Propiedades de fluidos comunes
Las propiedades de los fluidos determinan su comportamiento en aplicaciones de transferencia de calor, flujo en tuberías y lubricación. La densidad, viscosidad, calor específico y conductividad térmica varían con la temperatura y la presión, por lo que los datos de referencia se presentan a condiciones de saturación. El agua es el fluido de trabajo más común; sus propiedades se listan como base de diseño. Para otros fluidos como aceites, se indican valores típicos a temperatura ambiente para comparación.
Propiedades físicas
Sección titulada «Propiedades físicas»Las propiedades físicas más relevantes para el diseño de sistemas con fluidos son la densidad (ρ), la viscosidad dinámica (μ) o cinemática (ν), el calor específico (cp), la conductividad térmica (k) y la tensión superficial. En el caso del agua, las propiedades cambian notablemente con la temperatura; a 20 °C / 68 °F, la densidad del agua líquida saturada es 998,2 kg/m³ / 62,3 lb/ft³ y su viscosidad dinámica es 1,002×10⁻³ Pa·s / 2,09×10⁻⁵ lbf·s/ft².
Viscosidad
Sección titulada «Viscosidad»La viscosidad dinámica del agua disminuye al aumentar la temperatura, desde 1,79×10⁻³ Pa·s / 3,74×10⁻⁵ lbf·s/ft² a 0 °C / 32 °F hasta 0,28×10⁻³ Pa·s / 5,8×10⁻⁶ lbf·s/ft² a 100 °C / 212 °F en condiciones de saturación. La viscosidad cinemática (ν = μ/ρ) sigue una tendencia similar. En aceites comunes la viscosidad es mucho mayor; por ejemplo, un aceite SAE 30 tiene una viscosidad dinámica cercana a 0,29 Pa·s / 6,1×10⁻³ lbf·s/ft² a 20 °C / 68 °F. El número de Reynolds, que caracteriza el régimen de flujo, depende directamente de la viscosidad.
| Temperatura | Viscosidad dinámica μ | Viscosidad cinemática ν |
|---|---|---|
| 0 °C / 32 °F | 1,79×10⁻³ Pa·s / 3,74×10⁻⁵ lbf·s/ft² | 1,79×10⁻⁶ m²/s / 1,93×10⁻⁵ ft²/s |
| 20 °C / 68 °F | 1,00×10⁻³ Pa·s / 2,09×10⁻⁵ lbf·s/ft² | 1,00×10⁻⁶ m²/s / 1,08×10⁻⁵ ft²/s |
| 40 °C / 104 °F | 0,65×10⁻³ Pa·s / 1,36×10⁻⁵ lbf·s/ft² | 0,66×10⁻⁶ m²/s / 7,1×10⁻⁶ ft²/s |
| 60 °C / 140 °F | 0,47×10⁻³ Pa·s / 9,8×10⁻⁶ lbf·s/ft² | 0,48×10⁻⁶ m²/s / 5,1×10⁻⁶ ft²/s |
| 80 °C / 176 °F | 0,36×10⁻³ Pa·s / 7,5×10⁻⁶ lbf·s/ft² | 0,37×10⁻⁶ m²/s / 4,0×10⁻⁶ ft²/s |
| 100 °C / 212 °F | 0,28×10⁻³ Pa·s / 5,8×10⁻⁶ lbf·s/ft² | 0,29×10⁻⁶ m²/s / 3,1×10⁻⁶ ft²/s |
Densidad
Sección titulada «Densidad»La densidad del agua líquida saturada alcanza un máximo a 4 °C / 39 °F con 1000 kg/m³ / 62,4 lb/ft³, y disminuye tanto al calentarse como al enfriarse. A 20 °C / 68 °F el valor es 998,2 kg/m³ / 62,3 lb/ft³. La densidad del vapor saturado es varios órdenes de magnitud menor; por ejemplo, a 100 °C / 212 °F el vapor tiene una densidad de 0,60 kg/m³ / 0,037 lb/ft³. La densidad de aceites típicos varía entre 850 kg/m³ / 53 lb/ft³ y 950 kg/m³ / 59 lb/ft³ a temperatura ambiente.
