UNIVERSIDAD NACIONAL NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS, GEOLOGÍA Y CIVIL ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
PRÁCTICA DE LABORATORIO N° 01: “VISCOSIDAD” ASIGNATURA
: LABORATORIO MECÁNICA DE FLUIDOS I (IC-337)
PROFESOR
: Ing. BENDEZÚ PRADO, Jaime L.
ALUMNOS
: BELLIDO ARANGO, Miguel CARBAJAL SULCA, Wilber CASTRO BUITRÓN, Rafael CERDA AYALA, Wilbert Teófilo CUADROS García, Edison GÓMEZ CHUCHÓN, Esteban GÓMEZ HUAZACCA, Káterin Roxana JAHUÍN BONIFACIO, Daysy RODRÍGUEZ RAMOS, Alfio VERDE CARBAJAL, Jenchluis Ricardo
GRUPO
: Lunes 4-6 p.m.
CICLO ACADÉMICO
: 2013 – I I
FECHA DE EJECUCIÓN
: 13 de setiembre de 2013
FECHA DE ENTREGA
: 23 de setiembre de 2013
AYACUCHO – PERÚ PERÚ
2013
Viscosidad
INTRODUCCIÓN La realización del laboratorio es la parte del curso de Mecánica de fluidos, que sirve para confirmar los conceptos teóricos desarrollados en clase, con el comportamiento real de los fenómenos físicos; para luego aplicar con confianza los conceptos teóricos en el estudio de manejo de fluidos en diferentes campos de la Ingeniería. Se llamará fluido a cualquier sustancia que se pueda hacer escurrir mediante una aplicación apropiada de fuerzas. En términos generales, se pueden clasificar en líquidos y gases. Los líquidos son prácticamente incompresibles, por lo que se puede considerar que su volumen es constante, aunque su forma puede variar. Los gases son altamente compresibles, por lo no tienen un volumen característico, sencillamente se expanden hasta llenar cualquier recipiente en que se les coloque. Todo fluido soporta fuerzas normales o perpendiculares a sus fronteras, sin que haya escurrimiento, y puede estar en equilibrio bajo la acción de una diversidad de fuerzas de este tipo. Sin embargo, un fluido no puede resistir la acción de una fuerza tangencial, ya que tan pronto como se ejerce este tipo de fuerza, el fluido responde deslizándose sobre sus fronteras, provocando el movimiento del fluido. Por lo tanto, una condición necesaria para que un fluido esté en equilibrio, es que sus fronteras sólo experimenten fuerzas normales.
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Viscosidad
PRÁCTICA DE LABORATORIO N° 01
VISCOSIDAD I.
OBJETIVOS Determinar la viscosidad dinámica de un líquido utilizando el viscosímetro de caída de bola. Calcular la viscosidad cinemática de fluidos. Adquirir destreza en el uso de los instrumentos y equipos de laboratorio. Aprender que con métodos sencillos de laboratorio podemos averiguar propiedades de los fluidos.
II.
FUNDAMENTO TEÓRICO Un fluido es una sustancia que experimenta una deformación continua cuando se somete a un esfuerzo cortante. Cuando la sustancia sobre la cual se aplica dicho esfuerzo es un fluido, éste se deforma y fluye. La resistencia a la deformación ofrecida por los fluidos se llama viscosidad. La viscosidad es el parámetro que define el comportamiento del flujo de un fluido, en especial cuando el flujo es laminar. Es frecuente el uso de dos tipos de viscosidad: Absoluta o dinámica (µ) y cinemática ( ν). Estas dos viscosidades se hallan relacionadas por la expresión: ν = µ /ρ
Siendo ρ la densidad del fluido.
Fluido Los fluidos son aquellos cuerpos cuyas moléculas tienen poca coherencia entre sí, tomando la forma del recipiente que los contiene. Los fluidos se clasifican en dos tipos: F luidos newtonianos: Son aquellos que fluyen a través de un recipiente sin que se les aplique una fuerza externa por área. F lui dos no newtonianos: Requieren un valor mínimo de τ para iniciar el escurrimiento.
