La viscosidad y la temperatura
Lo que vas a aprender
- Describir la viscosidad como la resistencia de un líquido a fluir y compararla entre líquidos con el tiempo de caída de una canica.
- Interpretar una tabla de tiempos de caída a varias temperaturas, con diferencias y con cuántas veces más lento.
- Explicar con el modelo de partículas por qué un líquido se vuelve menos viscoso y menos denso al calentarse.
- Distinguir la viscosidad de la densidad.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Si sacas la miel de la nevera, sale del frasco muy despacio. Si la calientas un poco al baño maría, corre casi como un jarabe. Con el aceite pasa algo parecido: en una sartén caliente se riega mucho más rápido que recién sacado de la botella. ¿Qué le hace la temperatura a un líquido?
En esta lección vas a conocer la viscosidad, la propiedad que dice qué tan fácil corre un líquido. Vas a ver cómo se compara con un experimento sencillo, cómo la cambia la temperatura y por qué el calor también cambia la densidad. Para explicarlo todo vas a usar el modelo de partículas de la lección anterior.
Antes de empezar necesitas recordar qué es la densidad y cómo están las partículas en un líquido: juntas, desordenadas y deslizándose unas sobre otras.
Explicación
Qué es la viscosidad
Unos líquidos corren rápido, como el agua o el alcohol; otros corren despacio, como la miel, el champú o el aceite de motor. La viscosidad es la resistencia de un líquido a fluir. Un líquido muy viscoso es «espeso»: le cuesta correr. Uno poco viscoso es «ralo»: corre con facilidad.
Con el modelo de partículas se entiende así: en un líquido las partículas están juntas y se deslizan unas sobre otras. Si se atraen mucho entre ellas, les cuesta más pasar unas al lado de otras, y el líquido corre despacio.
Cómo comparar viscosidades
Una forma sencilla es dejar caer una canica en un frasco alto lleno del líquido y medir con un cronómetro cuánto tarda en llegar al fondo. Cuanto más viscoso es el líquido, más le cuesta a la canica abrirse paso, y más tiempo tarda.
Para que la comparación sea justa, solo se cambia una cosa a la vez. Si quieres comparar dos líquidos, usas la misma canica, el mismo frasco, la misma altura y la misma temperatura. Si quieres ver el efecto de la temperatura, usas el mismo líquido y cambias solo la temperatura. Y conviene repetir cada medida varias veces, porque al cronometrar a mano siempre hay pequeños errores.
El método sirve con líquidos espesos, como el champú o la miel. En el agua, y también en el aceite de cocina, una canica de vidrio llega al fondo en menos de un segundo: es demasiado rápido para cronometrarlo a mano. Para esos líquidos ralos sirve mejor ver cuánto tarda una cucharada en correr por un plato inclinado.
Con los tiempos se pueden hacer dos comparaciones. La diferencia (restar) dice cuántos segundos más tarda la canica en un caso que en otro. El cociente (dividir) dice cuántas veces más lenta es: si en un líquido tarda 12 s y en otro 3 s, en el primero es 4 veces más lenta.
La temperatura cambia la viscosidad
Cuando un líquido se calienta, sus partículas se mueven más rápido. Con más movimiento, la atracción entre ellas las retiene menos, y se deslizan con más facilidad. Por eso, en la mayoría de los líquidos, al subir la temperatura baja la viscosidad: la miel tibia corre más que la fría, y la canica cae más rápido. Al enfriar pasa lo contrario: el líquido se vuelve más espeso.
Viscoso no quiere decir denso
Es fácil confundir «espeso» con «denso», pero son propiedades distintas. La densidad dice cuánta masa hay en cada centímetro cúbico; la viscosidad dice cuánto le cuesta al líquido correr. El aceite de cocina es más viscoso que el agua, porque corre más despacio, y sin embargo es menos denso: por eso flota encima del agua.
La temperatura cambia también la densidad
Al calentarse, las partículas no solo se mueven más rápido: también se separan un poco. La misma cantidad de materia, con la misma masa, ocupa un volumen un poco mayor. Se dice que el material se dilata. Y si la masa es la misma y el volumen crece, la densidad, que es masa entre volumen, baja.
Esto pasa con los líquidos y, mucho más, con los gases. El aire caliente es menos denso que el aire frío que lo rodea, y por eso sube, como sube el aceite en el agua. Así funciona un globo de aire caliente: el aire de adentro se calienta, queda menos denso que el de afuera, y el globo se eleva. Por la misma razón, el aire que se calienta cerca de un fogón sube hacia el techo de la cocina.
Hay excepciones curiosas. La más conocida es el agua al congelarse: el hielo es menos denso que el agua líquida, y por eso los cubitos flotan en el vaso.
Suelta el agua, el aceite y la miel por la tabla inclinada, todos a la misma temperatura. El agua llega primero y la miel de última: cuanto más viscoso es el líquido, más le cuesta correr.
