¿Cuáles son las propiedades del líquido?

Si alguien le pide que defina "líquido", puede comenzar con su experiencia diaria con cosas que sabe que califican como líquidos e intentar generalizar a partir de ahí. El agua, por supuesto, es el líquido más importante y omnipresente de la Tierra; una cosa que lo distingue es que no tiene una forma definida, sino que se ajusta a la forma de lo que sea que lo contenga, ya sea un dedal o una depresión masiva en el planeta. Probablemente asocie "líquido" con "fluir", como la corriente de un río, o hielo derretido que corre por la ladera de una roca.

Sin embargo, esta idea de "uno reconoce un líquido cuando ve uno" tiene sus límites. El agua es claramente un líquido, al igual que los refrescos. Pero ¿qué pasa con un batido, que se extiende sobre cualquier superficie sobre la que se vierte, pero más lentamente que el agua o la soda? Y si un batido es líquido, ¿qué tal un helado que está a punto de derretirse? ¿O el helado en sí? Da la casualidad de que los físicos han elaborado de manera útil definiciones formales de un líquido, junto con los otros dos estados de la materia.

La materia puede existir en uno de tres estados: como sólido, líquido o gas. Es posible que vea personas que usan "líquido" y "fluido" de manera intercambiable en el lenguaje cotidiano, como "Beba muchos líquidos cuando haga ejercicio en un clima caluroso" y "Es importante consumir muchos líquidos cuando se corre un maratón". Pero formalmente, el estado líquido de la materia y el estado gaseoso de la materia forman juntos fluidos. Un fluido es cualquier cosa que carece de la capacidad de resistir la deformación. Aunque no todos los fluidos son líquidos, las ecuaciones físicas que rigen los fluidos se aplican universalmente tanto a los líquidos como a los gases. Por lo tanto, cualquier problema matemático que se le pida que resuelva que involucre líquidos puede resolverse utilizando las ecuaciones que gobiernan la dinámica y cinética de fluidos.

Los sólidos, líquidos y gases están hechos de partículas microscópicas, y el comportamiento de cada uno determina el estado resultante de la materia. En un sólido, las partículas están compactas, generalmente en un patrón regular; estas partículas vibran o "se mueven", pero en general no se mueven de un lugar a otro. En un gas, las partículas están bien separadas y no tienen una disposición regular; vibran y se mueven libremente a velocidades considerables. Las partículas de un líquido están muy juntas, aunque no tan compactas como en los sólidos. Estas partículas no tienen una disposición regular y se parecen más a los gases que a los sólidos a este respecto. Las partículas vibran, se mueven y se deslizan unas sobre otras.

Tanto los gases como los líquidos adoptan la forma de los recipientes que ocupan, una propiedad que no tienen los sólidos. Los gases, debido a que normalmente tienen mucho espacio entre las partículas, se comprimen fácilmente mediante fuerzas mecánicas. Los líquidos no se comprimen fácilmente y los sólidos aún se comprimen con menos facilidad. Tanto los gases como los líquidos, que como se señaló anteriormente se denominan juntos fluidos, fluyen con facilidad; los sólidos no.

Primero, los fluidos tienen propiedades cinemáticaso propiedades relacionadas con el movimiento de los fluidos, como la velocidad y la aceleración. Por supuesto, los sólidos también tienen esas propiedades, pero las ecuaciones que se utilizan para describirlos son diferentes. En segundo lugar, los fluidos tienen propiedades termodinámicas, que describen el estado termodinámico de un fluido. Éstas incluyen:

• temperatura
  
• presión
  
• densidad
  
• energía interna
  
• entropía específica
  
• entalpía específica
  
• otros

Aquí se detallarán solo algunos de ellos. Finalmente, los fluidos tienen varias propiedades diversas que no entran en ninguna de las otras dos categorías (por ejemplo, viscosidad, una medida de la fricción de un fluido; tensión superficial; y presión de vapor).

Los dos fluidos de mayor interés en el mundo real son el agua y el aire. Los tipos comunes de líquidos además del agua incluyen aceite, gasolina, queroseno, solventes y bebidas. Muchos de los líquidos que se encuentran con más frecuencia, incluidos los combustibles y los disolventes, son venenosos, inflamables o peligrosos de otro modo, lo que los hace peligrosos para los tener en el hogar porque si los niños se apoderan de ellos pueden confundirlos con líquidos potables y consumirlos, provocando graves emergencias de salud.

