Introducción a las Propiedades de los Fluidos

Los fluidos, ya sean líquidos o gases, presentan una serie de propiedades que determinan su comportamiento y aplicaciones. En este documento, exploraremos las propiedades más relevantes de los fluidos, incluyendo su evaporación, ebullición, densidad, viscosidad, difusión, tensión superficial y capilaridad. Además, analizaremos las propiedades coligativas, el transporte de gases, la clasificación de gases y las propiedades químicas y físicas de los fluidos.

Evaporación y Ebullición

La velocidad de evaporación de un líquido depende de varios factores:

• Área de la superficie del líquido: A mayor superficie, mayor evaporación.
• Temperatura del líquido y del aire: A mayor temperatura, mayor evaporación.
• Movimiento del aire por encima de la superficie líquida: Un flujo de aire constante facilita la evaporación.

En un recipiente cerrado, se alcanza un equilibrio entre la evaporación y la condensación, donde el número de partículas en cada estado permanece constante. La presión de vapor es la presión que ejercen las partículas del vapor sobre la superficie del líquido y las paredes del recipiente. A mayor temperatura, mayor velocidad de evaporación y mayor presión de vapor.

La ebullicion ocurre cuando la presión de vapor del líquido alcanza la presión externa. La temperatura a la que se produce la ebullición se llama temperatura de ebullición y depende de la presión del líquido.

Calor Latente de Vaporización

Para que la evaporación se produzca a temperatura constante, se debe suministrar calor al líquido. Este calor se absorbe durante el cambio de estado. El calor latente de vaporización es la cantidad de calor absorbido por un gramo de sustancia al pasar del estado líquido al estado de vapor a temperatura constante. Este valor depende de la temperatura del cambio de estado. Durante la condensación, se libera el mismo calor latente de vaporización, pero con signo contrario.

Humedad Relativa y Punto de Rocío

La humedad relativa es el grado de saturación del aire a una temperatura dada. Se expresa como el porcentaje de la cantidad de vapor de agua presente en un volumen de aire en relación con la cantidad necesaria para saturar dicho volumen. El punto de rocío es la temperatura a la que una muestra de aire tiene una humedad relativa del 100%.

En los gases de combustión, se pueden encontrar dos tipos de puntos de rocío: el punto de rocío físico (del agua) y el punto de rocío químico o ácido (sulfúrico).

Densidad

La densidad absoluta es la masa de la unidad de volumen de una sustancia. La densidad relativa es la relación entre la densidad absoluta de una sustancia y la densidad de una sustancia patrón (adimensional). El peso específico absoluto es el peso de la unidad de volumen, mientras que el peso específico relativo es la relación entre el peso específico de una sustancia y el peso específico de una sustancia patrón.

Masa y Peso

La masa es la cantidad de materia de un cuerpo, mientras que el peso es la medida del efecto de una fuerza gravitatoria sobre dicha masa.

Productos Petrolíferos

La densidad de los productos petrolíferos se expresa en grados API (American Petroleum Institute). La fórmula para calcular los grados API es:

API = 141.5 / densidad relativa (60ºF/60ºF) – 131.5

La densidad de los productos petrolíferos varía con la temperatura y la presión. A mayor temperatura, menor densidad. A mayor presión, mayor densidad.

Principio de Arquímedes y Disco Plimsoll

El principio de Arquímedes establece que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo recibe un empuje vertical hacia arriba igual al peso del volumen del fluido desplazado. Este empuje se conoce como empuje hidrostático.

El disco Plimsoll es una marca que se coloca en el casco de los buques para indicar el calado máximo (mínimo francobordo) con el que puede navegar el buque en condiciones de seguridad. Las marcas del disco Plimsoll indican las diferentes condiciones de carga permitidas, como:

• DT: dulce tropical
• D: dulce
• T: trópico
• V: agua de mar en verano
• I: invierno
• ANI: invierno de Atlántico norte

El permiso de agua dulce indica la variación del calado del buque al navegar en agua dulce.