Tiempo que tarda una canica en caer hasta el fondo de un frasco con miel, a cuatro temperaturas (datos inventados). Cuanto más caliente está la miel, menos tarda la canica: la miel se vuelve menos viscosa.
Ejemplo resuelto
La canica en la miel
En un experimento (datos inventados), una canica tarda 12 s en caer en miel a 20 °C, 8 s a 30 °C, 5 s a 40 °C y 3 s a 50 °C. ¿Cuántos segundos menos tarda a 40 °C que a 20 °C? ¿Cuántas veces más lenta es la caída a 20 °C que a 50 °C?
Ver la solución paso a paso
Para la diferencia restamos los tiempos a 20 °C y a 40 °C: $12 - 5$
A 40 °C tarda $7$ s menos.
Para saber cuántas veces más lenta es, dividimos el tiempo a 20 °C entre el tiempo a 50 °C: $\frac{12}{3}$
A 20 °C la caída es $4$ veces más lenta.
Comprobación: cada vez que la miel se calienta, el tiempo baja, y la tabla lo muestra en orden: $12 > 8 > 5 > 3$
La miel caliente corre con más facilidad: es menos viscosa.
Respuesta: A 40 °C la canica tarda 7 s menos que a 20 °C, y a 20 °C cae 4 veces más lento que a 50 °C.
Ejemplo resuelto
Más viscoso pero menos denso
A la misma temperatura, una cucharada de agua tarda 2 s en correr hasta el borde de un plato inclinado, y una de aceite de cocina, 8 s (tiempos inventados). La densidad del aceite es de unos 0,9 g/mL y la del agua, de 1 g/mL (valores aproximados). ¿Cuál es más viscoso? ¿Cuál queda arriba si se mezclan?
Ver la solución paso a paso
Comparamos los tiempos dividiendo: $\frac{8}{2}$
El aceite corre $4$ veces más despacio: es más viscoso.
Ahora comparamos densidades. El aceite es menos denso que el agua: $0{,}9 < 1$
Por eso el aceite queda arriba. El líquido más viscoso no es el más denso: son propiedades distintas.
Respuesta: El aceite es 4 veces más lento, es decir, más viscoso; pero como es menos denso (0,9 g/mL frente a 1 g/mL), queda encima del agua.
Ejemplo resuelto
La densidad de un líquido caliente
Un líquido inventado tiene una masa de 300 g. Frío ocupa 240 mL, y caliente ocupa 250 mL. ¿Cuál es su densidad en cada caso?
Ver la solución paso a paso
Densidad del líquido frío, en g/mL: $d = \frac{300}{240}$
Dividimos: $d = 1{,}25$ g/mL.
Densidad del líquido caliente; la masa es la misma, 300 g: $d = \frac{300}{250}$
Dividimos: $d = 1{,}2$ g/mL.
Al calentarse, la densidad bajó: $1{,}2 < 1{,}25$
La masa no cambió; lo que cambió es que las partículas se separaron un poco y el líquido ocupa más volumen.
Respuesta: Frío tiene 1,25 g/mL y caliente, 1,2 g/mL: al calentarse se dilata y su densidad baja.
Práctica
Según la tabla del experimento, la canica tarda 8 s en la miel a 30 °C y 5 s a 40 °C. ¿Cuántos segundos menos tarda a 40 °C?
8 − 5 = 3 s. Con 10 °C más, la miel corre con más facilidad y la canica tarda menos.
En la miel, la canica tarda 12 s a 20 °C y 3 s a 50 °C. ¿Cuántas veces más lenta es la caída a 20 °C?
Para saber cuántas veces, se divide: 12 ÷ 3 = 4. El 9 es la diferencia (12 − 3), que dice cuántos segundos más tarda, no cuántas veces; el 15 es la suma y el 36 el producto.
En un champú inventado, la canica tarda 9 s a 20 °C y 6 s a 40 °C. ¿Cuántas veces más lenta es la caída a 20 °C?
9 ÷ 6 = 1,5. La caída en el champú frío es una vez y media más lenta que en el tibio.
¿Verdadero o falso? En la tabla de la miel, la canica tarda más a 40 °C que a 20 °C: $5 > 12$
A 40 °C tarda 5 s y a 20 °C tarda 12 s: tarda menos con la miel más caliente, porque al calentarse se vuelve menos viscosa.
A 20 °C, la canica tarda 0,5 s en caer en agua y 12 s en miel. ¿Cuántas veces más lenta es la caída en la miel?
12 ÷ 0,5 = 24. Dividir entre 0,5 es lo mismo que multiplicar por 2. El 6 sale de multiplicar por 0,5 en vez de dividir; el 11,5 es la diferencia y el 12,5 la suma.
Se dejan caer canicas iguales en tres líquidos inventados, todos a la misma temperatura. Tardan 4 s, 9 s y 2 s. ¿Cuál es el tiempo del líquido más viscoso, en segundos?