| Temperatura | Densidad del líquido | Densidad del vapor |
|---|---|---|
| 0 °C / 32 °F | 999,8 kg/m³ / 62,4 lb/ft³ | 0,0048 kg/m³ / 0,00030 lb/ft³ |
| 20 °C / 68 °F | 998,2 kg/m³ / 62,3 lb/ft³ | 0,017 kg/m³ / 0,0011 lb/ft³ |
| 40 °C / 104 °F | 992,2 kg/m³ / 61,9 lb/ft³ | 0,051 kg/m³ / 0,0032 lb/ft³ |
| 60 °C / 140 °F | 983,2 kg/m³ / 61,4 lb/ft³ | 0,13 kg/m³ / 0,0081 lb/ft³ |
| 80 °C / 176 °F | 971,8 kg/m³ / 60,7 lb/ft³ | 0,29 kg/m³ / 0,018 lb/ft³ |
| 100 °C / 212 °F | 958,4 kg/m³ / 59,8 lb/ft³ | 0,60 kg/m³ / 0,037 lb/ft³ |
Calor específico y conductividad térmica
Sección titulada «Calor específico y conductividad térmica»El calor específico del agua líquida es alto, alrededor de 4,18 kJ/(kg·K) / 1,0 Btu/(lb·°F) a temperatura ambiente, lo que la convierte en un excelente medio de almacenamiento térmico. La conductividad térmica del agua líquida aumenta con la temperatura, desde 0,56 W/(m·K) / 0,32 Btu/(h·ft·°F) a 0 °C / 32 °F hasta 0,68 W/(m·K) / 0,39 Btu/(h·ft·°F) a 100 °C / 212 °F. Los aceites poseen calores específicos menores, típicamente de 1,5 a 2,0 kJ/(kg·K) / 0,36-0,48 Btu/(lb·°F), y conductividades térmicas de 0,10 a 0,15 W/(m·K) / 0,058-0,087 Btu/(h·ft·°F).
| Temperatura | Calor específico cp | Conductividad térmica k |
|---|---|---|
| 0 °C / 32 °F | 4,217 kJ/(kg·K) / 1,007 Btu/(lb·°F) | 0,561 W/(m·K) / 0,324 Btu/(h·ft·°F) |
| 20 °C / 68 °F | 4,182 kJ/(kg·K) / 0,999 Btu/(lb·°F) | 0,598 W/(m·K) / 0,345 Btu/(h·ft·°F) |
| 40 °C / 104 °F | 4,178 kJ/(kg·K) / 0,998 Btu/(lb·°F) | 0,631 W/(m·K) / 0,364 Btu/(h·ft·°F) |
| 60 °C / 140 °F | 4,184 kJ/(kg·K) / 0,999 Btu/(lb·°F) | 0,654 W/(m·K) / 0,378 Btu/(h·ft·°F) |
| 80 °C / 176 °F | 4,196 kJ/(kg·K) / 1,002 Btu/(lb·°F) | 0,670 W/(m·K) / 0,387 Btu/(h·ft·°F) |
| 100 °C / 212 °F | 4,216 kJ/(kg·K) / 1,007 Btu/(lb·°F) | 0,679 W/(m·K) / 0,392 Btu/(h·ft·°F) |
Tabla de referencia
Sección titulada «Tabla de referencia»La tabla siguiente integra las propiedades del agua líquida saturada desde 0 °C / 32 °F hasta 100 °C / 212 °F en incrementos de 20 °C / 36 °F. Los datos son esenciales para cálculos de intercambiadores de calor, sistemas de bombeo y modelos de convección.
| Temperatura | Densidad ρ | Viscosidad dinámica μ | Calor específico cp | Conductividad k | Número de Prandtl Pr |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 °C / 32 °F | 999,8 kg/m³ / 62,4 lb/ft³ | 1,79×10⁻³ Pa·s / 3,74×10⁻⁵ lbf·s/ft² | 4,217 kJ/(kg·K) / 1,007 Btu/(lb·°F) | 0,561 W/(m·K) / 0,324 Btu/(h·ft·°F) | 13,5 |
| 20 °C / 68 °F | 998,2 kg/m³ / 62,3 lb/ft³ | 1,00×10⁻³ Pa·s / 2,09×10⁻⁵ lbf·s/ft² | 4,182 kJ/(kg·K) / 0,999 Btu/(lb·°F) | 0,598 W/(m·K) / 0,345 Btu/(h·ft·°F) | 7,0 |
| 40 °C / 104 °F | 992,2 kg/m³ / 61,9 lb/ft³ | 0,65×10⁻³ Pa·s / 1,36×10⁻⁵ lbf·s/ft² | 4,178 kJ/(kg·K) / 0,998 Btu/(lb·°F) | 0,631 W/(m·K) / 0,364 Btu/(h·ft·°F) | 4,3 |
| 60 °C / 140 °F | 983,2 kg/m³ / 61,4 lb/ft³ | 0,47×10⁻³ Pa·s / 9,8×10⁻⁶ lbf·s/ft² | 4,184 kJ/(kg·K) / 0,999 Btu/(lb·°F) | 0,654 W/(m·K) / 0,378 Btu/(h·ft·°F) | 3,0 |
| 80 °C / 176 °F | 971,8 kg/m³ / 60,7 lb/ft³ | 0,36×10⁻³ Pa·s / 7,5×10⁻⁶ lbf·s/ft² | 4,196 kJ/(kg·K) / 1,002 Btu/(lb·°F) | 0,670 W/(m·K) / 0,387 Btu/(h·ft·°F) | 2,2 |
| 100 °C / 212 °F | 958,4 kg/m³ / 59,8 lb/ft³ | 0,28×10⁻³ Pa·s / 5,8×10⁻⁶ lbf·s/ft² | 4,216 kJ/(kg·K) / 1,007 Btu/(lb·°F) | 0,679 W/(m·K) / 0,392 Btu/(h·ft·°F) | 1,7 |
Fórmulas de aplicación
Sección titulada «Fórmulas de aplicación»Las propiedades de los fluidos intervienen en numerosas correlaciones de ingeniería. La ley de Newton de la viscosidad define el esfuerzo cortante τ = μ (du/dy). El número de Reynolds, Re = ρ·v·D/μ, caracteriza el régimen de flujo (laminar si Re < 2300). La ecuación de Darcy-Weisbach para pérdida de carga en tuberías, hf = f (L/D) (v²/(2g)), requiere la viscosidad para calcular el factor de fricción f. En transferencia de calor, el número de Prandtl, Pr = cp·μ/k, relaciona la difusividad de momento y térmica; los números de Nusselt para convección forzada y natural son funciones del Re y Pr.
