[Mecánica de fluidos I] Líquidos, gases y plasmas

En la introducción a la mecánica de fluidos hablamos sobre la diferencia fundamental entre sólidos y fluidos: la capacidad de cambiar de forma, es decir, de fluir. Sin embargo, aunque todos los fluidos tengan esta característica en común, existen otras diferencias en su comportamiento que merecen un capítulo aparte. Aprovecharemos, además, para adquirir una idea general sobre cómo y por qué fluyen este tipo de medios, y para definir un concepto que nos será utilísimo más adelante: la densidad.

¿Preparado?

La mejor manera de entender las diferencias entre los distintos estados de agregación es empezar con uno y luego ir modificando las propiedades poco a poco. En mi opinión, una de las formas más intuitivas de hacerlo es empezar con los sólidos para luego caer por la “escalera del caos” hacia estados menos ordenados.

Sí, este bloque no está dedicado a los sólidos, pero como verás más adelante los usaremos como referencia varias veces, de modo que permite que nos detengamos un momento en ellos antes de zambullirnos –qué chispa tengo, ¿eh?– en líquidos y otros fluidos aún más interesantes.

Sólidos

Es imposible comprender las causas del distinto comportamiento de sólidos, líquidos, gases y plasmas sin entender cuál es su estructura microscópica, ya que ésa es la razón de que se comporten de diferente manera. Desde luego, aquí no vamos a dar un tratado sobre fuerzas intermoleculares y vamos a simplificar bastante las cosas, pero es necesario conocer el modelo básico de cada estado.

Como seguro que sabes, toda la materia a nuestro alrededor está formada por partículas microscópicas: pueden ser moléculas, átomos o incluso protones, neutrones y electrones sueltos, pero ahora mismo eso nos da igual. Lo esencial es la naturaleza discreta de la materia, a pesar de que nos sea imposible discernir esa naturaleza discreta y podamos considerar, en nuestras ecuaciones, que muchos objetos son continuos, como ya vimos en la introducción al bloque.

Lo que distingue unos medios de otros es, fundamentalmente, cómo están asociadas esas partículas. Puedes imaginar cada una de ellas como una minúscula canica de un metal enormemente denso, y cada objeto como un conjunto de billones de esas minúsculas canicas.

Para imaginar un sólido y su comportamiento, intenta visualizar la siguiente escena: la miríada de pequeñas canicas están unidas unas a otras mediante pequeñas barras metálicas, finísimas pero increíblemente resistentes. Cada canica está soldada a las barras que la rodean, que a su vez están soldadas a más canicas. El resultado es una gran red formada por infinidad de canicas unidas unas a otras mediante esas barras metálicas.

Modelo microscópico de un sólido ideal (fdecomite / CC 2.0 Attribution License).

Desde luego, en la realidad no hay “barras”: lo que mantiene las partículas que forman el sólido en esas posiciones son fuerzas eléctricas entre ellas, pero es más sencillo imaginarlos así para nuestro propósito en este bloque, que es estudiar cómo se mueven unas partes del objeto respecto a otras. En el caso de un sólido nada se mueve por su lado: es posible mover el objeto como un todo, pero las posiciones y distancias relativas de las partículas que lo constituyen no cambian jamás.

¿Y la temperatura?

Si sabes algo de termodinámica tal vez estés arqueando la ceja ante ese jamás tan categórico… y sí, tienes razón.

Dado que la temperatura de un cuerpo está relacionada con la velocidad con la que se mueven sus partículas, estrictamente hablando el único cuerpo en el que las distancias entre “canicas” no cambian nunca sería uno a la temperatura más baja posible, el cero absoluto. En un sólido real las partículas vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio tanto más rápido cuanto más caliente está el cuerpo.

Sin embargo, dado que en este bloque nos preocuparemos por el movimiento macroscópico de las cosas, esos movimientos microscópicos tan nimios no son importantes. Si quieres profundizar un poco más en esa parte del comportamiento de los cuerpos es mejor que leas el bloque dedicado a ese asunto, Termodinámica I.

