Universidad Mayor de San Andrés Facultad de Ingeniería Curso Básico
LABORATORIO DE QUIMICA PRACTICA Nº 3 VISCOSIDAD Y TENSION SUPERFICIAL
Nombre:
Contreras Useglio Rolando Miguel
Materia:
Laboratorio Química General. (QMC 100)
Docente:
Ing. Leonardo Coronel R.
Grupo:
M
Carrera:
Ingeniería Química
Semestre:
II / 2009
Laboratorio de Química Práctica Nº3 Viscosidad y Tensión Superficial Índice VISCOSIDAD Y TENSIÓN SUPERFICIAL............................................................................................................................. 3 OBJETIVOS ........................... .......................................... ............................. ............................ ........................... ............................ ............................ ........................... ............................. ............................ ........................... ......................... ........... 3 Objetivos Objetivos Generales Generales ............................ ........................................... ............................ ............................ ............................ ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 3 Objetivos Objetivos Específicos Específicos .......................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 3 FUNDAMENTO TEÓRICO ............................ ........................................... ............................ ............................ ............................ ........................... ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 3 Viscosidad Viscosidad ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................... ...... 3
Viscosidad Absoluta o Dinámica ...................................... ..................................................................... .............................................................. ............................................................. ...................................................... ........................ 4 Viscosidad Cinemática .......................................................... ......................................................................................... ............................................................. ............................................................. .................................................. ................... 5 Viscosidad de los aceites ............................................................................ .......................................................................................................... ............................................................. ............................................................ ............................. 5 Sistema de Unidades.............................................................. ............................................................................................. ............................................................. ............................................................. .................................................. ...................5 Clasificación de los a ceites ........................................................ ....................................................................................... ............................................................. ............................................................. ........................................ ......... 6 Clasificación SAE: ........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ............................................................. .................................................. ................... 6 Clasificación SAE de viscosidad de aceites para motor (SAE J306, DIC 96) ......................................................... ................................................................................. ........................6 Aceites multigrado...................................................................................... .................................................................................................................... ............................................................. ............................................................ ............................. 7 ....................................................................................... .................................. .... 7 Clasificación de viscosidad ISO para industriales aceites lubricantes ......................................................... Sistema ISO de clasificación según la viscosidad para a ceites industriales ........................................................... ................................................................................... ........................ 7 Sistema de clasificación clasificación API ........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ............................................................. ........................................ ......... 8 .......................................................... 8 Clasificación API (Instituto (Instituto de Petróleo Americano) de calidad de los aceites para motor .......................................................... Medidores de Viscosidad............................................................ ........................................................................................... ............................................................. ............................................................. ............................................. ..............8 Viscosímetro ............................................................ ......................................................................................... ............................................................ .............................................................. ............................................................ ............................. 8 .......................................................................................... .............................................................. ............................................................. .................................. .... 8 Viscosímetro de tubo capilar ........................................................... ........................................................ .......................... ............................................................. ............................................................. ............................................................. .................................................. ................... 8 Viscosímetro Saybolt ......................................................................................... ............................................................. ............................................. .............. 9 Viscosímetro de Oswald- Cannon-Fenske: ........................................................... ....................................................................................... ............................................................. ....................................................... ........................ 9 Viscosímetro de cilindro concéntrico ......................................................... Viscosímetro de caída libre ........................................................ ....................................................................................... ............................................................. ............................................................. ........................................ ......... 9 Stokes ............................................................ ......................................................................................... ............................................................ ............................................................. ............................................................. ............................................. .............. 9 Tensión Tensión Superficial Superficial............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................... ...... 9
PROCEDIMIENTO ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ............................ ............................. ........................... ............. 10 Viscosidad Viscosidad ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 10 Tensión Tensión Superficial Superficial............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 10 MATERIALES Y REACTIVOS UTILIZADOS ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................... ...... 11 Materiales ................ .......... .......... ........... .......... ........... ........... .......... ........... .......... ........... .......... .......... ........... ........... ........ 11 Reactivos .......... ........... ........... .......... .......... ........... ........... .......... ........... .......... ........... .......... .......... ........... ........... .......... ..... 11 EXPERIMENTACIÓN (RECOLECCIÓN DE DATOS IMPARCIALES )........................... ......................................... ............................ ............................. ............................ ........................... .................. 12 Viscosidad Viscosidad ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 12
Aceite Sae40 ............................................................ ......................................................................................... ............................................................ .............................................................. ............................................................. .................................. 12 Aceite Sae15W-40 ............................................................ ........................................................................................... ............................................................. ............................................................. ..................................................... ...................... 12 Tensión Tensión Superficial Superficial............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 12 ESULTADOS OBTENIDOS ............................ CÁLCULOS Y R ESULTADOS .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................... ...... 13 CÁLCULOS ........................... .......................................... ............................. ............................ ........................... ............................ ............................ ........................... ............................. ............................ ........................... ....................... ......... 13
Viscosidad Viscosidad ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 13 Tensión Tensión Superficial Superficial............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 18 R ESULTADOS .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................. ............................ ............. 19 ESULTADOS OBTENIDOS ............................ Viscosidad Viscosidad ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 19
Aceite Sae 40 ........................................................... ........................................................................................ ............................................................ .............................................................. ............................................................. .................................. 19 Aceite Sae 15W-40 ........................................................... .......................................................................................... ............................................................. ............................................................. ..................................................... ...................... 19 Tensión Tensión Superficial Superficial............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 19
GRÁFICOS .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ......................... ........... 20 RESULTADOS (COMPARACIÓN CON LOS TEÓRICOS )........................... A NÁLISIS DE RESULTADOS ......................................... ............................ ............................ ............................ ......................... ........... 22 CONCLUSIONES ........................... .......................................... ............................. ........................... ........................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................ ........................... .................. 22 ECOMENDACIONES .......................... R ECOMENDACIONES ......................................... ............................. ............................ ............................ ........................... ........................... ............................ ............................ ............................ ....................... ......... 22 BIBLIOGRAFÍA .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .................. .... 23 A NEXOS ........................... ......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ........................... ........................... ............................. ............................ ............. 23
Practica Nº 3 Viscosidad y Tensión Superficial Objetivos Objetivos Generales
Calcular la viscosidad absoluta de diversos fluidos de manera experimental y comparar, los valores obtenidos, con los suministrados por los fabricantes. Medir la Tensión Superficial de diferentes líquidos mediante el método del ascenso capilar.
