Líquido

Las cantidades de líquidos se miden en unidades de volumen . Estas incluyen la unidad del SI metro cúbico (m³ ⁾ y sus divisiones, en particular el decímetro cúbico, más comúnmente llamado litro (1 dm³ ⁼ 1 L = 0,001 m³ ⁾ , ​​y el centímetro cúbico, también llamado mililitro (1 cm³ ⁼ 1 mL = 0,001 L = ^10⁻⁶ m³ ⁾ . ^{[ 8 ]}

El volumen de una cantidad de líquido está determinado por su temperatura y presión . Los líquidos generalmente se expanden al calentarse y se contraen al enfriarse. El agua entre 0 °C y 4 °C es una excepción notable. ^{[ 9 ]}

Por otro lado, los líquidos tienen poca compresibilidad . El agua, por ejemplo, se comprime solo 46,4 partes por millón por cada unidad de aumento de la presión atmosférica (bar). ^{[ 10 ]} A unos 4000 bar (400 megapascales o 58 000 psi ) de presión a temperatura ambiente, el agua experimenta solo una disminución del 11 % en su volumen. ^{[ 11 ]} La incompresibilidad hace que los líquidos sean adecuados para transmitir potencia hidráulica , porque un cambio de presión en un punto del líquido se transmite sin disminución a todas las demás partes del líquido y se pierde muy poca energía en forma de compresión. ^{[ 12 ]}

Sin embargo, la compresibilidad insignificante da lugar a otros fenómenos. El golpeteo de las tuberías, llamado golpe de ariete , se produce cuando una válvula se cierra repentinamente, creando un enorme pico de presión en la válvula que viaja hacia atrás a través del sistema a una velocidad ligeramente inferior a la del sonido. Otro fenómeno causado por la incompresibilidad de los líquidos es la cavitación . Debido a que los líquidos tienen poca elasticidad , pueden literalmente separarse en áreas de alta turbulencia o cambios bruscos de dirección, como el borde de salida de la hélice de un barco o una esquina afilada en una tubería. Un líquido en un área de baja presión (vacío) se vaporiza y forma burbujas, que luego colapsan al entrar en áreas de alta presión. Esto provoca que el líquido llene las cavidades dejadas por las burbujas con una tremenda fuerza localizada, erosionando cualquier superficie sólida adyacente. ^{[ 13 ]}

En un campo gravitatorio , los líquidos ejercen presión sobre las paredes de un recipiente, así como sobre todo lo que se encuentra dentro del propio líquido. La presión del líquido se transmite en todas direcciones y aumenta con la profundidad. Si un líquido está en reposo en un campo gravitatorio uniforme, la presión${\displaystyle p}$a profundidad${\displaystyle z}$está dado por ^{[ 14 ]}

${\displaystyle p=p_{0}+\rho gz\,}$

dónde:

${\displaystyle p_{0}\,}$es la presión en la superficie

${\displaystyle \rho \,}$es la densidad del líquido, que se supone uniforme con la profundidad.

${\displaystyle g\,}$es la aceleración gravitacional

Para una masa de agua abierta al aire,${\displaystyle p_{0}}$sería la presión atmosférica .

A menos que el volumen de un líquido coincida exactamente con el volumen de su recipiente, se observan una o más superficies. La presencia de una superficie introduce nuevos fenómenos que no están presentes en un líquido a granel. Esto se debe a que una molécula en una superficie posee enlaces con otras moléculas del líquido solo en el lado interno de la superficie, lo que implica una fuerza neta que atrae las moléculas de la superficie hacia adentro. De forma equivalente, esta fuerza puede describirse en términos de energía: existe una cantidad fija de energía asociada con la formación de una superficie de un área determinada. Esta cantidad es una propiedad del material llamada ^tensión superficial , en unidades de energía por unidad de área (unidades del SI: J / m² ). Los líquidos con fuertes fuerzas intermoleculares tienden a tener tensiones superficiales elevadas. ^{[ 16 ]}

Una consecuencia práctica de la tensión superficial es que los líquidos tienden a minimizar su área superficial, formando gotas y burbujas esféricas a menos que existan otras restricciones. La tensión superficial también es responsable de diversos fenómenos, como ondas superficiales , acción capilar , humectación y ondulaciones . En líquidos confinados a nanoescala , los efectos superficiales pueden desempeñar un papel dominante, ya que, en comparación con una muestra macroscópica de líquido, una fracción mucho mayor de moléculas se encuentra cerca de la superficie.