Existen varios casos de fluidos no newtonianos. El estudio de las propiedades de deformación de las sustancias en función de los esfuerzos que a ellas se les aplican se denomina Reología. Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades físicas que permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento así como distinguirlos unos de otros. Características como la viscosidad, tensión superficial y presión de vapor, solo se pueden definir en los líquidos y gases. También se pueden definir como sustancia que cede inmediatamente a cualquier fuerza tendente a alterar su forma, con lo que fluye y se adapta a la forma del recipiente. Los fluidos pueden ser líquidos o gases. Las partículas que componen un líquido no están rígidamente adheridas entre sí, pero están más unidas que las de un gas. El volumen de un líquido contenido en un recipiente hermético permanece constante, y el líquido tiene una superficie límite definida. En contraste, un gas no tiene límite natural, y se expande y difunde en el aire disminuyendo su densidad. A veces resulta difícil distinguir entre sólidos y fluidos, porque los sólidos pueden fluir muy lentamente cuando están sometidos a presión, como ocurre por ejemplo en los glaciares. UNSCH | Laboratorio Mecánica de Fluidos I (IC-337)
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Viscosidad
Viscosidad Es una magnitud física que mide la resistencia interna al flujo de un fluido, resistencia producto del frotamiento de las moléculas que se deslizan unas contra otras. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal, en realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. También se puede definir como la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal, en realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. Tipos de viscosidad: Viscosidad absoluta o dinámica: h 2 Unidades en el S.I.: N s/m 2 Unidades en el CGS: dina s/cm (Poise) Viscosidad cinemática: Es la relación entre la viscosidad absoluta y la densidad de masa del fluido. V = n/p 2 Unidades en el S.I.: m /s 2 Unidades en el CGS: cm /s (Stokes)
Comportamiento de un fluido viscoso
Explicación de la viscosidad Imaginemos un bloque sólido ( no fluido ) sometido a una fuerza tangencial, por ejemplo, una goma de borrar (a) sobre la que se sitúa la palma de la mano que empuja en dirección paralela a la mesa; en este caso, el material sólido opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma (b), tanto más cuanto menor sea su rigidez. Si imaginamos que la goma de borrar está formada por delgadas capas unas sobre otras, el resultado de la deformación es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las adyacentes, tal como muestra la figura (c).
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Viscosidad
En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad. Es su pequeña magnitud la que le confiere al fluido sus peculiares características; así, por ejemplo, si arrastramos la superficie de un líquido con la palma de la mano como hacíamos con la goma de borrar, las capas inferiores no se moverán o lo harán mucho más lentamente que la superficie ya que son arrastradas por efecto de la pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con facilidad.
Medidas de la viscosidad Consideremos dos láminas paralelas de fluido viscoso que están separadas una distancia " D" una de otra, que tienen una superficie " A" y que se desplazan una sobre otra con una velocidad " " arrastradas por una fuerza " F”:
Experimentalmente se puede comprobar que la fuerza tangencial es directamente proporcional a la velocidad, a la superficie e inversamente proporcional a la distancia entre capas:
La constante de proporcionalidad " " se llama coeficiente de viscosidad del fluido, o sencillamente la viscosidad del mismo. La viscosidad de un fluido puede medirse por un parámetro dependiente de la temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad:
Coeficiente de viscosidad absoluta: Designado como μ. Se define la viscosidad absoluta o dinámica como:
Representa la viscosidad dinámica del líquido y es medida por el tiempo en que tarda en fluir a través de un tubo capilar a una determinada temperatura. Las unidades para μ son: ⁄
Coeficiente de viscosidad cinemática o relativa: Designado como ν. Representa la característica propia del líquido desechando las fuerzas que genera su movimiento, obteniéndose a través del cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad. Las unidades para ν son : ⁄
Viscosímetro de caída de bola Cuando un cuerpo cae en un fluido bajo la sola influencia de la gravedad, se acelera hasta que la fuerza que lo jala hacia abajo (su peso) queda balanceada por la fuerza de flotación y la fuerza de arrastre viscoso que actúan hacia arriba. La velocidad que adquiere en ese momento se conoce como velocidad terminal. El viscosímetro de caída de bola que se presenta en la figura utiliza este UNSCH | Laboratorio Mecánica de Fluidos I (IC-337)
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principio, haciendo que una bola esférica caiga libremente a través del fluido y midiendo el tiempo requerido para que este recorra una distancia conocida. Así pues, la velocidad puede calcularse.