En lo que a nosotros respecta al estudiar la mecánica de los cuerpos, lo esencial de un sólido ideal es que se mueve como un todo. Permíteme que ponga un ejemplo un poco tonto para luego modificarlo al hablar de los otros estados. Imagina un cubo sólido de 1000 kg de masa y un metro de lado; imagina ahora, paciente y estimado lector, que pongo ese cubo de 1 m³ sobre tu cabeza. El desenlace sería bastante desagradable para ti, y creo que no hace falta que entre en más detalles –lo haré cuando modifiquemos el ejemplo al hablar de líquidos y gases–.

En nuestro modelo de “canicas y barras”, lo que distingue a unos sólidos de otros en su interacción con los fluidos es básicamente la masa de las canicas y la longitud de las barras: es posible, por ejemplo, que las distancias intermoleculares –si las partículas que forman el objeto son moléculas– sean muy grandes, de modo que las canicas estén muy separadas unas de otras, o que por el contrario estén muy cerca; es posible que cada canica tenga una gran masa, si se trata de un elemento muy pesado, o que cada canica sea muy ligera si es un elemento ligero.

Pero, independientemente de la causa, es posible cuantificar esta propiedad de un modo bastante sencillo, definiendo una magnitud que nos diga cuánta masa hay en un volumen determinado del sólido, ya sea por la distancia entre partículas, por la masa de cada partícula o una combinación de ambos factores. Y esta magnitud, que utilizaremos mucho a lo largo del bloque, no es otra que la densidad.

Densidad

El origen de la densidad como concepto es muy antiguo, y la base del concepto es la necesidad de comparar lo pesados que son los distintos materiales.

La clave de la cuestión es precisamente ésa: comparar materiales, no cuerpos concretos. No vale tomar un trozo de acero de 1 kg y un trozo de madera de 500 kg y deducir, por tanto, que la madera en general es más pesada que el acero en general: eso no tendría ningún sentido. Tampoco lo tiene comparar 1 kg de plomo con 1 kg de paja y concluir que la paja pesa, como material, lo mismo que el plomo. Por un lado no queremos comparar objetos concretos sino los materiales en sí, independientemente del objeto; pero por otro lado no podemos pesar “plomo en general” y “madera en general”, sólo podemos pesar objetos concretos.

La solución es simplemente tomar objetos del mismo volumen. Así, si comparamos dos objetos de 5 m³, uno de acero y otro de corcho, el de acero pesará muchísimo más que el de corcho. Pero si tomamos objetos de los mismos materiales y de 10 m³ sucederá lo mismo, e igual si comparamos cualquier par de objetos del mismo volumen, uno de acero y otro de corcho. De hecho, la relación numérica entre las masas de ambos objetos –siempre que los dos tengan el mismo volumen, claro– se mantendrá constante para cualquier volumen: si un trozo de corcho pesa 1 kg y el trozo de acero del mismo tamaño pesa 20 kg, entonces si tomamos un trozo de corcho de 1 tonelada el trozo de acero del mismo tamaño que él pesará 20 toneladas.

Puesto que da igual qué volumen se tome siempre que sea el mismo para todos los objetos, tiene todo el sentido del mundo emplear como “volumen de referencia” la unidad de volumen, es decir, el metro cúbico. Así, la densidad de un material se define del siguiente modo:

La densidad es la masa por unidad de volumen.

Por lo tanto, para conocer la densidad de un material basta con obtener un objeto de 1 m³ de ese material, pesarlo y listo. Naturalmente, también es posible obtener un objeto de 10 m³, pesarlo y luego dividir la masa por diez para conocer la masa por cada metro cúbico, o pesar un objeto de tan sólo 0,1 m³ y luego multiplicar su masa por diez. Lo esencial es siempre utilizar como referencia final el metro cúbico, de modo que el tamaño del objeto que estemos estudiando no influya en el resultado.

