Viscosidad dinámica, absoluta y cinemática

Visión general

La viscosidad cuantifica la resistencia interna de un fluido al flujo. Cuando capas adyacentes de fluido se mueven a diferentes velocidades, la fricción intermolecular genera tensiones cortantes. Dos medidas relacionadas capturan este comportamiento:

• Viscosidad dinámica (absoluta) ($\mu$) — la fuerza tangencial por unidad de área necesaria para mover un plano horizontal relativo a otro a velocidad unitaria mientras se mantiene la separación unitaria.
• Viscosidad cinemática ($\nu$) — la relación entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido, expresada sin unidades de fuerza.

Ambas cantidades dependen fuertemente de la temperatura; cualquier valor de viscosidad carece de sentido sin una temperatura de referencia.

Fórmulas clave

Ley de Newton de la fricción

Para un fluido newtoniano en flujo laminar, la tensión cortante entre capas de fluido es proporcional al gradiente de velocidad:

$\tau = \mu \frac{du}{dy}$

donde $\tau$ es la tensión cortante (Pa), $du/dy$ es el gradiente de velocidad perpendicular al flujo (1/s), y $\mu$ es la viscosidad dinámica (Pa·s).

Reordenando se obtiene la definición de la viscosidad dinámica:

$\mu = \frac{\tau}{du/dy}$

Viscosidad cinemática

La viscosidad cinemática se obtiene dividiendo la viscosidad dinámica por la densidad de masa:

$\nu = \frac{\mu}{\rho}$

Otras unidades de viscosidad

La viscosidad dinámica se expresa comúnmente como Pa s, N s/m², poise, centipoise, lbm/(ft s), o lbf s/ft². La viscosidad cinemática se expresa comúnmente como m²/s, Stokes, centiStokes, ft²/s, in²/s, o Saybolt Universal Seconds para productos petroleros.

Fluidos newtonianos

Los fluidos newtonianos tienen una viscosidad constante a una temperatura y presión dadas. La tensión cortante es directamente proporcional al gradiente de velocidad.

Fluidos de cizalladura decreciente o pseudoplásticos

Los fluidos de cizalladura decreciente disminuyen su viscosidad aparente a medida que aumenta la velocidad de cizalladura.

Fluidos tixotrópicos

Los fluidos tixotrópicos disminuyen su viscosidad con el tiempo cuando se someten a cizalladura y se recuperan parcial o totalmente cuando se dejan en reposo.

Fluidos dilatantes

Los fluidos dilatantes o de cizalladura creciente aumentan su viscosidad aparente a medida que aumenta la velocidad de cizalladura.

Fluidos plásticos de Bingham

Los fluidos plásticos de Bingham resisten el flujo hasta que se supera una tensión de fluencia, luego fluyen aproximadamente como un fluido viscoso.

Medición de la Viscosidad

La viscosidad dinámica se mide comúnmente con viscosímetros rotativos, viscosímetros de bola caída y métodos capilares. La viscosidad cinemática a menudo se mide con viscosímetros capilares calibrados o de flujo, como los instrumentos Saybolt.

Conversión Imperial

Al convertir de centipoise y peso específico (lb/ft³) a viscosidad cinemática en ft²/s:

$\nu = 6.7197 \times 10^{-4} \frac{\mu}{\gamma}$

Variables

Calculadora Rápida

Los valores predeterminados aproximan agua a 20 °C — ajuste las entradas para otros fluidos.

Ejemplo - Aire, Conversión entre Viscosidad Cinemática y Absoluta

El ejemplo de origen para el aire se preserva explícitamente aquí. Para aire con viscosidad absoluta aproximadamente 1.983e-5 Pa s y densidad aproximadamente 1.205 kg/m3, la viscosidad cinemática es:

$\nu = \frac{\mu}{\rho} = \frac{1.983 \times 10^{-5}}{1.205} = 1.65 \times 10^{-5}\ \text{m}^2/\text{s}$

Eso es aproximadamente 16.5 cSt porque 1 m2/s = 1,000,000 cSt.

Conversiones de Unidades

Viscosidad Dinámica

Referencia: El agua a 20.2 °C (68.4 °F) tiene una viscosidad dinámica de 1 cP.

Viscosidad Cinemática

Referencia: El agua a 20 °C tiene una viscosidad cinemática de aproximadamente 1.0 cSt.

Viscosidad de Líquidos Comunes

Viscosidad Cinemática vs. Segundos Saybolt

Viscosidad Cinemática vs. Temperatura

La fuente original incluye una imagen de gráfico para la viscosidad cinemática en función de la temperatura. El gráfico interactivo a continuación conserva lecturas de curvas representativas para fluidos y gases comunes para que las tendencias puedan inspeccionarse numéricamente; use datos del fabricante para interpolación crítica en el diseño.

Tipos de Comportamiento de Fluidos

No todos los fluidos siguen la ley lineal de Newton de esfuerzo-tasa de deformación. Varias categorías describen el comportamiento no newtoniano:

Tablas Restauradas de la Fuente Original

Las siguientes tablas se restauran de la página de la fuente original para preservar los datos de referencia completos.

Líquidos - Viscosidades Absolutas

Líquidos Comunes - Viscosidades

Imágenes de fuentes originales

Las siguientes imágenes de fuentes originales se conservan para evitar perder material de referencia visual. Cuando una imagen contiene datos de gráficos o tabulares, sus valores extraídos se representan en las tablas de la página, calculadoras o gráficos interactivos; las imágenes restantes se conservan como referencias visuales de origen.

Notas de ingeniería

• La temperatura es crítica. Para los líquidos, la viscosidad disminuye a medida que aumenta la temperatura. Para los gases, la viscosidad aumenta con la temperatura. Siempre informe o consulte la viscosidad a una temperatura especificada.
• Temperaturas de referencia en ISO 8217: Los combustibles residuales se caracterizan a 100 °C; los combustibles destilados a 40 °C.
• Selección del tipo de viscosidad correcto. Use la viscosidad dinámica al calcular fuerzas de corte, caídas de presión o resistencia. Use la viscosidad cinemática para flujo en canales abiertos, especificaciones de lubricación y clasificación de combustibles.
• Consistencia de unidades. Mezclar unidades de viscosidad SI e imperiales es una fuente común de error. Al usar la fórmula de viscosidad cinemática $\nu = \mu / \rho$, asegúrese de que tanto $\mu$ como $\rho$ usen sistemas de unidades consistentes.
• Viscosidad del vidrio. La viscosidad extremadamente alta que se indica para el vidrio refleja un comportamiento amorfo casi sólido a temperatura ambiente; el vidrio fundido a temperaturas de procesamiento (1000–1400 °C) tiene viscosidades muchos órdenes de magnitud más bajas.
• Métodos de medición. La viscosidad dinámica se mide comúnmente con viscosímetros rotacionales (Brookfield, cono-placa). La viscosidad cinemática se mide con viscosímetros capilares (Ubbelohde, Cannon-Fenske) o de flujo (Saybolt, Redwood).

Referencias

• Engineering Toolbox — Viscosidad dinámica, absoluta y cinemática