Objetivos Específicos
Determinar la viscosidad absoluta de tres aceites multigrados mediante la relación que existe entres el tiempo empleado por una esfera en recorrer una cierta distancia al ser introducida en el fluido (Método de Stokes). Comparar los valores experimentales de viscosidad, con los aportados por el fabricante para evaluar el error porcentual. Determinar la Tensión Superficial en tres líquidos diferentes
Fundamento teórico Viscosidad De todas las propiedades de los fluidos, la viscosidad requiere la mayor consideración en el estudio del flujo de fluidos. La viscosidad expresa la facilidad que tiene un fluido para fluir cuando se la aplica una fuerza externa: el coeficiente de viscosidad absoluta, o simplemente la viscosidad absoluta de un fluido, es una medida de resistencia, al deslizamiento o a sufrir deformaciones internas. La melaza es un fluido muy viscoso en comparación con el agua. La viscosidad es una manifestación del movimiento molecular dentro del fluido. Las moléculas de regiones con alta velocidad global chocan con las moléculas que se mueven con una velocidad global menor, y viceversa, estos choques permiten transportar cantidad de movimiento de una región de fluido a otra. Los fluidos presentan diferentes propiedades que los distinguen, como la viscosidad, densidad, peso específico, volumen específico, presión, etc. Al analizar las distintas propiedades que poseen los fluidos, la viscosidad requiere la mayor consideración para el estudio de estos materiales; su naturaleza y características, así como las dimensiones y factores de conversión. Todo fluido tiene una viscosidad específica bajo ciertas condiciones cuando se mueve alrededor de un cuerpo o cuando un cuerpo se mueve dentro del fluido, se produce una fuerza de arrastre ( F a ) sobre este. Si el cuerpo en estudio es una esfera, ésta fuerza de arrastre viene dada por la expresión según la ley de Stokes: F a
6
r v
Donde: es la viscosidad del fluido r es el radio de la esfera v es la velocidad de la esfera con respecto del fluido Considerando lo anterior si se deja caer en un recipiente con un fluido, debe existir una relación entre el tiempo empleado en recorrer una determinada distancia y la viscosidad de dicho fluido. Construyendo el diagrama de cuerpo libre de una esfera se tiene:
Donde: E : Empuje hidrostático P : Peso de la esfera F a : Fuerza de arrastre
Aplicando la Segunda Ley de Newton: F
m a
P E F a
m a
Mediante la resolución de dicha ecuación obtendremos la siguiente fórmula con la que realizaremos los posteriores cálculos del presente informe: 2 r 2 g ( '
)
9 v
Donde: es la viscosidad del fluido r es el radio de la esfera g es la aceleración de la gravedad ' es la densidad de la esfera es la densidad del fluido v es la velocidad con la que cae la esfera en el fluido Viscosidad Absoluta o Dinámica
Es la fuerza tangencial por unidad de área, de los planos paralelos por una unidad de distancia, cuando el espacio que los separa está lleno con un fluido y uno de los planos se traslada con velocidad unidad en su propio plano con respecto al otro también denominado viscosidad dinámica; coeficiente de viscosidad. La unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal segundo ( Pa s ) o también Newton segundo por metro cuadrado ( N s / m 2 ), o sea kilogramo por metro segundo ( kg / ms ); esta
unidad se conoce también con el nombre de Poiseuille (PI) en Francia, pero debe tenerse en cuenta que no es la misma que el poise (P). El poise es la unidad correspondiente en el sistema CGS de unidades y tiene dimensiones de DINA segundo por centímetro cuadrado o de gramos por centímetro cuadrado. El submúltiplo el centipoise (cP), 10 2 poises, es la unidad más utilizada para expresar la viscosidad dinámica dado que la mayoría de los fluidos poseen baja viscosidad. La relación entre el Pascal segundo y el centipoise es: 1 Pa s
1 N s / m 2
1kg / m s
10 3 cP
1cP 10 3 Pa s
Viscosidad Cinemática
Es la razón de viscosidad a densidad de masa. En el sistema internacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado por segundo ( m 2 / s ). La unidad CGS correspondiente es el stoke (St), con dimensiones de centímetro cuadrado por segundo y el centistoke (cSt), 10 2 stokes, que es el submúltiplo más utilizado. 1m 2 / s
106 cSt
1cSt 10 6 m 2 / s v
Donde: v es la viscosidad cinemática