Unidad de la densidad – El kilogramo por metro cúbico

Puesto que la densidad es la masa por unidad de volumen, sus unidades son precisamente ésas: las de masa entre las de volumen. A pesar de que es una magnitud muy utilizada, no ha recibido un “nombre propio”, como sucede con otras unidades que veremos en este mismo bloque. Esto hace que su definición sea un tanto perogrullesca:

Un kg/m³ es la densidad de un objeto de masa 1 kg que ocupa un volumen de 1 m³.

Sin embargo, ¿cuánto es eso? ¿mucho, poco o regular? Si vas a aprovechar este bloque debes tener, al menos, una idea aproximada de qué significa una densidad concreta, ya que como veremos es una magnitud esencial para conocer lo que le sucede a las cosas inmersas en un fluido.

Un metro cúbico de hormigón (Rama/Creative Commons Atribution Sharealike 2.0 France).

En este caso es posible estimarlo sin demasiados problemas: 1 kg es la masa de un paquete de arroz típico, y 1 m³ es un cubo de un metro de ancho, un metro de largo y otro de alto. Si repartes el arroz en todo ese volumen, la densidad resultante es 1 kg/m³. En resumen, la unidad de densidad es muy pequeña, y la mayor parte de los objetos a nuestro alrededor tienen densidades bastante mayores.

Como siempre, la mejor manera de visualizar unidades es precisamente con ejemplos de la vida real. La densidad del hierro es de unos 7 000 kg/m³, la del hormigón de unos 2 400 kg/m³ y la del cartón unos 700 kg/m³. Más importante aún es conocer la densidad aproximada de los dos fluidos más importantes en nuestra vida –tan importante es que son las únicas dos densidades que exijo memorizar a mis alumnos–: el agua y el aire. Pero hablaremos de ellas al hacerlo de cada uno de esos dos tipos de fluido.

¡Ojo! Los sólidos no son más densos que los fluidos

Es muy común caer en el error de pensar que un sólido, por el hecho de serlo, es más denso que un líquido, y que los líquidos son a su vez más densos que los gases. Esto es, sin embargo, una mentira como un piano de cola.

La razón de que tengamos esta idea en la cabeza es que, efectivamente, en los objetos a nuestro alrededor sucede muy a menudo: un clavo es más denso que el agua, y el agua es más densa que el aire. Sin embargo, la densidad del mercurio líquido a temperatura ambiente es de unos 13 500 kg/m³, de modo que es unas cinco veces más denso que el hormigón.

No: lo que distingue a unos de otros no es lo densos que son o dejan de ser, sino la movilidad de sus partículas unas respecto a otras. Es posible tener partículas en posiciones fijas pero bastante alejadas o viceversa.

Líquidos

Ya hemos visto qué tienen en común los estados fluidos de la materia: la carencia de forma propia. En todos ellos, las partículas que forman el medio no se encuentran en posiciones fijas, como sucedería en un sólido, sino que pueden deslizarse y moverse unas respecto a otras. En términos de nuestras canicas y barras, aquí no hay barras, sino canicas que no tienen posiciones fijas.

Ahora bien, ¿en qué se diferencian los tres estados fluidos? Tener clara esta diferencia hará mucho más fácil atacar problemas teóricos más adelante; por eso, aunque sea algo razonablemente sencillo, quiero dejarlo bien asentado antes de seguir con el bloque. No hace falta que diga que un fluido real no se adecúa perfectamente a las características de ninguno de los tres estados ideales que son, precisamente, “moldes teóricos” de comportamiento.

De los tres estados, el líquido es el más parecido a un sólido. Puede fluir, desde luego, pero la distancia entre moléculas apenas cambia. Es algo parecido a harina extremadamente fina: los granos siempre están tocándose, pero pueden deslizarse unos sobre otros de modo que la harina tome una forma u otra.

En términos de las canicas, es algo así como un montón de pequeñas bolas imantadas: pueden moverse y adaptarse a la forma del recipiente que las contenga, pero no se alejarán unas de otras, sino que permanecerán en contacto –orientándose además según los polos magnéticos de cada una, pero eso nos da igual ahora mismo–. Como puedes ver, es un paso hacia el caos y la flexibilidad respecto a los sólidos: en aquéllos no cambia ni forma ni volumen, pero aquí puede cambiar la forma (por eso es un fluido), aunque todavía no el volumen (por eso es un líquido y no otro fluido).