La tensión superficial de un líquido afecta directamente a su humectabilidad . La mayoría de los líquidos comunes tienen tensiones que oscilan entre las decenas de mJ/m² ^, por lo que las gotas de aceite, agua o pegamento pueden fusionarse fácilmente y adherirse a otras superficies, mientras que los metales líquidos como el mercurio pueden tener tensiones que oscilan entre los cientos de mJ/m² ^, por lo que las gotas no se combinan fácilmente y las superficies solo se humedecen bajo condiciones específicas.

Las tensiones superficiales de los líquidos comunes ocupan un rango de valores relativamente estrecho cuando se exponen a condiciones cambiantes como la temperatura, lo que contrasta fuertemente con la enorme variación observada en otras propiedades mecánicas, como la viscosidad. ^{[ 17 ]}

Una propiedad física importante que caracteriza el flujo de líquidos es la viscosidad . Intuitivamente, la viscosidad describe la resistencia de un líquido al flujo. Técnicamente, la viscosidad mide la resistencia de un líquido a la deformación a una velocidad determinada, como cuando se somete a cizallamiento a velocidad finita. ^{[ 18 ]} Un ejemplo específico es un líquido que fluye a través de una tubería: en este caso, el líquido sufre deformación por cizallamiento, ya que fluye más lentamente cerca de las paredes de la tubería que cerca del centro. Como resultado, presenta resistencia viscosa al flujo. Para mantener el flujo, se debe aplicar una fuerza externa, como una diferencia de presión entre los extremos de la tubería.

La viscosidad de los líquidos disminuye al aumentar la temperatura. ^{[ 19 ]}

El control preciso de la viscosidad es importante en muchas aplicaciones, especialmente en la industria de la lubricación. Una forma de lograr dicho control es mediante la mezcla de dos o más líquidos de viscosidades diferentes en proporciones precisas. ^{[ 20 ]} Además, existen diversos aditivos que pueden modular la dependencia de la viscosidad de los aceites lubricantes con la temperatura. Esta capacidad es importante ya que la maquinaria suele operar en un rango de temperaturas (véase también el índice de viscosidad ). ^{[ 21 ]}

El comportamiento viscoso de un líquido puede ser newtoniano o no newtoniano . Un líquido newtoniano presenta una curva de tensión/deformación lineal, lo que significa que su viscosidad es independiente del tiempo, la velocidad de cizallamiento o el historial de velocidad de cizallamiento. Ejemplos de líquidos newtonianos incluyen agua, glicerina , aceite de motor , miel o mercurio. Un líquido no newtoniano es aquel cuya viscosidad no es independiente de estos factores y se espesa (aumenta su viscosidad) o se diluye (disminuye su viscosidad) bajo cizallamiento. Ejemplos de líquidos no newtonianos incluyen kétchup , natillas o soluciones de almidón . ^{[ 22 ]}

La velocidad del sonido en un líquido viene dada por${\displaystyle c={\sqrt {K/\rho }}}$dónde${\displaystyle K}$es el módulo de compresibilidad del líquido y${\displaystyle \rho }$la densidad. Como ejemplo, el agua tiene un módulo de compresibilidad de aproximadamente 2,2 GPa y una densidad de 1000 kg/m³ ^, lo que da c = 1,5 km/s. ^{[ 23 ]}

Si bien los líquidos no exhiben un ordenamiento de largo alcance como en una red cristalina, sí poseen un ordenamiento de corto alcance , que persiste a lo largo de unos pocos diámetros moleculares. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

