Viscosidad
En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre
capas adyacentes se denomina viscosidad. Es su pequeña magnitud la que le
confiere al fluido sus peculiares características; así, por ejemplo, si
arrastramos la superficie de un líquido con la palma de la mano como hacíamos
con la goma de borrar, las capas inferiores no se moverán o lo harán
mucho más lentamente que la superficie ya que son arrastradas por efecto de la
pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con facilidad. Igualmente si
revolvemos con una cuchara un recipiente grande con agua en el que hemos
depositado pequeños trozos de corcho, observaremos que al revolver en el centro
también se mueve la periferia y al revolver en la periferia también dan vueltas
los trocitos de corcho del centro; de nuevo, las capas cilíndricas de
agua se mueven por efecto de la viscosidad, disminuyendo su velocidad a medida
que nos alejamos de la cuchara.
Ejemplo de la viscosidad de la leche y el agua. Líquidos
con altas viscosidades no forman salpicaduras.
Cabe señalar que la viscosidad solo se manifiesta en
fluidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo adopta una forma
tal en la que no actúan las fuerzas tangenciales que no puede resistir. Es por
ello por lo que llenado un recipiente con un líquido, la superficie del mismo
permanece plana, es decir, perpendicular a la única fuerza que actúa en ese
momento, la gravedad, sin existir por tanto componente tangencial alguna.
Si la viscosidad fuera muy grande, el rozamiento entre
capas adyacentes lo sería también, lo que significa que éstas no podrían
moverse unas respecto de otras o lo harían muy poco, es decir, estaríamos ante
un sólido. Si por el contrario la viscosidad fuera cero, estaríamos ante un
superfluidad que presenta propiedades notables como escapar de los recipientes
aunque no estén llenos (véase Helio)
La viscosidad es característica de todos los fluidos,
tanto líquidos como gases, si bien, en este último caso su efecto suele ser
despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales. Existen
diversos modelos de viscosidad aplicables a sustancias que presentan
comportamientos viscosos de diferente tipo
Tensión
Superficial
En física se denomina tensión superficial
de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie
por unidad de área. Esta definición implica que el líquido tiene una
resistencia para aumentar su superficie. Este efecto permite a algunos insectos,
como el zapatero (Gerris lacustris), desplazarse por la superficie del
agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas
intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los
líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a
la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de
un líquido en la zona de contacto con un sólido.
Otra posible definición de tensión superficial: es la
fuerza que actúa tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una
superficie libre de un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha
superficie. Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un líquido son las
responsables del fenómeno conocido como tensión superficial.
La tensión superficial se debe a que las fuerzas que
afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la
superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas
de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una
energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia
el interior del líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene
un gas, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la
realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades
entre el líquido y gas.
Otra manera de verlo es que una molécula en contacto con
su vecina está en un estado menor de energía que si no estuviera en contacto
con dicha vecina. Las moléculas interiores tienen todas las moléculas vecinas
que podrían tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas
vecinas que las interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. Para
el líquido, el disminuir su estado energético es minimizar el número de
partículas en su superficie.
Capilaridad
La masa líquida es directamente proporcional al cuadrado
del diámetro del tubo, por lo que un tubo angosto succionará el líquido en una
longitud mayor que un tubo ancho. Así, un tubo de vidrio de 0,1 mm de
diámetro levantará una columna de agua de 30 cm. Cuanto más pequeño es el
diámetro del tubo capilar mayor será la presión capilar y la altura alcanzada. Dos placas de vidrio que están
separadas por una película de agua de 1 µm de espesor, se mantienen unidas
por una presión de succión de 1,5 atm. Por ello se rompen los portaobjetos
humedecidos al intentar separarlos.
Entre algunos materiales, como el mercurio y el vidrio,
las fuerzas intermoleculares del líquido exceden a las existentes entre el
líquido y el sólido, por lo que se forma un menisco convexo y la capilaridad
trabaja en sentido inverso.
