Con “liquido” in chimica si indica uno degli stati della materia, insieme a “solido” ed aeriforme (gas). Le sue proprietà principali sono: fluidità, elasticità ed incomprimibilità. Generalmente, una sostanza allo stato liquido è meno densa che allo stato solido, ma un’importante eccezione è costituita dall’acqua.
Comunemente si usa distinguere i fluidi dai solidi per il fatto che questi ultimi hanno una forma propria, mentre i fluidi assumono la forma del recipiente che li contiene. Nei solidi gli sforzi che si generano in conseguenza di una deformazione sono funzione della deformazione stessa, mentre nei fluidi gli sforzi sono proporzionali alla velocità di deformazione. Il comportamento fluido è caratterizzato dalla viscosità mentre quello solido dal modulo di elasticità (o di Young).
A livello molecolare questo significa che due particelle di fluido inizialmente contigue possono essere allontanate indefinitamente tra loro da una forza anche piccola e costante; cessata la causa deformante, le particelle non tendono a riavvicinarsi (ritorno elastico): ciò è dovuto alla diversa entità delle forze intermolecolari che agiscono all’interno di un solido e di un liquido. Tale distinzione netta è in realtà un’approssimazione: la verità è che in tutti i materiali reali gli sforzi sono funzione sia della deformazione che della velocità di deformazione. Il netto prevalere di un comportamento rispetto all’altro determina l’appartenenza all’una o all’altra categoria. Esistono anche materiali per i quali entrambi i comportamenti coesistono e non è possibile trascurarne né l’uno né l’altro; si parla in questo caso di fluidi (o solidi) viscoelastici.
Fluidi newtoniani e non-newtoniani
In meccanica dei fluidi, a seconda di come lo sforzo dipende dal tasso di deformazione dei fluidi, essi possono essere classificati come:
- fluidi newtoniani: per i quali gli sforzi sono direttamente proporzionali alla velocità di deformazione (la velocità di flusso aumenta proporzionalmente alla forza applicata). Matematicamente questi fluidi presentano un legame di proporzionalità diretta tra il tensore degli sforzi viscosi e il tensore delle velocità di deformazione. La costante di proporzionalità è detta viscosità;
- fluidi non-newtoniani: dove lo sforzo non è direttamente proporzionale alla velocità di deformazione (sottoposto a forze di taglio, evidenzia un flusso di scorrimento che può essere: plastico, pseudoplastico, dilatante). Un fluido non newtoniano ha la caratteristica di variare la sua viscosità a seconda delle forze che interagiscono con esso. Se ad esempio gli viene applicata una pressione esso assume temporaneamente le proprietà di un corpo semi-solido. Nei fluidi non-newtoniani pseudoplastici la viscosità diminuisce all’aumentare della velocità di deformazione; nei fluidi non-newtoniani dilatanti: la viscosità aumenta all’aumentare della velocità di deformazione.
Semplificando: se la velocità di deformazione dipende in maniera lineare dallo sforzo di taglio applicato, il fluido è detto “newtoniano”; invece se la velocità di deformazione del fluido dipende in maniera non lineare dallo sforzo di taglio applicato, il fluido viene detto “non newtoniano”.
Inoltre:
- se la viscosità decresce all’aumentare della durata dello sforzo o, in altre parole, se diminuisce nel tempo lo sforzo necessario a mantenere costante la velocità di deformazione, si dice che il fluido è tissotropico;
- se la viscosità cresce all’aumentare della durata dello sforzo, il fluido si dice reopectico o anti-tissotropico;
- se la viscosità decresce all’aumentare della velocità di deformazione si dice che il fluido è assottigliante al taglio o pseudoplastico;
- se la viscosità cresce all’aumentare della velocità di deformazione si dice che il fluido è ispessente al taglio o dilatante;
- se lo sforzo è indipendente dalla velocità di deformazione, il materiale mostra deformazione plastica.
Esempi di fluidi newtoniani
Esempi tipici di fluidi newtoniani sono l’acqua e l’olio (sia alimentare che minerale per motori).
Esempi di fluidi non newtoniani
Un esempio di fluido non newtoniano dilatante, può essere realizzato miscelando acqua e amido di mais (detto anche “maizena”) o fecola di patate. L’applicazione di una forza – per esempio stendendo la superficie con un dito o capovolgendo rapidamente il contenitore in cui è posto – induce il fluido a comportarsi come un solido più che come un liquido. Questa è la proprietà di “ispessimento al taglio” (shear thickening) del fluido non newtoniano. Applicando forze più deboli, come il lento inserimento di un cucchiaio nel fluido, lo manterrà nel suo stato liquido. Una persona che si muova velocemente e che applichi una forza sufficiente con i piedi, può letteralmente camminare sopra un tale liquido. Dal punto di vista pratico, una sostanza definibile come fluido pseudoplastico viene richiesta quando, ad esempio, si devono eseguire processi di verniciatura o serigrafia (esempio: la vernice è fluida finché viene applicata con il pennello o a spruzzo ma diventa molto più viscosa e “non cola” quando la sollecitazione cessa). Fluidi come le vernici sono detti pseudoplastici (in inglese shear-thinning, cioè che si assottigliano al taglio). Altri esempi comuni di fluidi non newtoniani sono rappresentati dal sangue, dall’asfalto, dal dentifricio e, più in generale, dai fluidi polimerici. Tipicamente quindi sono liquidi in sospensione a portare tale caratteristica. Ciò è dovuto alla sparizione dei moti browniani allorquando la sospensione diventa più densa nell’elemento solido rispetto all’elemento liquido, ossia al confine tra liquido in sospensione e solido impregnato, e quindi pur mantenendo all’apparenza la forma liquida è a tutti gli effetti fisicamente un solido.
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