En todos los líquidos, las interacciones de volumen excluido inducen un orden de corto alcance en las posiciones moleculares (coordenadas del centro de masa). Los líquidos monoatómicos clásicos, como el argón y el criptón, son los ejemplos más sencillos. Dichos líquidos pueden modelarse como "montones" desordenados de esferas muy juntas, y el orden de corto alcance corresponde al hecho de que los vecinos más próximos y los segundos vecinos en un empaquetamiento de esferas tienden a estar separados por múltiplos enteros del diámetro. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

En la mayoría de los líquidos, las moléculas no son esferas y las fuerzas intermoleculares poseen direccionalidad, es decir, dependen de la orientación relativa de las moléculas. Como resultado, existe un orden orientacional de corto alcance además del orden posicional mencionado anteriormente. El orden orientacional es especialmente importante en líquidos con enlaces de hidrógeno como el agua. ^{[ 32 ] [ 33 ]} La fuerza y ​​la naturaleza direccional de los enlaces de hidrógeno impulsan la formación de "redes" o "agrupaciones" locales de moléculas. Debido a la importancia relativa de las fluctuaciones térmicas en los líquidos (en comparación con los sólidos), estas estructuras son altamente dinámicas, deformándose, rompiéndose y reformándose continuamente. ^{[ 30 ] [ 32 ]}

Si bien los líquidos comunes carecen de orden de largo alcance, algunos materiales presentan un comportamiento intermedio. Los cristales líquidos , por ejemplo, fluyen como los líquidos, pero exhiben una alineación orientacional de largo alcance de sus moléculas. A diferencia de los sólidos, carecen de orden traslacional de largo alcance, pero sus propiedades anisotrópicas los distinguen de los líquidos convencionales. Como resultado, los cristales líquidos se consideran un estado de la materia distinto . Se utilizan en tecnologías como las pantallas de cristal líquido (LCD). ^{[ 34 ]}

Las características microscópicas de los líquidos derivan de una interacción entre fuerzas intermoleculares atractivas y fuerzas entrópicas . ^{[ 35 ]}

Las fuerzas atractivas tienden a acercar las moléculas y, junto con las interacciones repulsivas de corto alcance, son las fuerzas dominantes que determinan la estructura regular de los sólidos. Las fuerzas entrópicas no son "fuerzas" en el sentido mecánico; más bien, describen la tendencia de un sistema a maximizar su entropía a energía fija (véase el conjunto microcanónico ). En términos generales, las fuerzas entrópicas alejan las moléculas entre sí, maximizando el volumen que ocupan. Las fuerzas entrópicas son dominantes en los gases y explican la tendencia de estos a llenar sus recipientes. En los líquidos, por el contrario, las fuerzas intermoleculares y entrópicas son comparables, por lo que no es posible ignorar una en favor de la otra. Cuantitativamente, la energía de enlace entre moléculas adyacentes es del mismo orden de magnitud que la energía térmica.${\displaystyle k_{\text{B}}T}$. ^{[ 36 ]}

Como todas las formas conocidas de materia, los líquidos son fundamentalmente cuánticos . Sin embargo, en condiciones estándar (cercanas a la temperatura y presión ambiente), gran parte del comportamiento macroscópico de los líquidos puede entenderse en términos de mecánica clásica . ^{[ 36 ] [ 38 ]} La "imagen clásica" postula que las moléculas constituyentes son entidades discretas que interactúan a través de fuerzas intermoleculares de acuerdo con las leyes del movimiento de Newton . Como resultado, sus propiedades macroscópicas pueden describirse utilizando la mecánica estadística clásica . Si bien la ley de la fuerza intermolecular técnicamente se deriva de la mecánica cuántica, generalmente se entiende como un modelo de entrada para la teoría clásica, obtenido ya sea a partir de un ajuste a datos experimentales o del límite clásico de una descripción cuántica. ^{[ 39 ] [ 28 ]} Un ejemplo ilustrativo, aunque muy simplificado, es una colección de moléculas esféricas que interactúan a través de un potencial de Lennard-Jones . ^{[ 36 ]}

Para que se aplique el límite clásico, una condición necesaria es que la longitud de onda térmica de De Broglie ,