es la viscosidad absoluta o dinámica es la densidad del líquido Viscosidad de los aceites
Los aceites presentan notables diferencias en su grado de viscosidad o fluidez, influyendo mucho estas diferencias en algunas de sus aplicaciones. El grado de viscosidad de los aceites tiene importancia en los aceites destinados a arder y los utilizados como lubricantes. En los primeros influya la viscosidad de modo que los aceites fluidos ascienden fácilmente por capilaridad en las mechas de las lámparas, mientras que los muy viscosos o poco fluidos requieren disposiciones especiales para conseguir que llegue a la llama en la unidad de tiempo suficiente cantidad de combustible. Cuando se emplea aceites como lubricantes, la materia grasa debe tener consistencia apropiada para impedir el contacto inmediato de las superficies que frotan entre sí impidiendo con ello se desgaste; para lograr esto conviene que la materia grasa no sea demasiado fluida tampoco demasiado viscosa. Sistema de Unidades
S.I.: N s / m 2 kg / m s S.B.G.: slug / ft seg
C.G.S.: g / cm s Poise S.I.I.: lb seg / ft 2
Clasif icación de los aceites
La clasificación de los aceites atendiendo su velocidad generan en la etiqueta de los envases una serie de siglas, acompañados por unos dígitos, identificando el grado de viscosidad del lubricante, qué se refiere a su temperatura sin añadir dato alguno de sobre otras apreciaciones o condiciones. El índice de viscosidad representa la tendencia más o menos que se espera a medida que se enfría o se calienta. Los aceites multigrados con base sintéticos se obtienen haciendo una mezcla de aceites de síntesis de baja graduación SAE y de aceites minerales de alta viscosidad. La Organización de Estandarización Internacional ISO , estableció su ordenación para los lubricantes de aplicación industrial , o a la Sociedad de Ingenieros de Automoción – Society of Automotive Engineers- (SAE) de los Estados Unidos , creo su escala de denominación para definir rangos de viscosidad en lo lubricantes de automóviles. Clasifi cación SAE :
La Sociedad de Ingenieros de Automotores de EE.UU.(SAE) clasificó a los aceites según su viscosidad adoptando como temperatura de referencia 100 grado centígrado y manteniendo la viscosidad en centistoke (cst). Se dividió el rango total de viscosidades de los aceites en grupos arbitrarios designados por los siguientes números: 20, 30, 40 y 50, originalmente existió un grado 60 que luego fue suprimido. Esta clasificación no tuvo en cuenta que un aceite SAE 20 en condiciones de baja temperatura aumentaba considerablemente su viscosidad no siendo apto para una operación correcta en climas fríos. Surgen así los aceites tipo W (winter: invierno) que cubrirían esta deficiencia. Se amplió entonces la clasificación incorporando los grados SAE 5W, SAE 10W, SAE 20W a los ya existentes. Estas primeras clasificaciones sólo tomaron en cuenta la viscosidad del aceite, posteriormente con el advenimiento de los aditivos mejoradores se incorporan siglas que caracterizan al aceite también por sus propiedades especificas (ejemplo: HD SAE 30, SAE 20 S1, etc.) como tener capacidad detergente-dispersante, propiedades antidesgaste, propiedades anticorrosivas, etc. Clasif icación SAE de viscosidad de aceites para motor (SAE J306, DI C 96) 1
Grado SAE 0W 5W 10W 15W 20W 25W 20 30 40 40 50 60
Viscosidad Max. (cP) Arranque en frío a la temperatura indicada en ºC 3250 a -30 3500 a – 25 3500 a – 20 3500 a – 15 4500 a – 10 6000 a – 5 -
1
1 cP = 1 mPa.s y 1cSt = 1 mm2/s 2 Los Grados 0w/40, 5w/40, 10w/40. 3
Los Grados 15w/40, 20w/40, 25w/40, 40.
Viscosidad Max. (cP) Bombeo a baja temp. s/esfuerzo de fluencia a la Temp. indicada en ºC 60000 a – 40 60000 a – 35 60000 a – 25 60000 a – 25 60000 a – 20 60000 a – 15 -
Viscosidad en cSt @ 100ºC 3,8 3,8 4,1 5,6 5,6 9,3 5,6- 9,3 9,3-12,5 12,5-16,3 12,5-16,3 16,3-21,9 21,9-26,1
Viscosidad alta temperatura alta tasa de corte (cP) a 150ºC y 106s 2,6 2,9 2,9( 2) 3,7( ) 3,7 3,7
Aceites multigrado Con el uso de aditivos mejoradores de índice de viscosidad y partiendo de bases refinadas es posible formular aceites cuya viscosidad a altas y bajas temperaturas le permiten cumplir con los requerimientos del servicio. De esta manera se obtienen aceites de características SAE 30 a 100ºC y SAE 10W a – 20ºC, son los denominados “multigrado” generalmente designados SAE 10W30 o similares.
