¿Por qué el líquido tiene un módulo de masa?

Los fluidos (tanto líquidos como gases) tienen un módulo volumétrico pero no tienen módulo de corte. Esto puede parecer sorprendente de que toda una clase de materiales tendría una resistencia distinta de cero a un tipo de deformación pero no resistencia a otro tipo de deformación. Sin embargo, la diferencia crucial entre un módulo de masa y un módulo de cizalla es que la deformación de masa implica un cambio en el volumen, mientras que la deformación de cizalla no.

No tener tensión de corte significa que incluso una fuerza de corte arbitrariamente pequeña puede hacer que fluya un fluido. Por ejemplo, para un fluido en una caja cuadrada, cualquier fuerza arbitrariamente pequeña puede hacer que la parte superior de la caja se deslice hacia la izquierda, convirtiéndola en un paralelogramo, si ignoramos cualquier resistencia proporcionada por la caja misma. Esto es posible porque microscópicamente el fluido consiste en moléculas que están muestreando diferentes configuraciones a medida que se mueven debido a la energía térmica. Las configuraciones microscópicas disponibles para las moléculas en una caja de paralelogramo son estadísticamente indistinguibles de las de una caja cuadrada, por lo que no existe una fuerza termodinámica que resista la deformación por corte.

Por el contrario, no tener un módulo de volumen significaría que una fuerza de compresión arbitrariamente pequeña podría hacer que un fluido se contraiga, por ejemplo, podríamos encoger una caja de fluido sin ninguna resistencia del fluido. Sin embargo, la compresión de un fluido aumenta la concentración promedio de las moléculas del fluido, forzando a las moléculas a estar más juntas en configuraciones que no son estadísticamente indistinguibles de sus configuraciones originales. Las moléculas de fluido resisten este cambio, empujando hacia atrás para tratar de restaurar su configuración de equilibrio inicial. Esta resistencia es lo que medimos cuando medimos el módulo de masa de un fluido.

También es interesante considerar las razones microscópicas de que los sólidos siempre tienen un módulo de corte distinto de cero. Los sólidos tienen un orden de largo alcance. En la descripción más idealizada, los átomos de un cristal están dispuestos en un patrón ordenado que se extiende por todo el material. Si un sólido tiene una forma cuadrada, no se puede estirar lentamente en un paralelogramo sin (1) deformar las disposiciones microscópicas de los átomos de manera similar en todo el cristal (por ejemplo, cuatro átomos que forman un cuadrado se deforman en un paralelogramo) o ( 2) desgarrando el cristal y deslizándolo en los límites del grano (piense en una falla sísmica). Cualquiera de estos procesos requiere que los átomos se muevan a configuraciones de no equilibrio, por lo que resisten la deformación de corte con una fuerza que se mide por el módulo de corte.

Porque si es un líquido, es materia.

En serio, el módulo de volumen es una medida de cuán compresible es el material. Por lo tanto, los gases tienen módulos volumétricos, que son pequeños porque son fáciles de comprimir. Los líquidos y los sólidos tienen módulos a granel que son grandes porque son difíciles de comprimir.

Si desea saber por qué los módulos de líquidos y sólidos son mucho más grandes que los gases, esa es una pregunta diferente. En los gases, los átomos o las moléculas están tan separados que tienen poca interacción entre ellos (el gas ideal supone cero fuerzas interatómicas o intermoleculares). En las fases condensadas (líquidos y sólidos), los átomos o moléculas están mucho más juntos que tienen interacciones (fuerzas) significativas con sus vecinos más cercanos. De hecho, son las fuerzas interatómicas o intermoleculares las que mantienen unida la fase condensada en lugar de evaporarse. Debido a que los átomos o las moléculas no se pueden acercar sin que sus vecinos se empujen hacia atrás, tienen grandes módulos de masa. (Además, si intenta separarlo, los vecinos se retiran, también hay fuerzas atractivas, por lo que las distancias a los vecinos más cercanos son las correctas).