Criterios de selección
Sección titulada «Criterios de selección»La elección de un fluido de trabajo depende de los requisitos de transferencia de calor, lubricación, estabilidad química y rango de temperaturas. Un alto calor específico favorece el almacenamiento y transporte de energía (agua, aceites térmicos). La viscosidad alta mejora la lubricación pero aumenta las pérdidas por fricción; en sistemas hidráulicos se prefieren viscosidades entre 20 cSt / 2,2×10⁻⁵ ft²/s y 100 cSt / 1,1×10⁻⁴ ft²/s a la temperatura de operación. En sistemas de calefacción, la baja viscosidad y alta conductividad del agua la hacen preferible a los aceites. Para temperaturas superiores a 100 °C / 212 °F se emplean aceites térmicos o fluidos de siliconas con propiedades estables.
Preguntas frecuentes (FAQ)
Sección titulada «Preguntas frecuentes (FAQ)»¿Cuál es la viscosidad del agua a 20 °C?
Sección titulada «¿Cuál es la viscosidad del agua a 20 °C?»La viscosidad dinámica del agua a 20 °C / 68 °F es 1,002×10⁻³ Pa·s / 2,09×10⁻⁵ lbf·s/ft², correspondiente a una viscosidad cinemática de 1,004×10⁻⁶ m²/s / 1,08×10⁻⁵ ft²/s.
¿Cómo varía la densidad del agua con la temperatura?
Sección titulada «¿Cómo varía la densidad del agua con la temperatura?»La densidad del agua líquida saturada disminuye de 999,8 kg/m³ / 62,4 lb/ft³ a 0 °C / 32 °F hasta 958,4 kg/m³ / 59,8 lb/ft³ a 100 °C / 212 °F, mientras que el vapor saturado aumenta de 0,0048 kg/m³ / 0,00030 lb/ft³ a 0,60 kg/m³ / 0,037 lb/ft³ en el mismo rango.
¿Qué valor de calor específico tiene el agua?
Sección titulada «¿Qué valor de calor específico tiene el agua?»El agua líquida saturada tiene un calor específico promedio de 4,18 kJ/(kg·K) / 1,0 Btu/(lb·°F) entre 0 °C / 32 °F y 100 °C / 212 °F, con un máximo de 4,216 kJ/(kg·K) / 1,007 Btu/(lb·°F) en el punto de ebullición.
¿Cuál es la conductividad térmica del agua a 60 °C?
Sección titulada «¿Cuál es la conductividad térmica del agua a 60 °C?»A 60 °C / 140 °F, la conductividad térmica del agua líquida saturada es 0,654 W/(m·K) / 0,378 Btu/(h·ft·°F), lo que permite altas tasas de transferencia de calor.
¿Qué número de Prandtl tiene el agua a temperatura ambiente?
Sección titulada «¿Qué número de Prandtl tiene el agua a temperatura ambiente?»El número de Prandtl del agua a 20 °C / 68 °F es aproximadamente 7,0; indica que la difusividad de momento domina sobre la difusividad térmica en esta condición.
¿Qué densidad tiene un aceite hidráulico típico?
Sección titulada «¿Qué densidad tiene un aceite hidráulico típico?»Un aceite hidráulico común presenta una densidad entre 850 kg/m³ / 53 lb/ft³ y 950 kg/m³ / 59 lb/ft³ a 20 °C / 68 °F; la viscosidad cinemática puede oscilar entre 20 cSt / 2,2×10⁻⁵ ft²/s y 100 cSt / 1,1×10⁻⁴ ft²/s.
Fuentes consultadas
Sección titulada «Fuentes consultadas»- engineeringtoolbox.com: https://www.engineeringtoolbox.com/water-properties-temperature-equilibrium-pressure-d_2099.html
- thermopedia.com: https://www.thermopedia.com/content/1254/