Las ventajas de usar aceites multigrados son: Facilidad de arranque en frío. Rápida entrada en régimen térmico del motor. Ahorro de baterías y sistemas de arranque. Adecuada viscosidad en todo el rango de temperatura. Clasif icación de viscosidad I SO para i ndustriales aceites lubr icant es
A lo largo del tiempo se ha adoptado diferentes siglas (ASTM, DIN, etc.) para clasificar los Aceites Lubricantes Industriales por su viscosidad medida en diversas unidades, llevando a la necesidad del uso de tablas de conversión para pasar de un sistema a otro. Esta situación generó en los Institutos de Normalización de los piases miembros de la Organización Internacional de Estandarización (ISO) el deseo de uniformar criterios para crear un único sistema de clasificación. 4 Sistema I SO de clasificación según l a viscosidad para aceites industri ales
Grado de viscosidad
Viscosidad Cinemática media
ISO VG 2 ISO VG 3 ISO VG 5 ISO VG 7 ISO VG 10 ISO VG 15 ISO VG 22 ISO VG 32 ISO VG 46 ISO VG 68 ISO VG 100 ISO VG 150 ISO VG 220 ISO VG 320 ISO VG 460 ISO VG 680 ISO VG 1.000 ISO VG 1.500
2,2 3,2 4,6 6,8 10,0 15,0 22,0 32,0 46,0 68,0 100,0 150,0 220,0 320,0 460,0 680,0 1.000,0 1.500,0
Límites de Viscosidad Cinemática en cSt @ 40 ºC 1.98-2,42 2,88-3,52 4,14-5,03 6,12-7,48 9,00-11,00 13,50-16,50 19,80-24,20 28,80-35,20 41,40-0,60 61,20-74,80 90,00-110,00 135,00-165,00 198,00-242,00 288,00-352,00 414,00-506,00 612,00-748,00 900,00-1100,00 1.350,00-1650,00
Este esfuerzo conjunto permitió el nacimiento de la clasificación ISO para Aceites Lubricantes Industriales, con las siguientes características: Posee 18 grados de viscosidad entre 2 y1500 centistokes (cst) a 40 ºC, cubriendo la totalidad del rango de viscosidad, desde los aceites más livianos a los mas pesados. Cada grupo se designa el número a su viscosidad cinemática media. Cada grupo representa un intervalo de viscosidad generado apartar de su viscosidad cinemática media +/- 10% de este valor. 4
La clasificación ISO corresponde a la norma COVENIN 1121
Cada viscosidad cinemática media es aproximadamente 50% mayor a la correspondiente al grado anterior.
Sistema de clasificación API Motores a gasolina Algunas designaciones son: SA, SB, SC, SD, SE, SF, SG, SH. El primero usado para motores a gasolina y Diesel. Clasif icación API (I nstituto de Petr óleo Americano) de cali dad de los aceites para motor
Clasificación de Servicio API Gasolina servicio API previo SA ML SB MM SC MS (1964) SD MS (1968) Gasolina
SE SF SG SH SJ SL
Descripción de los fabricantes de equipos y especificaciones militares relacionadas Aceite mineral puro Aceite inhibido (1930) Garantía de servicio para motores a gasolina (1964-1967) Garantía de servicio para motores a gasolina (1968-1971) Garantía de servicio para motores a gasolina (1972-1980)/MIL-L-46152 y MILL46152A Garantía de servicio para motores a gasolina (1980-1988)/MIL-L-46152B Garantía de servicio para motores a gasolina (1989-1992)/ MIL-L-46152D Garantía de servicio para motores a gasolina (1993-19996) Garantía de servicio para motores a gasolina (1996-2000) Garantía de servicio para motores a gasolina (2001)
Medidores de Viscosidad Viscosímetro
Es un instrumento para medir la viscosidad de un fluido Vi scosímetr o de tu bo capilar
Consiste en 2 recipientes conectados por un tubo largo de diámetro pequeño conocido como tubo capilar. Conforme al fluido fluye a través del tubo con una velocidad constante. El sistema pierde energía, ocasionando una caída de presión. La magnitud de la caída de presión está relacionada con la viscosidad del fluido mediante la siguiente ecuación: D 4 128 LQ
H
Viscosímetr o Saybolt
La facilidad con que un fluido fluye a través de un orificio de diámetro pequeño es una indicación de su viscosidad , este es el principio por el cual está basado el viscosímetro universal. La muestra del fluido se coloca en el aparato después de que se establece el flujo se mide el tiempo requerido para colectar 60 ml. de fluido. El tiempo resultante se reparta como la velocidad del fluido en segundos universales de Saybolt. La expresión aproximada entre viscosidad y segundos Saybolt es: v
Donde: v se expresa en stokes t se expresa en segundos
0.002t
1.80 t
Vi scosí metro de Oswald- Cannon-F enske: En esencial el viscosímetro es un tubo “U” una de sus ramas es un tubo capilar fino conectado a un deposito
superior. El tubo se mantiene en posición vertical y se coloca una cantidad conocida del fluido él depósito para que luego fluya por gravedad a través de un capilar. Los procedimientos exactos para llevar acabo estas pruebas estándar dado en los estándar de la American Society For Testing and Materials. Viscosímetr o de ci lindro concé ntrico
Por medio de un cilindro que gira a una cierta velocidad con respecto a un cilindro interno concéntrico estacionario se determina du/dy al medir el momento de torsión sobre el cilindro estacionario es posible calcular el esfuerzo cortante. El cociente entre el esfuerzo cortante y el cambio de velocidad expresa la viscosidad. Si la velocidad de rotación es N rpm y el radio es r 2 , la velocidad del fluido en la superficie del cilindro externo esta dada por 2 r 2 N/60. Con una separación entre cilindro y cilindro du
2 r 2N
dy
60b
La ecuación se basa en b<< r 2. El momento de torsión T c sobre el cilindro interno se mide con un alambre de torsión del cual pende el cilindro. Si se ajusta un disco al alambre su rotación es determinada por una aguja fija. Si se desprecia el momento de torsión debido al fluido por abajo del fondo del cilindro interno el esfuerzo cortante es: Tc 2
2 r 1 h
De esta manera la ecuación para la viscosidad nos queda: 15Tcb 2 2 r 1 r 2hN
Viscosímetro de caída l ibr e Consiste en varios tubos llenos con líquido “ estándares” de viscosidades conocidas con una esfera de acero en cada
tubo. El tiempo necesario para que la esfera recorra la longitud total del tubo depende de la viscosidad del líquido. Si se coloca la muestra en un tubo análogo es posible aproximar el valor de la viscosidad por comparación con los otros tubos. Para esta práctica utilizaremos el método de STOKES para la obtención de la viscosidad. Sr. Jeorge Grabiel Stokes Matemático y Físico Irlandés Bornat. Skreen 1819. Autor de trabajos en Hidrodinámica, encontró la Ley que rige la caída de sólidos esféricos en el seno de un fluido denominada con su nombre.
