Propiedades del Agua
El conocimiento profundo de las propiedades del agua es esencial, ya que estas propiedades determinan cómo se comporta el agua en diferentes situaciones, desde el flujo en tuberías hasta el diseño de obras hidráulicas.
ESTADOS DEL AGUA
El agua puede existir en tres estados principales:
La transición entre estos estados depende de la temperatura y la presión, lo que es crucial en procesos como la climatización y el diseño de sistemas de generación de energía.
PRINCIPALES PROPIEDADES DEL AGUA
Es la cantidad de materia que contiene un objeto. Para el agua, se suele usar la unidad de kilogramos (kg) en el Sistema Internacional de Unidades. Es una propiedad directa.
Ejemplo: Si tenemos 2 litros de agua, la masa sería aproximadamente 2 kg, dado que 1 litro de agua tiene una masa de aproximadamente 1 kg.
\(m=volumen \times \ densidad\ =\ 0,002\ m^3\ \times 1000\ \frac{kg}{m^3}=2\ kg\)
El peso es la fuerza con la que la gravedad atrae a un objeto hacia la Tierra.
\(W = m \times g \)
Donde:
m: masa (kg)
g: aceleración debida a la gravedad ( \(9.81 \, \text{m/s}^2\) )
Ejemplo: Para 2 kg de agua, el peso sería:
\(W = 2 \, \text{kg} \times 9.81 \, \text{m/s}^2 = 19.62 \, \text{N} \)
El peso específico se define como el peso por unidad de volumen.
\(\gamma = \frac{W}{V} \)
Donde:
W: peso (N)
V: volumen (m³)
Ejemplo: Para el agua, con un peso específico típico de:
\(\gamma \approx 9,810 \, \text{N/m}^3 \)
La densidad es la masa por unidad de volumen.
\(\rho = \frac{m}{V} \)
Donde:
m: masa (kg)
V: volumen (m³)
Ejemplo: La densidad del agua a 4°C es aproximadamente:
\(\rho = 1000 \, \text{kg/m}^3 \)
La densidad relativa es la relación entre la densidad de una sustancia y la densidad de una sustancia de referencia, normalmente agua a 4°C.
\(\rho_{r} = \frac{\rho_{\text{sustancia}}}{\rho_{\text{agua}}} \)
Ejemplo: Para un líquido con densidad \(\rho = 800 \, \text{kg/m}^3\), la densidad relativa sería:
\(\rho_{r} = \frac{800 \, \text{kg/m}^3}{1000 \, \text{kg/m}^3} = 0.8 \)
El volumen específico es el volumen por unidad de masa.
\(v = \frac{V}{m} \)
Ejemplo: Para el agua:
\(v = \frac{1 \, \text{m}^3}{1000 \, \text{kg}} = 0.001 \, \text{m}^3/\text{kg} \)
La compresibilidad es una medida de cuánto disminuye el volumen de una sustancia bajo presión.
\(\beta = -\frac{1}{V} \left(\frac{\partial V}{\partial P}\right) \)
Ejemplo: Para el agua, la compresibilidad es muy baja, \(\beta \approx 4.6 \times 10^{-10} \, \text{Pa}^{-1}\), lo que significa que es casi incompresible.
El módulo de elasticidad es una medida de la rigidez de un material.
\(E = \frac{\text{tensión}}{\text{deformación}} \)
Ejemplo: Para el agua, el módulo de elasticidad es aproximadamente:
\(E \approx 2.2 \times 10^9 \, \text{Pa} \)
La viscosidad es la medida de la resistencia de un fluido a fluir.
\(\mu = \frac{\tau}{\frac{dv}{dy}} \)
Donde:
\(\tau \): tensión tangencial
\(\frac{dv}{dy} \): gradiente de velocidad
Ejemplo: La viscosidad dinámica del agua a 20°C es aproximadamente ( \(\mu = 1.002 \times 10^{-3} \, \text{Pa·s} ) \).
La tensión superficial es la energía requerida para aumentar la superficie de un líquido por unidad de área.
\(\sigma = \frac{F}{L} \)
Donde:
F: fuerza (N)
L: longitud (m)
Ejemplo: La tensión superficial del agua a 20°C es aproximadamente \(( \sigma = 0.0728 \, \text{N/m} ) \).
La capilaridad es la capacidad de un líquido de subir o bajar en un tubo estrecho debido a las fuerzas de adhesión y cohesión.
\(h = \frac{2\sigma \cos \theta}{\rho g r} \)
Donde:
h: altura de ascenso
\(\sigma \): tensión superficial
\(\theta \): ángulo de contacto
r: radio del tubo
La presión es la fuerza ejercida por unidad de área.
\(P = \frac{F}{A} \)
Donde:
F: fuerza (N)
A: área (m²)
Ejemplo: Si una fuerza de 10 N se aplica en un área de 0.01 m², la presión es:
\(P = \frac{10 \, \text{N}}{0.01 \, \text{m}^2} = 1000 \, \text{Pa} \)