Las plantas succionan agua subterránea del terreno por
capilaridad, aunque las plantas más grandes requieren de la transpiración para
desplazar la cantidad necesaria.
Un aparato comúnmente empleado para demostrar la
capilaridad es el tubo capilar; cuando la parte inferior de un tubo de
vidrio se coloca verticalmente, en contacto con un líquido como el agua, se
forma un menisco cóncavo; la tensión superficial succiona la columna líquida
hacia arriba hasta que el peso del líquido sea suficiente para que la fuerza de
la gravedad se equilibre con las fuerzas intermoleculares.
El peso de la columna líquida es proporcional al cuadrado
del diámetro del tubo, por lo que un tubo angosto succionará el líquido más
arriba que un tubo ancho. Así, un tubo de vidrio de 0,1 mm de diámetro
levantará una columna de agua de 30 cm. Cuanto más pequeño es el diámetro del
tubo capilar mayor será la presión capilar y la altura alcanzada. En capilares
de 1 µm (micrómetro) de radio con una presión de succión 1,5*103hPa
(hectopascal = hPa = 1,5atm), corresponde a una altura de columna de agua de 14
a 15 m. Dos
placas de vidrio
que están separadas por una película de agua de 1 µm
(micrómetro) de espesor, se mantienen unidas por una presión de succión de 1,5
atm. Por ello se rompen los portaobjetos humedecidos, cuando se trata de
sepáralos.
Cohesión
En principio se debe distinguir qué es un enlace químico,
siendo éstas las fuerzas que mantienen a los átomos unidos formando las
moléculas. Y que existen dos tipos de enlaces químicos, los enlaces covalentes
(en donde los átomos comparten dos electrones) y las interacciones débiles no
covalentes (interacciones débiles entre iones, moléculas y entre partes de las
moléculas).
La diferencia entre un enlace covalente e interacciones
débiles no covalentes es que los enlaces covalentes son los responsables de las
estructuras primarias, definen la composición e identidad de cada biopolímero y
las "configuraciones" que adopta cada grupo molecular, mientras que
las interacciones débiles no covalentes son las responsables de la complejidad
de las conformaciones que caracterizan la arquitectura molecular de las
macromoléculas biológicas y los complejos supra estructurales, es decir, las
interacciones intermoleculares (átomos o grupos moleculares dentro de las
macromoléculas) e intermoleculares, por lo que son fundamentales para las
funciones biológicas, pero puede ser mayor la molécula.
Las interacciones débiles no covalentes se les llama
"débiles" porque representan la energía que mantienen unidas a las
especies supramoleculares y que son considerablemente más débiles que los
enlaces covalentes. Las interacciones no covalentes fundamentales
Esta área puede verse como una extensión de la química
clásica del enlace covalente, que une átomos para formar moléculas, a una
química del enlace no-covalente, que une moléculas, y con frecuencia la
etiquetan, siguiendo a J.-M. Lehn, sencillamente como “química más allá de la
molécula”
En comparación con los enlaces covalentes, las
interacciones intermoleculares son débiles y tradicionalmente atraen la
atención de los químicos en relación con procesos en los cuales participan
grandes cantidades de especies; por ejemplo, solvatación, fenómenos
superficiales, comportamiento físico de gases a alta presión, etcétera. Sin
embargo, analizando algunos sistemas biológicos, vemos que varios procesos
fundamentales como la replicación, las interacciones anticuerpo-antígeno, la
catálisis enzimática, se realizan con asombrosa eficiencia debido a una acción
muy bien organizada de las fuerzas intermoleculares entre sólo dos moléculas. El
desarrollo de la química supramolecular está fuertemente ligado a los estudios
de sistemas biológicos, que se refleja también en la terminología usada en esta
área.
Adhesión
La adhesión es la propiedad de la materia
por la cual se unen y plasman dos superficies de sustancias iguales o
diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas
intermoleculares.