Stokes Símbolo “st”; Es una unidad de la viscosidad cinemática de un fluido que tenga una v iscosidad dinámica de 1
poise, y una densidad de 1 gramo por centímetro cúbico.
Tensión Superficial La Tensión Superficial o Energía Libre Superficial es el trabajo necesario para incrementar, a temperatura constante y de modo reversible, el área de la superficie de un líquido en una unidad. Las unidades de Tensión Superficial son: erg/cm2, Joules/m2, dinas/cm ó N/m. Para realizar la determinación de la Tensión Superficial se mide la altura que alcanza un líquido dentro de un tubo capilar abierto en ambos extremos de acuerdo a:
1 2
rh g
Donde: es la Tensión Superficial r es el radio interno del tubo capilar h es la altura alcanzada por el líquido es la densidad del líquido g es la aceleración de la gravedad La Tensión Superficial es la medida de la potencia de las fuerzas intermoleculares. La Tensión Superficial depende de la clase de sustancia y disminuye con un aumento de la temperatura.
Procedimiento Viscosidad Inicialmente se determina el diámetro de la esfera y su masa : Luego se mide la distancia total del tubo en donde se encuentra el aceite, se saca la mitad de la medida y sobre ésta, se su toman puntos de referencia a cierta distancia, de la misma magnitud, hacia arriba y hacia abajo, se marca con un marcador dichas alturas. Se realiza ésta parte central por que más o menos es donde la velocidad de la esfera será constante. Posteriormente se deja caer al tubo con aceite la esfera y con el cronómetro se comienza a registrar el tiempo desde que atraviesa la primera marca y se lo detiene una vez pasa la segunda referencia. Finalmente se anota el tiempo. Se repite la operación anterior 5 veces por cada aceite empleado, es decir, para el SAE40 y para el SAE15W, siempre que antes se llegue a recoger las esferas ya utilizadas en el fondo del tubo con la ayuda de un imán. Se procede a pesar el matráz aforado vacío en la balanza y posteriormente lleno hasta la altura del anfor, con los aceites empleados en la práctica, para que mediante la diferencia podamos determinar la densidad del aceite en cuestión. En los cálculos realizados en el presente informe se compararán los datos bibliográficos con los obtenidos en la práctica y sus respectivos errores.
Tensión Superficial Se llena el vaso de precipitados con 1 cm o menos de altura, del líquido en estudio. Se pesa un capilar seco y vacío y luego lleno de líquido, en este caso, según instrucciones únicamente se lo hará con agua. De esa manera es como se tendría de datos el peso del líquido, la densidad del líquido, que en el caso del agua será
g 1 y medimos la longitud del tubo para así poder determinar el diámetro cm3
interno del tubo capilar. Por otra parte, con las ligas, se amarra al capilar junto con la regla milimétrica, y se los inserta en el vaso de precipitados que contiene el líquido en estudio. De esa manera se puede determinar la altura h del ascenso capilar. Posteriormente, en los cálculos realizados se determinará la Tensión Superficial y se compararán los valores bibliográficos y sus respectivos errores. Se repite el procedimiento para los casos del Alcohol y del Éter.
Materiales y reactivos utilizados Materiales Item
Material
1
Tubo de vidrio
2
Embudo
3
Perdigón de acero
Característica Cantidad Item (150cm)
5 mm Diámetro
Material
Características Cantidad
1
8
Vernier
1
1
9
Vaso de Precipitado
250 cc
1
5
10
Escala Milimétrica
10 cm
1
Tubo Capilar 4
Cronómetro
1
11
Imán
1
12
Matraz Aforado
50 cm3
4
1
13
Balanza Eléctrica
Hasta 0.001
1
2
14
Esferas
5
6
Flexómetro
7
Ligas
100 cm
3
5
Reactivos Item Reactivo 1 Agua Destilada 2 Aceites Automotrices 3 Alcohol Etílico
4
Éter etílico
Diferentes Viscosidades p.a.