${\displaystyle \Lambda =\left({\frac {2\pi \hbar ^{2}}{mk_{\text{B}}T}}\right)^{1/2}}$

es pequeño en comparación con la escala de longitud que se está considerando. ^{[ 36 ] [ 40 ]} Aquí,${\displaystyle \hbar }$es la constante de Planck y${\displaystyle m}$es la masa de la molécula. Valores típicos de${\displaystyle \Lambda }$son aproximadamente 0,01-0,1 nanómetros (Tabla 1). Por lo tanto, un modelo de alta resolución de la estructura líquida a nanoescala puede requerir consideraciones de mecánica cuántica. Un ejemplo notable es el enlace de hidrógeno en líquidos asociados como el agua, ^{[ 41 ] [ 42 ]} donde, debido a la pequeña masa del protón, los efectos inherentemente cuánticos como el movimiento de punto cero y el efecto túnel son importantes. ^{[ 43 ]}

Para que un líquido se comporte clásicamente a nivel macroscópico,${\displaystyle \Lambda }$debe ser pequeño en comparación con la distancia promedio${\displaystyle a\approx \rho ^{-1/3}}$ entre moléculas. ^{[ 36 ]} Es decir,

${\displaystyle {\frac {\Lambda }{a}}\ll 1}$

En la Tabla 1 se muestran valores representativos de esta relación para algunos líquidos. La conclusión es que los efectos cuánticos son importantes para líquidos a bajas temperaturas y con masa molecular pequeña . ^{[ 36 ] [ 38 ]} Para procesos dinámicos, existe una restricción de escala de tiempo adicional:

${\displaystyle \tau \gg {\frac {h}{k_{B}T}}}$

dónde${\displaystyle \tau }$es la escala de tiempo del proceso en consideración. Para líquidos a temperatura ambiente, el lado derecho es de aproximadamente 10⁻¹⁴ ^segundos , lo que generalmente significa que los procesos dependientes del tiempo que implican movimiento de traslación pueden describirse clásicamente. ^{[ 36 ]}

A temperaturas extremadamente bajas, incluso el comportamiento macroscópico de ciertos líquidos se desvía de la mecánica clásica. Ejemplos notables son el hidrógeno y el helio. Debido a su baja temperatura y masa, estos líquidos tienen una longitud de onda térmica de De Broglie comparable a la distancia promedio entre moléculas. ^{[ 36 ]}

La expresión para la velocidad del sonido de un líquido,

${\displaystyle c={\sqrt {K/\rho }}}$,

Contiene el módulo de compresibilidad K. Si K es independiente de la frecuencia, el líquido se comporta como un medio lineal, de modo que el sonido se propaga sin disipación ni acoplamiento de modos . En realidad, todos los líquidos presentan cierta dispersión : al aumentar la frecuencia, K cruza desde el límite de baja frecuencia, similar al de un líquido.${\displaystyle K_{0}}$hasta el límite de alta frecuencia, similar al de un sólido${\displaystyle K_{\infty }}$En los líquidos normales, la mayor parte de este cruce se produce en frecuencias entre GHz y THz, a veces denominadas hipersonido .

A frecuencias inferiores a GHz, un líquido normal no puede soportar ondas de corte : el límite de frecuencia cero del módulo de corte es 0. Esto a veces se considera la propiedad definitoria de un líquido. ^{[ 44 ] [ 45 ]} Sin embargo, al igual que el módulo de compresibilidad K , el módulo de corte G también depende de la frecuencia y presenta un cruce similar a frecuencias hipersónicas.

Según la teoría de respuesta lineal , la transformada de Fourier de K o G describe cómo el sistema vuelve al equilibrio tras una perturbación externa; por ello, el escalón de dispersión en la región de GHz a THz también se denomina relajación . A medida que un líquido se sobreenfría hacia la transición vítrea, el tiempo de relajación estructural aumenta exponencialmente, lo que explica el comportamiento viscoelástico de los líquidos formadores de vidrio.