El líquido más viscoso es el que más se resiste a que la canica pase: el de 9 s. El de 2 s es el menos viscoso.
Un líquido inventado de 260 g ocupa 200 mL en frío y 208 mL caliente. ¿Cuál es su densidad caliente, en g/mL?
d = m ÷ V = 260 g ÷ 208 mL = 1,25 g/mL. La masa es la misma que en frío; solo creció el volumen.
¿Verdadero o falso? En el líquido anterior, de 260 g, la densidad caliente (con 208 mL) es menor que la densidad fría (con 200 mL): $\frac{260}{208} < \frac{260}{200}$
Frío tiene 260 ÷ 200 = 1,3 g/mL, y caliente, 1,25 g/mL. Con la misma masa en más volumen, la densidad baja.
En una miel muy fría, la canica tarda 1,5 minutos en llegar al fondo. ¿Cuántos segundos son?
Un minuto tiene 60 segundos: 1,5 × 60 = 90 s. Para comparar tiempos, hay que tenerlos en la misma unidad.
¿Por qué la miel tibia corre más fácil que la miel fría?
El calor hace que las partículas se muevan más; la atracción entre ellas las retiene menos y se deslizan mejor. La masa no cambia, las partículas no se derriten ni se encogen, y la densidad baja en vez de subir.
¿Por qué se eleva un globo de aire caliente?
Al calentarse, el aire se dilata: la misma masa ocupa más volumen y su densidad baja. Como lo menos denso sube, el globo se eleva. El aire caliente sigue teniendo masa.
Reto
Completa el informe del líquido caliente.
Elige el número que completa cada espacio. Densidad = masa ÷ volumen.
Reto
Abre el candado de la canica.
Cada respuesta es una cifra del código, del 0 al 9.
Cierre
En resumen
La viscosidad es la resistencia de un líquido a fluir; la miel es más viscosa que el agua.
Se compara con el tiempo que tarda una canica en caer en el líquido, cambiando una sola cosa a la vez.
Al calentar un líquido, sus partículas se mueven más y se deslizan mejor, y su viscosidad baja.
Al calentarse, la materia se dilata (la misma masa ocupa más volumen) y su densidad baja; por eso el aire caliente sube.
Viscoso no quiere decir denso; el aceite es más viscoso que el agua y, sin embargo, flota encima.
Vocabulario
- Viscosidad
Resistencia de un líquido a fluir. Un líquido muy viscoso, como la miel, corre despacio.
- Dilatarse
Aumentar de volumen al calentarse, con la misma masa.
- Variable
En un experimento, lo que se cambia o se mide. Para comparar bien, se cambia una sola cosa a la vez.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Muestre miel fría y miel tibia (calentada por usted al baño maría, sin hervir) y deje que la vean correr por una cuchara. Pregunte qué cambió.
- Explicación · 20 min — Viscosidad, la comparación con la canica y el efecto de la temperatura. Lea con el grupo la figura de los tiempos y resuelva en el tablero la canica en la miel; luego, viscosidad frente a densidad y la densidad del líquido caliente.
- Práctica · 20 min — Si es posible, haga usted la caída de una canica en dos frascos altos e iguales, uno con champú y otro con miel, a temperatura ambiente, y pida a dos estudiantes que cronometren tres veces cada uno; anote los tiempos en el tablero y calculen cuántas veces más lento. En agua o en aceite de cocina la canica cae en menos de un segundo, demasiado rápido para cronometrarlo a mano. Luego, preguntas y retos en parejas.
- Cierre · 5 min — Pida que expliquen con partículas, en dos frases, por qué la miel tibia corre más y por qué el aire caliente sube.
Preguntas para el salón
- ¿Por qué hay que cambiar una sola cosa a la vez en el experimento de la canica?
- El aceite es más espeso que el agua. ¿Entonces por qué flota encima de ella?
- ¿Qué le pasa a la masa de un líquido cuando se calienta? ¿Y a su volumen? ¿Y a su densidad?
Errores típicos
- Creer que el líquido más viscoso es el más denso. Use el aceite y el agua: el aceite corre más despacio por un plato inclinado y aun así queda arriba.
- Responder con la diferencia cuando se pregunta cuántas veces más lento. Distinga en el tablero «cuántos segundos más» (restar) de «cuántas veces más» (dividir), con el mismo par de tiempos.
- Pensar que al calentar un líquido cambia su masa. Recuerde que no entra ni sale materia: cambia el volumen, y con él la densidad.
- Decir que las partículas se derriten o se agrandan con el calor. Insista en que las partículas son las mismas; se mueven más y se separan un poco.
Tarea sugerida
Con ayuda de un adulto, comparar cuánto tarda en correr una cucharada de miel (o de jarabe) por un plato inclinado, una vez recién sacada de la nevera y otra a temperatura ambiente. Anotar los dos tiempos, calcular la diferencia y cuántas veces más lento, y explicarlo con partículas.