Cantidad 300cc 300cc 200cc
p.a.
200cc
Características
Experimentación (recolección de datos imparciales) Los datos recopilados 5 en la práctica se muestran en orden en las siguientes tablas:
Viscosidad Aceite Sae40
Medición
Masa esfera [g] Distancia [cm]
Tiempo [s]
Diámetro [cm]
1
0,130
50
6,12
0,31
2
0,130
50
6,07
0,30
3
0,130
50
6,15
0,32
4
0,130
50
6,17
0,30
5
0,130
50
6,00
0,32
Tiempo [s]
Diámetro [cm]
Aceite Sae15W-40
Medición
Masa esfera [g] Distancia [cm]
1
0,132
30
2,86
0,32
2
0,132
30
2,87
0,32
3
0,132
30
2,87
0,32
4
0,132
30
2,81
0,32
5
0,132
30
2,83
0,32
Masa Matráz Aforado Vacío [g]
Masa Matráz Aforado con Aceite Sae 15W-40 [g] 22,723 22,724
Volumen Matraz Aforado= 10 ml Medición
Masa Matráz Aforado Vacío [g]
1 2
14,281 14,282
Masa Matráz Aforado con Aceite Sae 40 [g] 23,067 23,068
13,956 13,957
Tensión Superficial
5
Agua1
Masa Capilar Vacío [g] 0,141
Masa Capilar lleno [g] 0,147
Longitud del Capilar [cm] 7,43
Altura Alcanzada [cm] 1,5
Alcohol
0,139
-
7,47
1,9
Éter
0,140
-
7,50
1,4
Para una posterior revisión, los datos se encuentran también en el último capítulo, en los anexos.
Cálculos y Resultados Obtenidos6 Cálculos Viscosidad Volumen Matraz Aforado= 10 ml Medición
Masa Matráz Aforado Vacío [g]
1 2
14,281 14,282
Masa Matráz Aforado con Aceite Sae 40 [g] 23,067 23,068
Masa Matráz Aforado Vacío [g] 13,956 13,957
Masa Matráz Aforado con Aceite Sae 15W-40 [g] 22,723 22,724
Con las masas tomadas podemos observar que la balanza eléctrica tiene una desviación estándar de hasta 0,001 g, primero calcularemos la masa de los aceites y posteriormente obtendremos su densidad, ya que conocemos el volumen del matráz aforado. Para el aceite Sae40: m Sae40
mmatrázlleno
m Sae40 m Sae40 Sae40
mmatrazvací o
m Sa e15 w
40
m matrázlleno
23,067 g 14,281 g
m Sa e15 w
40
22.723 g 13.956 g
8,786
0,001 g
m Sa e15 w
40
m Sae40
8,786 g
V matraz 0,8786
Sae40
Los mismos pasos se realizan para el Sae 15W-40:
m Sa e15 w
10ml
Sa e15 w 40
3
Sa e15 w 40
g cm
8,767
mmatrazvací o
0,001 g 40
8,767 g
V matraz
10ml
0,8767 g 3 cm
Además también procedemos a obtener el intervalo de confianza de ambas densidades mediante: m V log d
E
log m dm
dV
m
V
log V
m
E m
E V
V
m
V
Existen distintas calidades de matraces, según diversas marcas, por lo que se despreciará el error del volumen. Para el aceite Sae40: Los mismos pasos se realizan para el Sae 15W-40: E Sae 40
0,8786
E Sae 40
g 0,0001
0,001
0
8,786
10
cm
E Sae15W E Sae15W
3
40
40
0,8757 g 0,0001
0,001
0
8,767
10
cm 3
Entonces el intervalo de confianza para las densidades de los aceites serán: Sae40
6
0,8786
0,0001
g cm3
Sae15W 40
0, 8767
0,0001
g cm 3
Todos los cálculos de errores obtenidos serán calculados con un nivel de confianza del 95 %.