La adhesión ha jugado un papel muy importante en muchos
aspectos de las técnicas de construcción tradicionales. La adhesión del
ladrillo con el mortero (cemento) es un ejemplo claro.
La cohesión es distinta de la adhesión. La cohesión es la
fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo,
mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos
cuerpos. Dos materiales pueden formar un compuesto al unirse. Las uniones más
fuertes se producen entre átomos donde hay permutación (enlace iónico) o se
comparten electrones (enlace covalente). Un enlace más débil se produce cuando
un átomo de hidrógeno que ya forma parte de una partícula se ve atraída por
otra de nitrógeno, oxígeno flúor, en ese caso hablaríamos de un puente de
hidrógeno. Dos materiales pueden formar un compuesto al unirse. Las uniones más
fuertes se producen entre átomos donde hay permutación (enlace iónico) o se
comparten electrones (enlace covalente). Un enlace más débil se produce cuando
un átomo de hidrógeno que ya forma parte de una partícula se ve atraída por
otra de nitrógeno, oxígeno o flúor, en ese caso hablaríamos de un puente de
hidrógeno. La adhesión química se produce cuando los átomos de la interfaz de
dos superficies separadas forman enlaces iónicos, covalentes o enlaces de
hidrógeno.
El principio de la ingeniería detrás de adhesión química
en este sentido es bastante sencillo: si las moléculas de superficie se pueden
unir, a continuación, las superficies se unen entre sí por una red de estos
enlaces. Cabe mencionar que estas fuerzas iónicas y covalentes atractivas son
eficaces sólo en distancias muy pequeñas - de menos de un nanómetro. Esto
significa que, en general, no sólo las superficies que se quieren unir estén
muy próximas entre sí, sino también, que estos enlaces sean bastante frágiles,
ya que las superficies a continuación deben mantenerse juntas entre si
distinguiéndose unas a otras entre si.
Incomprensibilidad
En mecánica de fluidos, un flujo se clasifica en compresible
e incomprensible, dependiendo del nivel de variación de la densidad del fluido
durante ese flujo. La incompresibilidad es una aproximación y se dice que el
flujo es incompresible si la densidad permanece aproximadamente constante a lo
largo de todo el flujo. Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del
fluido permanece inalterado sobre el curso de su movimiento cuando el flujo o
el fluido es incompresible. En esencia, las densidades de los líquidos son
constantes y así el flujo de ellos es típicamente incompresible.
Cuando se analizan flujos de gas a velocidades altas, la
velocidad del flujo a menudo se expresa en términos del número adimensional de
Mach, que se define como
donde v es la velocidad del flujo en ese medio y c
es la velocidad del sonido en ese medio, cuyo valor es de 346 m/s en el aire a
temperatura ambiente al nivel del mar. Se dice que un flujo es sónico cuando
Ma=1, subsónico cuando Ma<1, supersónico cuando Ma>1, e hipersónico
cuando Ma>>1. Los flujos de líquidos son incompresibles hasta un nivel
alto de exactitud, pero el nivel de variación de la densidad en los flujos de
gases y el nivel consecuente de aproximación que se hace cuando se modelan
estos flujos como incompresibles depende del número de Mach. Con frecuencia,
los flujos de gases se pueden aproximar como incompresibles si los cambios en
la densidad se encuentran por debajo de alrededor de 100 m/s. Así el flujo de
un gas no es necesariamente compresible. Un fluido incompresible es cualquier fluido
cuya densidad siempre permanece constante con el tiempo, y tiene la capacidad
de oponerse a la compresión del mismo bajo cualquier condición. Esto quiere
decir que ni la masa ni el volumen del fluido puede cambiar. El agua es un
fluido casi incompresible, es decir, la cantidad de volumen y la cantidad de
masa permanecerán prácticamente iguales, aún bajo presión. De hecho, todos los
fluidos son compresibles, algunos más que otros. La compresión de un fluido
mide el cambio en el volumen de una cierta cantidad de líquido cuando se somete
a una presión exterior.