Dicho de otra manera, un líquido ideal tiene siempre el mismo volumen, es decir, es incompresible (no incomprensible, por cierto, salvo que sea un fluido que se explica muy mal). Por mucho que intentes expandirlo o comprimirlo no podrás, ya que hacer eso significaría alterar la distancia entre moléculas: apretar unas contra otras o alejar unas de otras. Y eso no puede suceder por la propia definición del líquido. La razón de que los líquidos se comporten así, por cierto, es que las fuerzas intermoleculares son lo suficientemente intensas como para mantener ese statu quo de distancia.

Puedes pensar en ello así, aunque sea una simplificación: en un líquido, las moléculas están lo más cerca que pueden estar, “tocándose”. Por tanto, no pueden acercarse más. Además, esas moléculas sienten la suficiente atracción unas por otras como para no alejarse, con lo que la consecuencia conjunta de ambas cosas es que la distancia siempre permanezca igual.

Gota de agua (Fir0002/Flagstaffotos/Gnu Free Documentation License 1.2).

Si volvemos al ejemplo del objeto de 1 000 kg de masa y 1 m³ de volumen que yo ponía sobre tu cabeza, imaginemos ahora que no es un sólido, sino un líquido. De hecho imaginemos que es el líquido más importante para nosotros, el agua, ya que ésa es precisamente la densidad del agua: 1 000 kg/m³. Ya sé que puede parecer un número muy grande, pero recuerda que la unidad de densidad es muy pequeña, y que un metro cúbico de agua –es decir, mil litros– es mucha agua.

¿Qué te sucedería si pusiera ese cubo de agua sobre tu cabeza –sin paredes ni recipiente, claro–? Pues muy poco. El agua se deslizaría sobre ti, caería al suelo y te mojaría, pero poco más: algo muy diferente del caso anterior en el que poníamos un bloque sólido sobre tu testa. Sé que esto puede parecer una obviedad, pero para afrontar el siguiente bloque, piensa en ello así: tu cabeza no ha interaccionado con toda el agua ni ha recibido el peso de todo el bloque de agua, sino sólo parte de él.

En el caso del sólido, aunque sólo algunas moléculas tocaban tu cabeza, la fuerza que hacía el bloque sobre ella era mucho mayor, porque unas moléculas “tiraban” de otras, al tener posiciones fijas, obligando al bloque a comportarse como un todo empujando, cayendo y moviéndose. Pero ahora la cosa no es igual: unas moléculas del agua pueden empujar tu cabeza, otras pueden caer deslizándose… la libertad de movimiento de las moléculas en el líquido cambia completamente su comportamiento, y de eso hablaremos en el siguiente capítulo del bloque.

Gases

Un gas supone un paso más hacia el caos: ahora ni siquiera la distancia entre partículas es constante. En términos de nuestras canicas es algo así como tener las bolas moviéndose a gran velocidad, al azar, rebotando en las paredes de una habitación. Por lo tanto, un gas es un fluido compresible: es posible forzar las partículas a acercarse unas a otras o alejarse unas de otras.

La primera consecuencia de esto es que la densidad de un gas puede variar con gran facilidad, a diferencia de sólidos y líquidos. Un ejemplo muy fácil es un globo: si aprietas las paredes, el gas dentro se comprime. Por eso es más difícil hablar de la densidad de un gas en general — siempre hace falta especificar a qué presión y a qué temperatura. Para ahorrar palabras, es común hablar de la densidad de un gas en condiciones normales, con lo que nos referimos a la presión atmosférica normal y una temperatura de 0 °C.