Luego, con la tabla del Aceite Sae40 obtendremos la densidad de la esfera: m esfera D D
0.001 g
D E D 0,31cm
0,32 cm 0,30 cm 5 s 0,01 t 2,776 0,01cm 2 n 5 0,31 0,01 cm
E D D V
0,130
0,30cm
0,32cm
0,31cm
V E V 4 3
V esfera V esfera
E V E V V
log 3
2
cm 3
E D 2
cm 3
0,16 10
2
cm 3
E m V
log
E
2
3 log D
6
2 0,16 10 1,56
d
1,56 10
dD D D
'
3
D 3
6
log V
D 3
6
0,31cm
6
V esfera
dV V
r 3
8,33 g log m
dm m
log V
dV V
m
E m
E V
V
m
V
0,001 0,130
E
8,33
E
0,92 g 8,33
cm 3
0,16 10 1,56 10
2 2
cm 3
0,92 g
cm 3
Posteriormente obtenemos la velocidad de la esfera, con los datos de la tabla del Aceite Sae40: Conociendo además la desviación estándar del flexómetro:
x
50,0
0,1 cm
t t E t t
6,12 s
6,07 s s
t
t
6,10
v
v E v
2,776
n 0,08 s
2
x
50,0cm
v
t
log v
log x dt
v
x
t
x
E x
E t
t
x
t
0,1
0,08
50
6,10
E v
8,2
E v
0,1 cm s
0,07
6,10 s
0,08 s
5
log t
dx
v
6,00 s
8,2 cm s
6,10 s
dv
E v
6,17 s
5
E t
v
6,15 s
0,1 cm s
8,2
Finalmente todo lo hecho nos permitirá obtener la viscosidad del aceite mediante la siguiente fórmula planteada en el fundamento teórico: 2 r 2 g ( ' ) 9 v E 2
2 r g ( ' 9 v 0,31cm
4,8
2
g cm s
)
D
2
g ( '
18 v g 980 cm 2 (8,33 s cm3 18 8,2 cm s 4,8 poises
)
0,8786
g ) cm3
2 r 2 g ( '
)
1
9 v log
log
d
2
18 dD dv
2 log D
v
D g ( '
)
v 0,31
2
E
( ' 2
E D
E v
D
v
8,2
1,0
g
log v
)
980 (8,33 0,8786)
18
)
d )
1
E
log g log( '
( '
18
)
v
d '
2
1
E
18
1
D
D 2 g ( '
E ' ( ' 2
E )
( '
)
0.01
0,1
0,92
0,0001
0.31
8,2
(8,33 0,8786)
(8,33 0,8786)
1,0 poises
cm s
Aceite Sa e40
4,8 1,0 poises
Los mismos pasos se realizan a continuación para el Aceite Sae 15W-40, con la ayuda de su respectiva tabla: Con la tabla del Aceite Sae40 obtendremos la densidad de la esfera: 0,132 0.001 g
mesfera
0,32 0,01 cm
D
V V E V 4
V esfera
3
V esfera
6
log V
V E V E V V
D 3 3
1,72 10 2 cm3
D 3
log 3
6
0,32cm
6
V esfera
dV
r 3
6
3 log D
dD D 2
2
D E D
0,17 10 2 cm3 1,72 0,17 10 2 cm3
' E '
'
m
'
7,69 g
'
V log ' log m
log V
d '
dm
dV
'
m
V
E '
m
E m
E V
V
m
V
E '
7,69
E '
0,82 g
'
0,001
0,17 10
2
0,132
1,72 10
2
cm3
0,82 g
7,69
cm3
cm3
Posteriormente obtenemos la velocidad de la esfera, con los datos de la tabla del Aceite Sae40: Conociendo además la desviación estándar del flexómetro: x
30,0
0,1 cm
t t E t t
2,86 s
2,87 s s
t
t
2,85
v
v E v x
30,0cm
v
t
2,776
2,85 s
log x
2,83 s
dx
dt
v
x
t
x
E x
E t
t
x
t
E v
10,53
E v
0,1 cm s 10,53
5
2,85 s
0,03 s
10,53 cm s
log t
dv
v
0,0268
n 0,03 s
2
log v
E v
2,81 s
5
E t
v
2,87 s
0,1
0,03
30
2,85
0,1 cm s
Finalmente todo lo hecho nos permitirá obtener la viscosidad del aceite mediante la siguiente fórmula planteada en el fundamento teórico:
2
2
r
g
( '
9
v
)
E 2
2 r g ( ' 9 v 2
0,32cm
3,6
g
)
D
)
1
9 v
d
E
E E
2
1
18 dD dv D
2 log D
v
log g log( '
g ) cm 3
)
D g ( '
)
v 0,32
2
( ' 2
cm s
)
log v
)
E D
E v
D
v
980 (7,69 0,8767) 10,53
g
)
d
( '
18 0,7
0,8767
v
d '
18 1
D 2 g ( '
18
2
1
)
3,6 poises
cm s
log
g ( '
18 v g 980 cm 2 (7,69 s cm 3 18 10,53 cm s
2 r 2 g ( '
log
2
E ' ( ' 2
E )
( '
)
0.01
0,1
0,82
0,0001
0.32
10,53
(7,69 0,8767)
(8,33 0,8767)
0,7 poises Aceite Sa e15W 40
3,6
0,7 poises
Tensión Superficial
1
Masa Capilar Vacío [g] 0,141
Masa Capilar lleno [g] 0,147
Longitud del Capilar [cm] 7,43
Altura Alcanzada [cm] 1,5
2
0,139
-
7,47
1,9
3
0,140
-
7,50
1,4
Medida
Como se puede ver en la tabla, únicamente podemos calcular la tensión superficial del agua, de la siguiente manera: Primero obtendremos el volumen, ya que conocemos la densidad del agua que es: 1 g
cm3
m
V V
V m mcapilarlleno
m´capilarvacío Ag ua
V V
0,147 g 0,141 g g 1 cm3 3
0,006cm
Teniendo el volumen, procederemos a calcular el radio: r 2 l
V
V
r
l 0,006
r
0,016cm
7,43
Finalmente, con la siguiente fórmula obtendremos la Tensión Superficial: 1
1 2
0,016cm 1,5cm 1
1,18 10
2
g cm3
9,8
rh g 2 1 Kg
m 100cm s 2
1m
1000 g
N m
Resultados obtenidos Viscosidad Aceite Sae 40 4,8 1,0 poises
AceiteS ae15W 40 teórico
12,5 16,3cSt
Aceite Sae 15W-40 Aceite Sa e15W 40 teórico
3,6
0,7 poises
5,6cSt
Tensión Superficial 1,18 10
2
N m
Gráficos Balanza Eléctrica
Vernier
Esfera
Vaso de Precipitados
Imán
Matraz Aforado
Tubos Capilares
Escala Milimétrica
Cronómetro
