de superficie, llamada también tensión de superficie, energía de interfase ó energía de superficie; es la propiedad que tiene un líquido de arrastrar a las moléculas superficiales hacia su centro y por consiguiente reducir su superficie a un mínimo; todos los líquidos presentan tendencia a disminuir su superficie libre, la cual se comporta de forma parecida a como lo hace una membrana elástica y se define normalmente como: la fuerza que actúa perpendicularmente a cualquier línea de 1cm de longitud  sobre la superficie del líquido.
La tensión superficial permite: almacenar agua en un vaso a mayor nivel que sus bordes, a una gota de agua a no extenderse sobre una hoja, o a ciertos insectos caminar sobre el agua, debido a que cada molécula de agua se desplaza siempre bajo influencia de sus moléculas vecinas. Porque la molécula que se encuentra en la parte central del líquido es atraída con la misma intensidad en todas direcciones; pero una molécula que está en la superficie del líquido solo experimenta atracción de las moléculas que se encuentran por debajo y a su alrededor.
En las proximidades de la pared de un recipiente, una molécula del líquido (señalada con un punto de donde se desprenden flechas, como en las figuras que siguen) experimenta las siguientes fuerzas:
                  Figura  14A                                         Figura 14B
Donde:    
   P= peso                                                                                          FC = La fuerza de cohesión que ejercen las moléculas restantes del líquido sobre esa molécula.                                                           FA = La fuerza de adherencia que ejercen las moléculas de la pared sobre la molécula del líquido
En la fig. 14A, se muestran las fuerzas sobre dos moléculas, una que está muy cerca de la pared y otra que está más alejada y en la fig.14B, se muestran las resultantes. Suponiendo despreciable la presión ejercida por las moléculas de vapor del líquido.
Pueden ocurrir dos casos según sea la intensidad de las fuerzas de cohesión y adherencia, en líquidos: que mojan y que no mojan. .
1.   En líquidos que mojan por ejemplo, el agua en un recipiente de vidrio. Las fuerzas de adherencia son mucho mayores que las de cohesión (véase la figura 15A a la izquierda), por lo que la forma de la superficie del líquido es cóncava (menisco) y la altura del líquido en el capilar es mayor que en el exterior.
2.   En líquidos que no mojan por ejemplo, el mercurio en un recipiente de vidrio. Donde las fuerzas de cohesión son mayores que las de adherencia, por lo que la forma de la superficie del líquido será convexa (menisco) y la altura del líquido en el capilar es menor que en el exterior (figura 15B a la derecha).
                                               
             Figura 15A Agua                                Figura 15B Mercurio

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