¿Alguna vez os habéis preguntado que es lo que bebemos o respiramos?. La respuesta es sencilla, es un fluido. Normalmente, cuando nombramos esta palabra, todos tenemos en mente la misma clase de ejemplos. Agua, aceite, o cualquier tipo de líquido. Solemos confundir, en el lenguaje coloquial ambas palabras (igual que ocurre con masa y peso) por lo que, en este artículo, esperamos dejar claro que no solo los líquidos son fluidos, si no que algunos “sólidos” y los gases también lo son.
Para clarificar el concepto, primero explicaremos brevemente qué es un fluido y cuales son sus características mas importantes. Segundo definiremos los diferentes tipos de fluidos: newtonianos, no newtonianos y superfluidos. Y por ultimo veremos en que estados de agregación de la materia podemos encontrarlos.
Podemos definir como fluido a cualquier medio continuo formado por moléculas entre las cuales solo media una fuerza de atracción débil, dichas fuerzas se dan entre las moléculas eléctricamente neutras, por lo que no se trata de interacción electromagnética, por lo que es una interacción más débil pero no por ello menos habitual. Un ejemplo de fluido es el aceite, el agua o el aire. Aunque también lo son los superfluidos como el helio por debajo de 2,17ºK (-271ºC aproximadamente) o la gelatina (no newtoniano).
Las características mas importantes de todos los fluidos en general son:
- Viscosidad: se define como una medida de la resistencia de un fluido a las deformaciones sufridas por las tensiones cortantes y de tracción. La viscosidad en los gases es mucho menor que los líquidos.
- Propiedades termodinámicas: densidad, temperatura, entalpía, entropía, calor …
- Ausencia de forma, es decir, un fluido toma la forma del recipiente que lo contiene debido a su separación molecular.
- Compresibilidad. Todos los fluidos son compresibles en cierto grado. Aunque, los líquidos son casi incompresibles a diferencia de los gases que son altamente compresibles.
- Fuerzas de Van der Waals, que son fuerzas de interacción electromagnética entre moléculas de carga neutra.
- Conductividad térmica: es la propiedad física de los materiales que mide la capacidad de conducir el calor por el material, es decir, es la capacidad de una sustancia de transferir la energía cinética de sus moléculas a otras o a otra sustancia con la que este en contacto.
Los fluidos pueden encontrase en los cuatro estados de agregación de la materia, es decir, podemos encontrar fluidos en estado gaseoso, como lo son el metano o el aire, en estado liquido, como el aceite o el agua, y en estado sólido, como la gelatina, aunque realmente no deberíamos considerarlo en estado sólido ya que se encuentra en un estado coloidal, que es un punto intermedio entre el sólido y el liquido.
Por ultimo, también podemos observar fluidos en estado de plasma ( cuarto estado de agregación de la materia similar al estado gaseoso pero cuyas partículas están cargadas eléctricamente, y por tanto no se encuentran en equilibrio electromagnético), un ejemplo de fluido en estado plasma es la ionosfera terrestre o el sol.
TIPOS DE FLUIDOS
En función de sus propiedades, podemos diferencias tres clases de fluidos
1. Newtonianos: se define como un fluido newtoniano a un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo, es decir, varía solamente en respuesta a los cambios de temperatura o presión. Un fluido newtoniano adopta la forma de su contenedor. Para que el fluido sea newtoniano debe cumplir la siguiente ecuación ( la viscosidad absoluta del fluido, η).
Ejemplos de fluidos newtonianos: agua, aceite, glicerina, gasolina…
2. No Newonianos: se define como no newtoniano a aquel fluido cuya viscosidad varía con la temperatura y la tensión cortante ( es aquella que, fijado un plano, actúa tangente al mismo) . Como resultado, un fluido no newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano. Para que el fluido sea no newtoniano debe cumplir la siguiente condición:
Dependiendo del valor de η podemos dividir los fluidos no newtonianos en dos tipos:
- Pseudoplásticos: η disminuye al aumentar la velocidad de cizalla. Para que se de η<<(dv/dz).
- Dilatantes:η, aumenta al aumentar la velocidad de cizalla. Para que se de η>>(dv/dz).
Ejemplos de fluidos no newtonianos: asfalto, coloides, geles, caramelo helado, ketchup…
3. Superfluidos: es un estado de la materia que carece totalmente de viscosidad, no es lo mismo que un sustancia muy fluida ya que la viscosidad de ello es muy pequeña pero no 0, en cambio la de los superfluidos es completamente nula.
Debido a esto, dentro de un sistema aislado y carente de otras fuerzas, el superfluido fluiría indefinidamente sin fricción. Los superfluidos fueron descubiertos en un estudio sobre la hidrodinámica cuántica por los científicos por Piort Kapitsa, John F. Allen y Don Misener.
Es un fenómeno físico que tiene lugar a muy bajas temperaturas, cerca del cero absoluto (0 K). El mayor inconveniente de esto es que, a estas temperaturas, donde la oscilación de las partículas es cuasi nula, casi todos los elementos se convierten en sólidos. Una importante excepción, la primera documentada, es el helio. De este elemento se han encontrado dos isótopos, el helio-3 y helio-4 que responden a la definición de superfluido a temperaturas casi nulas.
Actualmente, se siguen estudiando elementos que puedan adquirir propiedades de superfluido al rozar el cero absoluto. Recientemente se han realizado avances en este campo con gases fermiónicos ultrafíos, teoría que fue probada experimentalmente por Wolfgang Ketterle en 2005. Esta clase de materia, que mantiene su estado gaseoso a tan baja temperatura y se convierte en superfluido, podría tener una amplia gama de aplicaciones en nuevas tecnologías, y constituyen actualmente una de las fronteras en la investigación de mecánica de fluidos.