Análisis de resultados (Comparación con los teóricos) En los diferentes experimentos realizados las medidas tomadas estaban sujetas a errores de distinto tipo, entre ellos podemos mencionar a los errores fortuitos que se deben a imperceptibles cambios de presión, temperatura y dirección del viento, en nuestro caso al trabajar con la viscosidad, podemos decir que hubo variación en la temperatura y en la presión que afectan nuestros resultados, sin embargo, al ser despreciables no se los tomo en cuenta porque no afectaban significativamente en los resultados. En la obtención de la viscosidad, muchos factores llegaron a influir en los resultados, como por ejemplo desde que se toma el tiempo al ver que se pase la referencia indicada, y que exista una visión perpendicular a dicha marca, como el tiempo de falla que se tiene al tomar el tiempo con el cronómetro, ya que debemos tener en cuenta de que el ser humano, no tiene una reacción instantánea, todo ello con el fin de obtener resultados fiables, no nos llegan a brindar una total certeza. Para la obtención de la Tensión Superficial, lastimosamente no se pueden realizar los cálculos para el alcohol y para el éter ya que no se obtuvo la masa del capilar lleno con estas sustancias. Pero si se puede realizar con el caso del Agua, pero como siempre los resultados han de presentar siempre errores, tanto hayan de ser instrumentales, sistemáticos o de lectura. Los errores producidos en el transcurso de la práctica pudieron deberse mayormente a errores instrumentales (por algún defecto en la calibración de algún instrumento), errores de lectura (error de cero o el error de paralaje, que es más frecuente) y errores sistemáticos (donde la temperatura, y otros factores pudieron ser predominantes para que existen errores en la práctica).
Conclusiones Llegamos a determinar la viscosidad absoluta de dos aceites, el SAE40 y el SAE15W-40. En las condiciones en las que nos encontramos en la Facultad de Ingeniería de la UMSA, muy distintas a las que se encuentran los Aceites en el momento de ser envasados. Se evaluaron los aceites empleados y a primera vista se pudo determinar cual de ellos era el más viscoso. Además de ello, se comprobaron ambos valores, de esa manera se evalúa el error porcentual. Finalmente, determinamos la tensión superficial del agua en este caso, pero se realizaron los mismos pasos para otros dos líquidos, es decir, para el Éter y para el Alcohol. Se empleó un cálculo de errores y herramientas de estadística y regresión lineal en el desarrollo del presente informe, en el laboratorio se tomaron una serie de medidas utilizando diferentes instrumentos. Debemos tomar en cuenta que todas las medidas están sujetas a errores de diferentes tipos, estos pueden ser errores de lectura, sistemáticos e instrumentales Para hallar el error absoluto, los ingenieros utilizan un 95% de probabilidad y para nuestros objetivos utilizaremos el estadístico t de student ya que en esta practica el número de medidas es menor que 30.
Recomendaciones Para la toma de Datos de la viscosidad, es importante, el tener en cuenta que uno de los principales errores que se pudieron dar en esta práctica fueron los de lectura, tales como el no tener una vista perpendicular hacia la referencia para tomar el tiempo. Además de ello, también factores como la temperatura, llegan a influir en los resultados obtenidos. Se recomienda además tener cuidado al introducir el imán para sacar las esferas, el
mismo podría quedar atrapado en el fondo si la cuerda que lo sujeta se rompiese por la fricción con el tubo que contiene el aceite. Finalmente, una importantísima recomendación, se debe de tener mucho cuidad oconel manejo del Éter, no se lo debe inhalar. En el labado de los materiales se procederá a emplear piedras para que el aceite logre salir, si no lo hace se empleará el Éter. Así mismo, mucho cuidado con todos los materiales del laboratorio que son muy delicados.
Bibliografía Coronel Rodriguez, Leonardo G. Compendios de Química General. El Estado Líquido. Propiedades de los Líquidos. Viscosidad . Cuarta Edición. La Paz – Bolivia. Fecha de Consulta: 17/10/09. Coronel Rodriguez, Leonardo G. Compendios de Química General. El Estado Líquido. Propiedades de los Líquidos. Tensión Superficial . Cuarta Edición. La Paz – Bolivia. Fecha de Consulta: 17/10/09. Coronel Rodriguez, Leonardo G. Compendios de Química General. El Estado Líquido. Propiedades de los Líquidos. Ascenso Capilar . Cuarta Edición. La Paz – Bolivia. Fecha de Consulta: 17/10/09. Álvarez-Huayta. Medidas y Errores. Errores. Edición: Tercera. Lugar de publicación: La Paz – Bolivia. Fecha de Publicación: 2008. Fecha de Consulta: 19 de Octubre de 2009. Anónimo. Tensión Superficial. [En Línea]. . Fecha de Publicación: 19/10/09. [Fecha de Consulta: 21/10/09]. Anónimo. Viscosidad. [En Línea]. . Lugar de Publicación: Salamanca, España. Fecha de Publicación: 19/10/09. [Fecha de Consulta: 21/10/09].
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