Viscosidad de Los Gases

Viscosidad de los gases.

Un gas es el estado de la materia en el que las moléculas están muy separadas entre sí y las fuerzas intermoleculares no son capaces de conferir a la sustancia una forma y volumen permanentes. Para fijar el estado de un gas, se necesitan cuatro magnitudes: presión, volumen, temperatura y masa. Estas magnitudes se relacionan entre sí mediante la aplicación al gas en estudio de una ecuación de estado. Cuando se aumenta la temperatura o la presión de un gas, la interacción entre las moléculas se hace más intensa. Los gases son fluidos son  fluidos altamente compresibles, compresibles,   que experimentan grandes cambios de densidad de  densidad con la presión y la temperatura. Las moléculas que constituyen un gas casi no son atraídas unas por otras, por lo que se mueven en el vacío a gran velocidad y muy separadas unas de otras, explicando así las propiedades: Las moléculas de un gas se encuentran prácticamente libres, de modo que son capaces de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos. Las fuerzas gravitatorias y de atracción entre las moléculas son despreciables, en comparación con la velocidad a que se mueven las moléculas. Los gases ocupan completamente el volumen del recipiente que los contiene. Los gases no tienen forma definida, adoptando la de los recipientes que las contiene. Pueden comprimirse fácilmente, debido a que existen enormes espacios vacíos entre unas moléculas y otras.  A temperatura y presión ambientales los gases pueden ser elementos como el hidrógeno, el oxígeno el nitrógeno el cloro el flúor y los gases nobles, compuestos como el dióxido de carbono o el propano, o mezclas como el aire. Los gases y los líquidos tienen una propiedad conocida como la viscosidad, la cual se puede definir como la resistencia a fluir ofrecida por un líquido, resultante de los efectos combinados de la cohesión y la adherencia. La viscosidad se produce por el efecto de corte o deslizamiento resultante del movimiento de una capa de fluido con respecto a otro y es completamente distinta de la atracción molecular. Se puede considerar como causada por la fricción interna de las moléculas y se presenta tanto en gases ideales como en líquidos y gases reales. La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. Se define como el pequeño razonamiento interno que se da entre las capas de un fluido. Esta es una propiedad importante y un índice de la medida en que este razonamiento de las moléculas se opone al movimiento de la masa del fluido. Esta propiedad es una de las más importantes en el estudio de los fluidos y se pone en manifiesto cuando los fluidos están en movimiento. Domínguez Retana Miguel Angel

La viscosidad de un fluido se define como su resistencia al corte. Se puede decir que es el equivalente a la fricción entre dos sólidos en movimiento relativo. Existen diversos modelos de viscosidad aplicables a sustancias que presentan comportamientos viscosos de diferente tipo. El modelo o tipo de fluido viscoso más sencillo de caracterizar es el fluido newtoniano, que es un modelo lineal pero también existen modelos no lineales con adelgazamiento o espesamiento por cortante o como los  plásticos de Bingham. Todas las moléculas están en continuo movimiento aleatorio. Cuando existe un cambio de presión debido al flujo, el cambio de presión se superpone a los movimientos aleatorios. Se distribuye entonces por todo el fluido mediante colisiones moleculares. Cuanto mayor sea el movimiento aleatorio, como cuando se produce mediante un aumento de temperatura, mayor es la resistencia al cambio de presión del fluido. Los análisis teóricos basados en estas sencillas consideraciones predicen que la Viscosidad del Gas es proporcional a la raíz cuadrada de la Temperatura Absoluta del gas. El fenómeno de la transferencia de movimiento mediante colisiones de moléculas líquidas parece ensombrecido por los efectos de los campos de fuerzas que interactúan entre las moléculas de líquido estrechamente "empaquetadas". Así, la temperatura ejerce efectos opuestos sobre las viscosidades entre gases y líquidos. Los gases, a diferencia de los líquidos, aumentan su viscosidad con la temperatura. Esto se debe principalmente a que la temperatura (que no es otra cosa que el valor de la energía cinética promedio molecular) hace que la agitación de las moléculas aumente y rocen con más vigor a los objetos que intentan moverse en ese fluido gaseoso. La viscosidad de un gas en general es proporcional a la raíz cuadrada de su temperatura absoluta. Esto se dedujo empíricamente. Igualmente, un aumento de presión hace aumentar la viscosidad de los gases. El coeficiente de viscosidad está relacionado con la distribución de velocidades en las capas de fluido situadas entre dos superficies en movimiento relativo. Las velocidades de estas capas tienen que ser menores que la velocidad media de las moléculas del gas, que es mayor que 500 m/s a temperatura ambiente, 293ºK. Esta diferencia en el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de los líquidos y gases se puede nuevamente seguir hasta llegar a la diferencia en la estructura molecular. Las moléculas del líquido están bastante próximas entre sí, con intensas fuerzas de cohesión entre las moléculas, y la resistencia al movimiento relativo entre capas adyacentes del fluido está relacionada con esas fuerzas intermoleculares. A medida que aumenta la temperatura, las fuerzas de cohesión se reducen con una disminución correspondiente de la resistencia al movimiento. Como la viscosidad es un indicador de esta resistencia, se concluye que la viscosidad se reduce al aumentar la temperatura. Sin embargo, en los gases las moléculas están bastante separadas entre si y las fuerzas intermoleculares son insignificantes. En este caso la resistencia al movimiento relativo surge debido al intercambio de cantidad de movimiento (ímpetu) de las moléculas delgas entre capas adyacentes. A medida que las moléculas son transportadas por el movimiento aleatorio desde una región de baja velocidad volumétrica hasta mezclarse con moléculas de una región de Domínguez Retana Miguel Angel

