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Dependencia de la temperatura de la viscosidad

1850
Montaje de laboratorio para medir la viscosidad de los fluidos a distintas temperaturas en termodinámica.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Para un fluido newtoniano, viscosidad es una función de la temperatura y presión pero no la velocidad de cizallamiento. En los líquidos, la viscosidad disminuye significativamente a medida que aumenta la temperatura, ya que una mayor energía térmica permite que las moléculas superen con mayor facilidad las fuerzas intermoleculares cohesivas. Por el contrario, en los gases, la viscosidad aumenta con la temperatura, puesto que las colisiones moleculares más frecuentes a velocidades más altas dan lugar a una mayor transferencia de momento.

The relationship between viscosidad and temperature is fundamentally different for liquids and gases, stemming from their distinct molecular mechanisms for momentum transfer. In liquids, molecules are closely packed and held together by strong intermolecular cohesive forces. Viscous forces arise from the resistance of these molecules to sliding past one another. As temperature rises, the kinetic energy of the molecules increases, allowing them to overcome these cohesive forces more readily. This results in a decrease in the liquid’s resistance to flow, and thus, a lower viscosity. This effect is pronounced; for example, the viscosity of water decreases by a factor of about 6 between 0°C and 100°C.

En los gases, las moléculas se encuentran muy separadas e interactúan principalmente mediante colisiones. La viscosidad en un gas mide el transporte de momento entre capas que se mueven a diferentes velocidades. Este momento se transfiere mediante moléculas que se mueven entre las capas y colisionan. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la velocidad térmica aleatoria de las moléculas del gas. Esto provoca colisiones más frecuentes y enérgicas, lo que resulta en una transferencia de momento más efectiva entre capas y, en consecuencia, en un aumento de la viscosidad. Este comportamiento fue uno de los primeros triunfos de la teoría cinética de los gases, ya que fue una predicción contraria a la intuición, confirmada posteriormente mediante experimentos.

UNESCO Nomenclature: 2212
- Termodinámica

Tipo

Propiedad física

Ruptura

Sustancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Desarrollo del termómetro
  • El trabajo de Rudolf Clausius y James Clerk Maxwell sobre la teoría cinética de los gases.
  • Estudios sobre fuerzas intermoleculares de Johannes Diderik van der Waals
  • Primeros experimentos sobre el flujo de fluidos realizados por Poiseuille y Hagen

Aplicaciones

  • Formulación de aceite de motor (aceites multigrado)
  • intercambiadores de calor industriales
  • fabricación y moldeo de vidrio
  • procesamiento de alimentos (por ejemplo, control del flujo de chocolate o miel)
  • extracción de energía geotérmica

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • Fluidos inteligentes sensibles a la temperatura para retroalimentación háptica
  • sistemas de refrigeración autorreguladores para electrónica
  • Aislamiento térmico avanzado mediante paneles rellenos de gas
  • Fluidos de perforación geotérmica que mantienen el rendimiento a altas temperaturas
  • materiales de cambio de fase para almacenamiento de energía térmica
  • criogénico fluid handling systems for exploración espacial
  • sistemas de extinción de incendios mediante espumas sensibles a la temperatura
  • electrodomésticos que controlan con precisión la textura de los alimentos mediante la temperatura
Relacionado con: viscosidad, dependencia de la temperatura, líquidos, gases, teoría cinética, fuerzas intermoleculares, transferencia de momento, propiedades de los fluidos.

Contexto histórico

Instalación de paneles solares para demostrar el efecto fotovoltaico en la física del estado sólido.

El efecto fotovoltaico

El efecto fotovoltaico es la generación de voltaje y corriente eléctrica en un material al exponerlo a la luz. Es un fenómeno físico-químico. Una aplicación común es la célula solar, que utiliza este efecto para convertir la luz solar directamente en electricidad. El efecto se basa en que los fotones de luz excitan a los electrones a un estado de mayor energía.
Laboratorio del siglo XIX con instrumentos termodinámicos y ecuaciones de relación de Mayer.

Relación de Mayer (termodinámica)

La relación de Mayer relaciona los calores específicos de un gas perfecto con la constante específica de los gases ([latex]R_s[/latex]). La relación es [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Para los calores específicos molares ([latex]C_p[/latex] y [latex]C_v[/latex]), la relación es [latex]C_p - C_v = R[/latex], donde [latex]R[/latex] es la constante universal de los gases. Esto demuestra que [latex]c_p[/latex] es siempre mayor que [latex]c_v[/latex].
Laboratorio del siglo XIX con físicos que estudian los principios de conservación de la energía.

Conservación de energía

Principio fundamental según el cual la energía total de un sistema aislado permanece constante a lo largo del tiempo. La energía no puede crearse ni destruirse, sólo transformarse de una forma a otra, por ejemplo, de energía potencial a energía cinética. En mecánica clásica, para sistemas con sólo fuerzas conservativas, la energía mecánica total [latex]E = T + V[/latex] se conserva.

Dependencia de la temperatura de la viscosidad

Experimento de laboratorio que demuestra la Primera Ley de la Termodinámica con un motor térmico.

Primera ley de la termodinámica

La Primera Ley es un enunciado de la conservación de la energía. Postula que el cambio en la energía interna de un sistema cerrado ([latex]\Delta U[/latex]) es igual al calor suministrado al sistema ([latex]Q[/latex]) menos el trabajo realizado por el sistema sobre su entorno ([latex]W[/latex]). La ecuación rectora es [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Esta ley relaciona el calor, el trabajo y la energía interna, estableciendo el calor como una forma de transferencia de energía.
Químico realizando experimentos con catalizadores en un laboratorio de época, 1850.