La ausencia de orden de largo alcance en los líquidos se refleja en la ausencia de picos de Bragg en la difracción de rayos X y neutrones . En condiciones normales, el patrón de difracción tiene simetría circular, lo que expresa la isotropía del líquido. Radialmente, la intensidad de difracción oscila suavemente. Esto puede describirse mediante el factor de estructura estática.${\displaystyle S(q)}$, con número de onda${\displaystyle q=(4\pi /\lambda )\sin \theta }$dada por la longitud de onda${\displaystyle \lambda }$de la sonda (fotón o neutrón) y el ángulo de Bragg${\displaystyle \theta }$. Las oscilaciones de${\displaystyle S(q)}$expresan el orden de corto alcance del líquido, es decir, las correlaciones entre una molécula y las "capas" de vecinos más cercanos, segundos vecinos más cercanos, y así sucesivamente.

Una representación equivalente de estas correlaciones es la función de distribución radial.${\displaystyle g(r)}$, que está relacionado con la transformada de Fourier de${\displaystyle S(q)}$. ^{[ 30 ]} Representa un promedio espacial de una instantánea temporal de correlaciones de pares en el líquido.

Los líquidos son útiles como lubricantes debido a su capacidad para formar una capa delgada y fluida entre materiales sólidos. Los lubricantes como el aceite se eligen por su viscosidad y características de flujo adecuadas en todo el rango de temperatura de funcionamiento del componente. Los aceites se utilizan frecuentemente en motores, cajas de cambios , sistemas metalúrgicos y sistemas hidráulicos por sus buenas propiedades lubricantes. ^{[ 50 ]}

Muchos líquidos se utilizan como disolventes para disolver otros líquidos o sólidos. Las soluciones se encuentran en una amplia variedad de aplicaciones, como pinturas , selladores y adhesivos . La nafta y la acetona se utilizan frecuentemente en la industria para limpiar aceite, grasa y alquitrán de piezas y maquinaria. Los fluidos corporales son soluciones a base de agua.

Los tensioactivos se encuentran comúnmente en jabones y detergentes . Los disolventes como el alcohol se utilizan a menudo como antimicrobianos . Se encuentran en cosméticos, tintas y láseres de colorante líquido . Se utilizan en la industria alimentaria, en procesos como la extracción de aceite vegetal . ^{[ 51 ]}

Los líquidos tienden a tener mejor conductividad térmica que los gases, y la capacidad de fluir hace que un líquido sea adecuado para eliminar el exceso de calor de los componentes mecánicos. El calor se puede eliminar canalizando el líquido a través de un intercambiador de calor , como un radiador , o se puede eliminar con el líquido durante la evaporación . ^{[ 52 ]} Los refrigerantes de agua o glicol se utilizan para evitar el sobrecalentamiento de los motores. ^{[ 53 ]} Los refrigerantes utilizados en los reactores nucleares incluyen agua o metales líquidos, como sodio o bismuto . ^{[ 54 ]} Las películas de propulsor líquido se utilizan para enfriar las cámaras de combustión de los cohetes . ^{[ 55 ]} En el mecanizado , el agua y los aceites se utilizan para eliminar el exceso de calor generado, que puede arruinar rápidamente tanto la pieza de trabajo como la herramienta. Durante la transpiración , el sudor elimina el calor del cuerpo humano por evaporación. En la industria de la calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), los líquidos como el agua se utilizan para transferir calor de un área a otra. ^{[ 56 ]}

Los líquidos se utilizan a menudo en la cocina debido a sus excelentes capacidades de transferencia de calor. Además de la conducción térmica, los líquidos transmiten energía por convección. En particular, debido a que los fluidos más calientes se expanden y ascienden mientras que las zonas más frías se contraen y descienden, los líquidos con baja viscosidad cinemática tienden a transferir calor por convección a una temperatura bastante constante, lo que hace que un líquido sea adecuado para escaldar , hervir o freír . Se pueden lograr tasas de transferencia de calor aún mayores condensando un gas en un líquido. En el punto de ebullición del líquido, toda la energía calorífica se utiliza para provocar el cambio de fase de líquido a gas, sin un aumento concomitante de la temperatura, y se almacena como energía potencial química . Cuando el gas se condensa de nuevo en líquido, este exceso de energía calorífica se libera a una temperatura constante. Este fenómeno se utiliza en procesos como la cocción al vapor .