velocidad volumétrica más alta y viceversa, existe un intercambio efectivo de cantidad de movimiento que resiste el movimiento relativo entre las capas. A medida que aumenta la temperatura del gas, la actividad molecular aleatoria crece con un incremento correspondiente de la viscosidad. Esta diferencia en el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de los líquidos y gases se puede nuevamente seguir hasta llegar a la diferencia en la estructura molecular. Las moléculas del líquido están bastante próximas entre sí, con intensas fuerzas de cohesión entre las moléculas, y la resistencia al movimiento relativo entre capas adyacentes del fluido está relacionada con esas fuerzas intermoleculares. A medida que aumenta la temperatura, las fuerzas de cohesión se reducen con una disminución correspondiente de la resistencia al movimiento. Todo fenómeno de transporte en gases puede interpretarse como la transferencia de alguna cantidad física (calor, materia, cantidad de movimiento) por efecto de alguna fuerza impulsora (gradiente de temperatura, concentración o velocidad). El flujo (J) de calor, masa o cantidad de movimiento es proporcional al gradiente correspondiente, y la constante de proporcionalidad es el coeficiente de transporte (k): J = k. grad (X) (1)  A nivel microscópico el proceso de transporte ocurre a través de las colisiones entre moléculas que provienen de una zona del gas con una determinada temperatura, concentración o cantidad de movimiento, con moléculas que tienen un valor diferente de estas propiedades, de modo que en el momento de la colisión se produce la transferencia. En el caso particular del fenómeno viscoso (transporte de cantidad de movimiento), lo que se transporta es cantidad de movimiento y la fuerza impulsora es un gradiente de velocidad. El caso más sencillo es el de un fluido entre dos placas planas; al aplicar una fuerza constante en la dirección de una de las placas se genera un gradiente de velocidades en la dirección perpendicular a las mismas. Las moléculas están en continuo movimiento térmico y las que atraviesan un plano imaginario entre las placas viniendo de la zona de mayor velocidad transportan mayor cantidad de movimiento que las que atraviesan dicho plano viniendo de la región de menor velocidad. El coeficiente de viscosidad es el coeficiente de transporte relacionado a este proceso: J =η grad ν  y, en la teoría cinética aplicada, a un gas de esferas duras de diámetro σ es es el camino libre medio, c es la raíz cuadrada de la velocidad cuadrática media, m es la masa molecular y n es la densidad numérica del gas (número de partículas por unidad de volumen).

Domínguez Retana Miguel Angel