III.
MATERIALES Y EQUIPOS Viscosímetro de caída de bola: El viscosímetro de caída de bola Visco Ball se basa en el sistema de medida Höppler. Mide el tiempo en el que una esfera sólida necesita para recorrer una distancia entre dos puntos de referencia dentro de un tubo inclinado con muestra. Los resultados obtenidos se determinan como viscosidad dinámica en la medida estandarizada en el Sistema Internacional (mPa·s).
Balanza: La balanza es un instrumento de laboratorio que mide la masa de un cuerpo o sustancia química, utilizando como medio de comparación la fuerza de la gravedad que actúa sobre el cuerpo.
Cronómetro: Es un reloj o una función de reloj para medir fracciones temporales, normalmente breves y precisas. El funcionamiento usual de un cronómetro, consiste en empezar a contar desde cero al pulsarse el mismo botón que lo detiene.
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Flexómetro: Es un instrumento de medición similar a una cinta métrica, con la particularidad de que está construido en chapa metálica flexible debido su escaso espesor, dividida en unidades de medición, y que se enrolla en espiral dentro de una carcasa metálica o de plástico. Algunas de estas carcasas disponen de un sistema de freno o anclaje para impedir el enrollado automático de la cinta, y mantener fija alguna medida precisa de esta forma.
Probeta: Es un instrumento volumétrico, que permite medir volúmenes superiores y más rápidamente que las pipetas, aunque con menor precisión. Está formado por un tubo generalmente transparente de unos centímetros de diámetro, y tiene una graduación (una serie de marcas grabadas) desde 0 ml (hasta el máximo de la probeta) indicando distintos volúmenes.
Agua:
Agua enjabonada:
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IV.
PROCEDIMIENTO A continuación se describen los procedimientos para hallar la viscosidad dinámica y cinemática, utilizando el viscosímetro de caída de bola: Viscosímetro de caída de bola: Mida el diámetro de la esfera y el diámetro del tubo. Determine el peso específico de la esfera y del líquido del trabajo. Mida la temperatura del líquido. Vierta el líquido de trabajo en el tubo. Deje caer la bola dentro del tubo y determine el tiempo para recorrer una distancia y. Viscosidad absoluta - viscosímetro de caída de bola: Para determinar dicha viscosidad con éste aparato, se requiere primero conocer la velocidad observada y la velocidad corregida.
Velocidad observada: v0 y / t
Dónde: : Velocidad observada de caída de la esfera. : Distancia recorrida por la esfera. : Tiempo para recorrer “y”.
Velocidad corregida: 2 9. De 9. De V Vo 1 ( ) 4. Dt (4.Dt ) 2
Dónde: : Velocidad corregida. : Diámetro de la esfera. : Diámetro del tubo.
Viscosidad absoluta o dinámica ( ) : De
2
( e t ) 18v
Dónde: : Viscosidad absoluta o dinámica. : Diámetro de la esfera. : Peso específico de la esfera. : Peso específico del líquido. : Velocidad corregida.
Viscosidad cinemática ( ) : v
Dónde: : Viscosidad cinemática. : Viscosidad absoluta o dinámica. : Densidad del cuerpo.
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V.