El gas más importante para nosotros, sin duda, es el aire. Químicamente es, desde luego, una mezcla de cosas, fundamentalmente nitrógeno molecular y oxígeno molecular, pero ahora mismo eso nos da igual, ya que lo que nos interesa es su comportamiento mecánico. La densidad del aire que te rodea ahora mismo, salvo que estés en un sitio un poco raro, seguramente es de unos 1,2 kg/m³, es decir, tan sólo un poco superior a la unidad de densidad, y unas ochocientas veces menos denso que el agua. Pero, como he dicho antes, no es difícil variar esta densidad si cambia la temperatura o la presión.

Pero… ¡si el aire no pesa!

Ésta es una idea que muchos tenemos en la cabeza: que el aire no pesa. En algunas ocasiones la idea se refiere a otros gases distintos del aire, como el helio: el helio sube, luego no pesa. Esto es, desde luego, más falso que Barrabás.

Cualquier cosa con masa sufre la acción de la gravedad y, por tanto, tiene peso. A consecuencia de ello, es atraído hacia el centro de la Tierra con una fuerza que depende de su masa –una fuerza que se llama, no por casualidad, peso–. Por lo tanto, todo lo que tiene masa tiene peso.

Si el aire, por ejemplo, no pesara, no habría nada que lo retuviese sobre la superficie de la Tierra, escaparía al espacio a lo largo del tiempo y todos estaríamos muertos. Puesto que tanto tú como yo estamos vivos y respirando, el aire pesa y por eso sigue aquí, apretado contra la superficie de la Tierra y proporcionándonos oxígeno.

Respecto al helio y otros gases más ligeros, puesto que tienen masa, también pesan: de la razón de que parezca que no pesan hablaremos al hacerlo de la flotabilidad. Por si tienes curiosidad, la densidad del helio es de unos 0,18 kg/m³, casi siete veces más ligero que el aire.

Si soltásemos un objeto gaseoso de 1 000 kg de masa y 1 m³ de volumen sobre tu cabeza –y para conseguir algo así tendríamos que comprimirlo mucho– la situación no sería muy distinta de la del líquido anterior: puesto que el gas fluye, no interaccionarías con todo el cubo de gas, sino sólo con la parte que toca tu cabeza. Además, la libertad absoluta de movimiento de las partículas del gas seguramente haría que muchas salieran disparadas en todas direcciones, de modo que ni siquiera se acercarían demasiado a ti.

Las partículas que forman los gases suelen moverse a tal velocidad y con tal libertad que tienden a ocupar todo el espacio disponible para ellas –salvo que pasen ciertas cosas, pero de eso hablaremos más adelante–. Los gases son, por lo tanto, bastante más difíciles de retener y mantener bajo control que los líquidos: enseguida se escapan de los recipientes que los contienen. Es posible, por ejemplo, tener un líquido en un recipiente y verterlo sobre otro, pero hacer lo mismo con un gas es mucho más complicado, salvo que sea un gas más denso que el aire. Hace bastante tiempo hicimos aquí mismo un experimento en el que se ponía de manifiesto precisamente eso en el caso del dióxido de carbono.

Plasmas

Aunque en este bloque nos dedicaremos principalmente a los fluidos más comunes a nuestro alrededor –líquidos y gases–, no está de más tener una idea del comportamiento del tercer tipo de fluidos, los plasmas. En muchas cosas se parecen a los gases, pero en otras son completamente distintos de cualquier otro estado de la materia.

Las cosas que nos rodean están formadas por moléculas o átomos sueltos. Tanto unas como otros, a su vez, están compuestos de partículas más pequeñas –electrones, protones y neutrones–, algunas de las cuales tienen carga eléctrica. Pero, en cualquier sólido, líquido o gas normal, las cargas eléctricas están compensadas en cada molécula o átomo. Por poner un ejemplo concreto: el átomo de hidrógeno más simple que existe está formado por un protón (con carga positiva) y un electrón (con carga negativa). Por lo tanto, cada átomo de hidrógeno no tiene carga neta, ya que ambas se compensan.