Dado que los líquidos suelen tener diferentes puntos de ebullición, las mezclas o soluciones de líquidos o gases generalmente se pueden separar por destilación , utilizando calor, frío, vacío , presión u otros medios. La destilación se encuentra en todo, desde la producción de bebidas alcohólicas hasta las refinerías de petróleo , pasando por la destilación criogénica de gases como el argón , el oxígeno , el nitrógeno , el neón o el xenón mediante licuefacción (enfriándolos por debajo de sus puntos de ebullición individuales). ^{[ 57 ]}

El líquido es el componente principal de los sistemas hidráulicos , que aprovechan la ley de Pascal para proporcionar energía fluida . Dispositivos como bombas y ruedas hidráulicas se han utilizado para transformar el movimiento del líquido en trabajo mecánico desde la antigüedad. Los aceites se impulsan a través de bombas hidráulicas , que transmiten esta fuerza a los cilindros hidráulicos . La hidráulica se encuentra en numerosas aplicaciones, como frenos y transmisiones de automóviles , maquinaria pesada y sistemas de control de aeronaves. Diversas prensas hidráulicas se utilizan ampliamente en reparación y fabricación para levantar, prensar, sujetar y dar forma. ^{[ 58 ]}

Los metales líquidos poseen varias propiedades útiles para la detección y la actuación , en particular su conductividad eléctrica y su capacidad para transmitir fuerzas (incompresibilidad). Al ser sustancias fluidas, los metales líquidos conservan estas propiedades incluso bajo deformaciones extremas. Por esta razón, se han propuesto para su uso en robots blandos y dispositivos médicos portátiles , que deben ser capaces de operar bajo deformaciones repetidas. ^{[ 59 ] [ 60 ]} El galio se considera un candidato prometedor para estas aplicaciones, ya que es un líquido a temperatura ambiente, tiene baja toxicidad y se evapora lentamente. ^{[ 61 ]}

En ocasiones, se utilizan líquidos en dispositivos de medición. Un termómetro suele emplear la dilatación térmica de líquidos, como el mercurio , junto con su fluidez, para indicar la temperatura. Un manómetro utiliza el peso del líquido para indicar la presión atmosférica . ^{[ 62 ]}

La superficie libre de un líquido en rotación forma un paraboloide circular y, por lo tanto, puede utilizarse como telescopio . Estos se conocen como telescopios de espejo líquido . ^{[ 63 ]} Son significativamente más baratos que los telescopios convencionales, ^{[ 64 ]} pero solo pueden apuntar directamente hacia arriba ( telescopio cenital ). Un líquido de elección común es el mercurio.

Los métodos mesoscópicos operan en escalas de longitud y tiempo entre los niveles de partícula y continuo. Por esta razón, combinan elementos de la dinámica basada en partículas y la hidrodinámica del continuo. ^{[ 65 ]}

Un ejemplo es el método de Boltzmann en red , que modela un fluido como una colección de partículas ficticias que existen en una red. ^{[ 65 ]} Las partículas evolucionan en el tiempo mediante el flujo (movimiento en línea recta) y las colisiones . Conceptualmente, se basa en la ecuación de Boltzmann para gases diluidos, donde la dinámica de una molécula consiste en un movimiento libre interrumpido por colisiones binarias discretas, pero también se aplica a líquidos. A pesar de la analogía con las trayectorias moleculares individuales, es una descripción de grano grueso que normalmente opera en escalas de longitud y tiempo mayores que las de la dinámica molecular real (de ahí la noción de partículas "ficticias").

Otros métodos que combinan elementos de la dinámica de continuo y de partículas incluyen la hidrodinámica de partículas suavizadas , ^{[ 75 ] [ 76 ]} la dinámica de partículas disipativas , ^{[ 77 ]} y la dinámica de colisión de múltiples partículas . ^{[ 78 ]}

Los métodos de simulación microscópica trabajan directamente con las ecuaciones de movimiento (clásicas o cuánticas) de las moléculas constituyentes.