ANÁLISIS EXPERIMENTAL a) Agua pura: V agua 100cm3 0.0001m 3 Wesfera 161.15 grf 0.16115kgf
Wagua 95.39 grf 0.09539kgf
Dviscocimetro 10.1cm 0.101m
h 136cm 1.36m t
2.40 2.64 2.38 2.48 2.41 5
b) Agua con jabón: Wagua jabón 79.37 grf 0.79.37kgf
2.46s
Vagua jabón 100cm3 0.0001m3
h 136cm 1.36m Dviscocimetro 10.1cm 0.101m Wesfera 161.15grf 0.16115kgf
Wesfera 161.15 grf 0.16115kgf t
5.62 4.92 4.89 4.87 5.09 5
5.08s
Manejo de datos: Reemplazando los datos respectivamente tenemos: a) Agua pura : Velocidad observada: Vo 0.5528 m s 55.28 cm s
Velocidad corregida: 2 9 x0.0555m 9 x0.0555m V 0.5528 m s 1 ( ) 2 4 x 0.101 m (4 x 0.101 m ) V 2.0813 m s 208.1312 cm s
Viscosidad absoluta o dinámica ( ) : liquido
esfera
W agua Vvol agua W esfera
Vvolesfera
0.09539kgf 3
0.0001m
953.9 kgf m3
0.16115kgf 5
3
8.9511x10 m
1800.3374 kgf m3
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0.0555
2
*
1800.3374 953.9
18 x 2.0813 2 0.0696 kgf . s m
Viscosidad cinemática ( ):
e
v
g
1800.3374kgf 183.5206 9.81m 2 s
0.0696 kgf . s m2
183.5206 v 3.7925x104 m2 s
b) Agua con jabón: Velocidad observada: Vo 0.2677 m s 26.77cm / s
Velocidad corregida: 2 9 x0.0555m 9 x0.0555m V 0.2677 m s 1 ( ) 2 4 x 0.101 m (4 x 0.101 m ) V 1.0079m / s 100.79cm / s
Viscosidad absoluta o dinámica ( ):
liquido
esfera
W agua sal Vvol agua sal W esfera
Vvolesfera
0.05552 *
0.0794kgf 3
0.0001m
793.7 kgf m3
0.16115kgf 3
8.9511x105m
1800.3374 kgf m3
1800.3374 793.7
18 x1.0079 2 0.1709 kgf . s m
Viscosidad cinemática ( ):
e
v
g
1800.3374kgf 183.5206 9.81m 2 s
0.1709
183.5206 v 9.3123x104 m2 s
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VI.
CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES CONCLUSIONES: Se observa que la esfera cae con mayor velocidad en agua pura a comparación que en el de agua mezclada con jabón; debido a que el agua enjabonada tiene mayor viscosidad Después de realizar los ensayos de viscosidad cinemática y viscosidad dinámica es consecuente llegar a la conclusión de que la viscosidad dinámica del agua enjabonada es mayor que del agua pura. Entre más viscoso sea un fluido, más tiempo se demorará en ir de un lugar a otro, esto ocurre porque la resistencia al flujo es mucho mayor. Debemos tener en cuenta que la forma como utilizamos los instrumentos pues los resultados no pueden ser exactos, dependiendo así de diversos factores como la temperatura, humedad del lugar donde se hicieron las pruebas, de ello dependerá si el error es mínimo. Los medidores de viscosidad son una excelente herramienta para el análisis de fluidos dentro de la industria y en el proceso de investigación. Es por eso que su uso y experimentación correcta es primordial. SUGERENCIAS: Las mediciones de los datos deben ser precisas y exactas ya que una mala lectura de uno de los datos nos daría una respuesta errónea.
VII.
BIBLIOGRAFÍA [1] POTTER, Merle C.; WIGGERT, David C.; HONDZO, Midhat. Mecánica de Fluidos. 2 a. Edición. México, Prentice Hall; 2002. [2] FERNANDEZ LARRAÑAGA, Bonifacio. Introducción a la Mecánica de Fluidos. 2 a. Edición. México, Alfa Omega; 1999. [3] SOTELO AVILA, Gilberto: “Hidráulica General”, Vol. I: Fundamentos, Editorial Limusa, 1981, México. [4] MIRANDA H., Oscar; CAMPOS A., Dante, Mecánica de Fluidos e Hidráulica. 3 ra. Edición, 2001, Perú. [5] http://www.widman.biz/Seleccion/Viscosidad/ viscosidad.html
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