Si tienes un montón de hidrógeno formado por billones de átomos, la cosa no cambia: sigue habiendo billones de protones unidos a billones de electrones, con lo que la carga neta de cada átomo es nula. Pero ¿qué pasaría si consiguieras separar los protones de los electrones? Haría falta calentar mucho el gas, o bien someterlo a campos electromagnéticos muy intensos, pero es posible hacerlo (de hecho, lo hacemos todo el tiempo en varios de nuestros aparatos tecnológicos). ¿Qué tendríamos entonces?

Lo que tendríamos sería el mismo número de protones y electrones de antes pero, en vez de unidos en parejas protón-electrón sin carga eléctrica, estarían todos sueltos, protones y electrones libres moviéndose cada uno a su albedrío. En palabras más técnicas, tendrías un gas ionizado –puesto que las partículas con carga eléctrica no nula se llaman iones–, es decir, un plasma.

En otras palabras, un plasma es algo así como una sopa de cargas eléctricas. Es un paso más hacia el caos; puede parecer que es básicamente lo mismo que antes, pero no es así. Hay multitud de cosas que pueden sucederle a las cargas eléctricas “sueltas” cuando se las somete a campos eléctricos y magnéticos que las cargas “compensadas” no notan. Si se somete un plasma a un campo electromagnético más o menos intenso, en él pueden formarse corrientes eléctricas, remolinos y muchos otros fenómenos bastante complicados.

Por esa razón es bastante más complicado estudiar los plasmas que los gases, aunque se parezcan en otras cosas. De hecho, es muy difícil estudiar plasmas empleando únicamente la mecánica, ya que el electromagnetismo es fundamental para entender su comportamiento, al ser tan sensibles a él. Ésa es la segunda razón de que en este bloque no hablemos mucho de los plasmas: hace falta combinar mecánica con otras partes de la Física para entenderlos, pero éste es un bloque introductorio. ¡Algún día!

Al principio he dicho que los fluidos más comunes a nuestro alrededor son líquidos y gases, y esto es cierto. Sin embargo, si abrimos la mirada al Universo entero, la cosa cambia mucho: casi todo lo que existe es un plasma. De hecho, podríamos decir que el Universo es un plasma de hidrógeno con impurezas. Y nosotros, claro, somos una de esas impurezas. La razón es que las estrellas son básicamente hidrógeno en forma de plasma, y gran parte de la materia interestelar e intergaláctica está también ionizada.

El Sol, alias “inmensa bola de plasma” (NASA).

Ideas clave

Para afrontar el resto del bloque deben haberte quedado meridianamente claras las siguientes ideas:

• En un sólido no cambian nunca ni las posiciones ni las distancias entre las partículas que forman el cuerpo.

• Un líquido es un fluido incompresible, por lo que cambian las posiciones pero no las distancias de las partículas.

• Un gas es un fluido compresible en el que pueden cambiar tanto posiciones como distancias de partículas que componen el cuerpo.

• Un plasma es un gas ionizado en el que las cargas están sueltas, con lo que su comportamiento viene determinado en gran parte por el electromagnetismo.

• La densidad de un medio es su masa por unidad de volumen.

• La unidad de densidad es el kilogramo por cada metro cúbico (kg/m³).

Hasta la próxima…

En la próxima entrega haremos énfasis en algo que hemos mencionado hoy: el hecho de que no interaccionas con un fluido en su totalidad, sino sólo con parte de él. Nos dedicaremos, por tanto, a hablar de la presión. Mientras tanto, ya que volveremos a ello en un par de capítulos, practicaremos un poco con la densidad.

Desafío 1 – Densidad

Aunque en este tipo de bloques no hagamos demasiados cálculos, es importante asimilar el concepto de densidad con números, sobre todo al comparar densidades con las del agua (recuerda, 1 000 kg/m³) y el aire (1,2 kg/m³). De manera que hagamos exactamente eso…

El objetivo de este pequeño desafío es que ordenes los siguientes objetos del menos denso al más denso:

1. Una bola de goma cuya densidad es el 80% de la del agua.

2. Un anillo de oro (búscate la vida).

3. Un tornillo de 10 gramos y 10^-6 m³.

4. Un trozo de madera de 0,5 kg y un volumen de 0,8 m³.