Catalizador en equilibrio químico

Un catalizador aumenta la velocidad de las reacciones directa e inversa por igual al proporcionar una vía de reacción alternativa con menor energía de activación. Si bien un catalizador permite que un sistema alcance el equilibrio mucho más rápido, no altera la posición del equilibrio en sí. Las concentraciones de equilibrio de reactivos y productos, así como el valor de la constante de equilibrio K, permanecen inalterados.
Químico del siglo XIX que mide el volumen de los gases para ilustrar la ley de los gases ideales en termodinámica.

Ley de los gases ideales (forma molar)

La ley de los gases ideales es la ecuación de estado de un gas ideal hipotético, que aproxima el comportamiento de muchos gases en diversas condiciones. La forma molar relaciona la presión ([latex]P[/latex]), el volumen ([latex]V[/latex]), la cantidad de sustancia en moles ([latex]n[/latex]) y la temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) mediante la constante universal de los gases ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].
1839-01-01
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Uno de los primeros dispositivos de pila de combustible, creado por William Grove, que muestra los principios electroquímicos de la química física.

Pila de combustible

Una pila de combustible es un dispositivo electroquímico que convierte directamente la energía química de un combustible, generalmente hidrógeno, y un agente oxidante, a menudo oxígeno, en electricidad. A diferencia de una batería, requiere un suministro externo continuo de combustible y oxidante para funcionar. Los componentes principales son un ánodo, un cátodo y un electrolito que los separa, facilitando el transporte de iones.
Demostración del calentamiento Joule en un laboratorio antiguo con aparatos eléctricos.

Calefacción Joule y energía eléctrica

El calentamiento Joule, o calentamiento óhmico, es el fenómeno en el que se produce calor por el paso de una corriente eléctrica a través de un conductor. La tasa de generación de calor, o potencia disipada ([latex]P[/latex]), viene dada por la primera ley de Joule, [latex]P = VI[/latex]. Combinando esto con la ley de Ohm, la potencia puede expresarse como [latex]P = I^2 R[/latex] o [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].
Aparato de laboratorio para medir la energía interna y la entalpía de un gas perfecto en termodinámica.

Energía interna y entalpía de un gas perfecto

Para un gas perfecto, la energía interna ([latex]U[/latex]) y la entalpía ([latex]H[/latex]) son sólo funciones de la temperatura. Sus cambios vienen dados por [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] y [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], donde [latex]c_v[/latex] y [latex]c_p[/latex] son los calores específicos a volumen y presión constantes, respectivamente, y se suponen constantes.
Investigador probando las propiedades viscoelásticas de un polímero sintético en un laboratorio.

Viscoelasticidad

La viscoelasticidad es la propiedad de los materiales que presentan características viscosas y elásticas al deformarse. Los materiales viscosos, como la miel, resisten el flujo cortante y la deformación linealmente con el tiempo cuando se les aplica una tensión. Los materiales elásticos, como una banda elástica, se deforman al estirarse y vuelven rápidamente a su estado original una vez que se elimina la tensión. Los materiales viscoelásticos tienen elementos de ambos.
Científico midiendo la sublimación en un laboratorio antiguo, estudio de termodinámica.

Enthalpy of Sublimation

La entalpía de sublimación, [latex]\Delta H_{text{sub}}[/latex], es el calor necesario para convertir un mol de una sustancia de sólido a gas a una temperatura y presión dadas. Según la Ley de Hess, puesto que la entalpía es una función de estado, este cambio de energía es la suma de la entalpía de fusión ([latex]\Delta H_{text{fus}}[/latex]) y la entalpía de vaporización ([latex]\Delta H_{text{vap}}[/latex]).
Ingenieros diseñando un motor térmico eficiente en un laboratorio, ilustrando las aplicaciones de la termodinámica.

Segunda ley de la termodinámica

La Segunda Ley introduce el concepto de entropía y define la dirección de los procesos espontáneos. Puede expresarse de varias maneras, pero una consecuencia clave es que la entropía total de un sistema aislado nunca puede disminuir con el tiempo. Esta ley explica la «flecha del tiempo» y por qué los procesos son irreversibles, como el calor que fluye espontáneamente de un cuerpo caliente a uno frío.
Escena de laboratorio que ilustra experimentos termodinámicos sobre el modelo de gas perfecto.

El modelo del gas perfecto

Un gas perfecto es un modelo teórico de un gas en el que se desprecian las fuerzas intermoleculares y se supone que las capacidades caloríficas específicas ([latex]C_P[/latex] y [latex]C_V[/latex]) son constantes con respecto a la temperatura. Esto simplifica considerablemente los cálculos termodinámicos. Es un caso específico del gas ideal, en el que los calores específicos pueden variar con la temperatura, lo que lo convierte en un modelo más restringido.
Escena de laboratorio del siglo XIX con Ludwig Boltzmann estudiando la ley del gas ideal en termodinámica estadística.

Ley de los gases ideales (forma estadística)

La formulación de mecánica estadística de la ley de los gases ideales expresa la relación en términos de las propiedades microscópicas del gas. Relaciona la presión ([latex]P[/latex]) y el volumen ([latex]V[/latex]) con el número total de partículas ([latex]N[/latex]) y la temperatura absoluta ([latex]T[/latex]) a través de la constante de Boltzmann ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

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