El cuerpo humano, y de hecho casi toda la vida, es predominantemente agua. La sangre no se considera un líquido porque los sólidos de la sangre no se dispersan uniformemente ni se disuelven completamente en ella. En cambio, se considera una suspensión. El componente plasmático de la sangre puede considerarse líquido para la mayoría de los propósitos. Independientemente, el mantenimiento de los líquidos es vital para la vida diaria. En la mayoría de las situaciones, la gente no piensa en cuán críticos son los líquidos potables para la supervivencia, porque en el mundo moderno es raro no tener acceso inmediato al agua limpia. Pero las personas se meten habitualmente en problemas físicos como resultado de una pérdida excesiva de líquidos durante las competiciones deportivas como maratones, partidos de fútbol y triatlones, a pesar de que algunos de estos eventos incluyen literalmente decenas de puntos de ayuda que ofrecen agua, bebidas deportivas y geles energéticos (que podrían considerarse líquidos). Es una curiosidad de la evolución que tanta gente se las arregle para deshidratarse aun sabiendo habitualmente cuánto deben beber para lograr el máximo rendimiento o al menos evitar terminar en el consultorio médico tienda.

Se ha descrito parte de la física de los fluidos, probablemente lo suficiente como para permitirle mantenerse firme en una conversación científica básica sobre las propiedades de los líquidos. Sin embargo, es en el área del flujo de fluidos donde las cosas se vuelven especialmente interesantes.

La mecánica de fluidos es la rama de la física que estudia las propiedades dinámicas de los fluidos. En esta sección, debido a la importancia del aire y otros gases en la aeronáutica y otros campos de la ingeniería, "fluido" puede referirse a un líquido o un gas, cualquier sustancia que cambia de forma uniformemente en respuesta a efectivo. El movimiento de los fluidos se puede caracterizar por ecuaciones diferenciales, que se derivan del cálculo. El movimiento de fluidos, como el movimiento de sólidos, transfiere masa, momento (masa por velocidad) y energía (fuerza multiplicada por distancia) en el flujo. Además, el movimiento de los fluidos se puede describir mediante ecuaciones de conservación, como las ecuaciones de Navier-Stokes.

Una forma en la que los fluidos se mueven que los sólidos no es que presentan cizallamiento. Esto es una consecuencia de la facilidad con la que se pueden deformar los fluidos. El cizallamiento se refiere a los movimientos diferenciales dentro de un cuerpo de fluido como resultado de la aplicación de fuerzas asimétricas. Un ejemplo es un canal de agua, que exhibe remolinos y otros movimientos localizados incluso cuando el agua en su conjunto se mueve a través del canal a una tasa fija en términos de volumen por unidad de tiempo. El esfuerzo cortante τ (la letra griega tau) de un fluido es igual al gradiente de velocidad (du / dy) multiplicado por la viscosidad dinámica μ; es decir, τ = μ (du / dy).

Otros conceptos relacionados con los movimientos de fluidos incluyen el arrastre y la sustentación, ambos cruciales en la ingeniería aeronáutica. El arrastre es una fuerza resistiva que se presenta en dos formas: Arrastre superficial, que actúa solo sobre la superficie de un cuerpo que se mueve agua (por ejemplo, la piel de un nadador), y la forma de arrastre, que tiene que ver con la forma general del cuerpo que se mueve a través del líquido. Esta fuerza está escrita:

F_D = C_DρA (v²/2)

Donde C es una constante que depende de la naturaleza del objeto que experimenta resistencia, ρ es la densidad, A es el área de la sección transversal y v es la velocidad. De manera similar, la sustentación, que es una fuerza neta que actúa perpendicularmente a la dirección del movimiento de un fluido, se describe mediante la expresión:

F_L = C_LρA (v²/2)

Aproximadamente el 60 por ciento del peso total de su cuerpo consiste en agua. Aproximadamente dos tercios de esto, o el 40 por ciento de su peso total, está dentro de las células, mientras que el otro tercio, o el 20 por ciento de su peso, está en lo que se llama espacio extracelular. El componente de agua de la sangre se encuentra en este espacio extracelular y representa aproximadamente una cuarta parte de toda el agua extracelular, es decir, el 5 por ciento del total del cuerpo. Dado que aproximadamente el 60 por ciento de su sangre en realidad consiste en plasma, mientras que el otro 40 por ciento es sólidos (por ejemplo, glóbulos rojos), puede calcular cuánta sangre tiene en su cuerpo en función de su peso.

Una persona de 70 kg (154 libras) tiene aproximadamente (0,60) (70) = 42 kg de agua en su cuerpo. Un tercio sería líquido extracelular, unos 14 kg. Una cuarta parte de esto sería plasma sanguíneo: 3,5 kg. Esto significa que la cantidad total de sangre en el cuerpo de esta persona pesa aproximadamente (3,5 kg / 0,6) = 5,8 kg.