Viscosidad

La viscosidad es la resistencia a fluir de un líquido debido a las fuerzas de atracción entre las partículas. La viscosidad cinemática es la relación entre la viscosidad absoluta (n) y la densidad de la sustancia a la misma temperatura. La viscosidad absoluta es la fuerza tangencial necesaria para mantener una diferencia de velocidad de 1 unidad entre dos capas de fluido separadas por una unidad de distancia. La viscosidad varía con la temperatura y la presión. En los líquidos, a mayor temperatura, menor viscosidad. A mayor presión, mayor viscosidad. En los gases, a mayor temperatura, mayor viscosidad. A partir de 10 atm, la viscosidad de un gas aumenta.

Difusión

La difusión es el movimiento de partículas de una región de alta concentración a una región de baja concentración. La velocidad de difusión depende de:

• Naturaleza de los fluidos
• Estado de agregación
• Superficie de contacto
• Variación de concentración por unidad de longitud
• Temperatura
• Presión

Ecuación de Estado de los Gases

La ecuación de estado de los gases ideales es:

P.V = n.R.T

Donde:

• P: presión
• V: volumen
• n: número de moles
• R: constante de los gases ideales
• T: temperatura

Ley de Graham

La ley de Graham establece que la velocidad de difusión de un gas es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su peso molecular. La relación entre las velocidades de difusión de dos gases es:

Velocidad de difusión 1 / Velocidad de difusión 2 = raíz cuadrada (PM2 / PM1)

Tensión Superficial

La tensión superficial es la energía requerida para aumentar la superficie de un líquido en 1 cm². Se expresa en ergios/cm². La tensión superficial es responsable de la formación de gotas y burbujas.

Se dice que un líquido moja a un sólido cuando las fuerzas adhesivas líquido-sólido son mayores que las fuerzas cohesivas en el interior del líquido.

Capilaridad

La capilaridad es un fenómeno que describe el comportamiento de los líquidos en tubos finos (capilares). La tensión superficial es la responsable de la capilaridad. La capilaridad produce la elevación o depresión de un líquido en un tubo abierto.

Propiedades Coligativas

Las propiedades coligativas son propiedades de las soluciones que dependen del número de partículas de soluto presentes en la solución, no de la naturaleza del soluto. Las propiedades coligativas incluyen:

• Descenso de la presión de vapor del disolvente: El descenso relativo de la presión de vapor del disolvente es proporcional a la fracción molar del soluto.
• Elevación ebulloscópica: Aumento de la temperatura de ebullición de la solución.
• Descenso crioscópico: Disminución de la temperatura de congelación de la solución.
• Presión osmótica: Medida de la tendencia a diluirse de una solución separada del disolvente puro por una membrana semipermeable.

Transporte de Gases

Los gases permanentes son gases cuyas temperaturas críticas son inferiores a la temperatura ambiente. Los gases permanentes se pueden transportar en estado comprimido, licuado, criogénico o disuelto a presión.

Clasificación de Gases

Los gases se pueden clasificar según sus propiedades químicas y físicas:

Propiedades Químicas

• Inflamables: Pueden arder en presencia de oxígeno en el aire. El punto de inflamación es la temperatura mínima a la que un líquido inflamable produce suficientes vapores para la combustión.
• No inflamables: No arden en ninguna concentración de aire u oxígeno, pero pueden mantener una combustión.
• Inertes: No arden ni mantienen una combustión.
• Reactivos: Reaccionan con otras sustancias bajo condiciones previsibles.
• Tóxicos: Venenosos o irritantes.

Propiedades Físicas

• Comprimidos: Gas a temperatura normal y alta presión.
• Licuado: Líquido a temperatura normal y alta presión.
• Criogénico: Líquido a temperatura muy fría y a presión moderada.
• Disuelto a presión: Disuelto en un líquido.

Buque GNL

Los buques GNL (gases naturales licuados) se utilizan para transportar grandes volúmenes de GNL. El punto de ebullición del GNL es -163ºC. El transporte del GNL se realiza en estado criogénico y se mantiene a la temperatura de ebullición mediante un aislamiento adecuado. Los buques GNL tienen una capacidad de 120.000 a 130.000 m³ y transportan GNL.