DETERMINACION DE VISCOSIDAD DE FLUIDOS NEWTONIONANOS Y NO NEWTONIANOS OBJETIVOS DEL EXPERIMENTO: Determinar y comparar la viscosidad de fluidos newtonianos por diferentes métodos RESUMEN El lugar del experimento se realizo en el laboratorio de ingeniería de la UNAMBA, para la determinación de viscosidad de fluidos newtonianos por dos métodos por el principio del viscosímetro de oswald y ley de stoke. Para el método de oswald se tomaron t omaron muestras de agua, aceite, leche. Inicialmente se midió la temperatura de los fluidos luego se procedió a pesar de acuerdo a su volumen para obtener la densidad del fluido, luego se puso cada fluido en una pipeta de 25 ml y se midieron los tiempos tiempos en que estos se vaciaban de la marca 0 hasta la última marca y luego se realizaron los cálculos correspondientes. Para el método de stoke se utilizaron los anteriores fluidos y densidades y se procedió a llenar probeta se midieron los diámetros de la espera utilizada con pie de rey y se marco la distancia recorrida en la probeta y se midieron los tiempos en que la esfera demoraba en pasar los dos puntos para los cálculos respectivos. REVISION BIBLIOGRAFICA Medidas de la viscosidad La viscosidad de un fluido puede medirse por un parámetro dependiente de la temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad: •
Coeficiente de viscosidad dinámico, dinámico, designado como η o μ. En unidades en el -1 -1 SI:: [µ] = [Pa·s] = [kg·m ·s ] ; otras unidades: SI unidades:
1 Poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = [10-1 kg·s-1·m-1] Unidades de viscosidad exacta del Poise [P]. •
Coeficiente de viscosidad cinemática, cinemática, designado como ν, y que resulta ser igual al cociente del coeficiente de viscosidad dinámica entre la densidad ν = μ/ρ. (En unidades en el SI SI:: [ν] = [m2.s-1]. En el sistema cegesimal es el Stoke (St).
Definición de fluido Se define fluido como una sustancia que se deforma continuamente bajo la acción de un esfuerzo de corte, por tanto, en ausencia de este, no habrá deformación. Los fluidos pueden clasificarse de manera general de acuerdo con la relación entre el esfuerzo de corte aplicado y la relación de deformación Fluido newtoniano y no newtoniano Hemos definido un fluido como una sustancia que se deforma continuamente bajo la acción de un esfuerzo cortante. En ausencia de éste, no existe deformación. Los
fluidos se pueden clasificar en forma general, según la relación que existe entre el esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de deformación resultante. Aquellos fluidos donde el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la rapidez de deformación se denominan fluidos newtonianos. La mayor parte de los fluidos comunes como el agua, el aire, y la gasolina son prácticamente newtonianos bajo condiciones normales. El término no newtoniano se utiliza para clasificar todos los fluidos donde el esfuerzo cortante no es directamente proporcional a la rapidez de deformación. Numerosos fluidos comunes tienen un comportamiento no newtoniano. Dos ejemplos muy claros son la crema dental y la pintura Lucite. Esta última es muy “espesa” cuando se encuentra en su recipiente, pero se “adelgaza” si se extiende con una brocha. De este modo, se toma una gran cantidad de pintura para no repetir la operación muchas veces. La crema dental se comporta como un “fluido” cuando se presiona el tubo contenedor. Sin embargo, no fluye por sí misma cuando se deja abierto el recipiente. Existe un esfuerzo límite, de cadencia, por debajo del cual la crema dental se comporta como un sólido. Viscosidad Propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide con un recipiente (viscosímetro) que tiene un orificio de tamaño conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida de su viscosidad. Efectos del calor La viscosidad de un fluido disminuye con la reducción de densidad que tiene lugar al aumentar la temperatura. En un fluido menos denso hay menos moléculas por unidad de volumen que puedan transferir impulso desde la capa en movimiento hasta la capa estacionaria. Esto, a su vez, afecta a la velocidad de las distintas capas. El momento se transfiere con más dificultad entre las capas, y la viscosidad disminuye. En algunos líquidos, el aumento de la velocidad molecular compensa la reducción de la densidad. Los aceites de silicona, por ejemplo, cambian muy poco su tendencia a fluir cuando cambia la temperatura, por lo que son muy útiles como lubricantes cuando una máquina está sometida a grandes cambios de temperatura. Viscosímetro de ostwald El viscosímetro de Ostwald (Fig.1) es un aparato relativamente simple para medir viscosidad (η ) de fluidos Newtonianos. En un experimento típico se registra el tiempo de flujo (t) de un volumen dado V (entre las marcas a y b) a través de un tubo capilar de longitud L bajo la influencia de la gravedad. Es quizás el modelo que más se ha utilizado en la medida de viscosidades absolutas y relativas en líquidos puros y biológicos, en sus mezclas y, especialmente, en fluidos newtonianos. Se basa en la ley de Poisseuille que permite conocer la velocidad de flujo de un líquido a través de un tubo, en función de la diferencia de presiones bajo las que se establece el desplazamiento. La simplificación del tratamiento numérico facilita la expresión que se aplica en la medida experimental.
La fórmula de Poiseuille, que nos da el caudal Q (volumen de fluido por unidad de tiempo) que atraviesa un capilar de radio R y longitud l entre cuyos extremos se ha aplicado una diferencia de presiones ∆ p . es igual a:
Donde η es la viscosidad del fluido. Esto es
Como R, l y V son constantes para un tubo determinado no se necesita hallarlos.
Enras es A
Figura. Viscosímetro de Ostwald Viscosímetro de esfera en caída libre Consiste en un recipiente que contiene un fluido viscoso. Se introduce una pequeña esfera, la cual parte del reposo y rápidamente alcanza la velocidad límite.
H
Variables que intervienen: ρ : Densidad de la esfera sólida s
R
ρ l
Densidad del líquido D: diámetro de la esfera L: longitud que cae la esfera en un tiempo t vo: velocidad límite de la esfera, longitud que cae la esfera en un tiempo t ( vo=L/t) :
(Durante el ensayo verificar que se recorren distintos tramos, La velocidad constante)
Principio que se satisface: II Ley de Newton ∑Fz = m.az Fuerzas que intervienen: - P: peso de la esfera +E: empuje hidrostático +Fµ: fuerzas viscosas Cuando se alcanza velocidad límite: - P + E + Fµ = m.az = 0
F v
E
P = [ (1/6).π .D3 ]. ρ .g E = [ (1/6). π .D3 ]. ρ .g Fµ = 3π .µ. vo.D s
L
2
u
=
D . g .( ρ s
−
ρ L )
18. L / t
Estimaciones más precisas mientras más alta sea la viscosidad (v o bajas) y por eso se utiliza para aceites y mieles industriales Tabla Nº1 densidades de algunas billas Material de la esfera Hierro Aluminio Cobre Plomo Wolframio
Densidad (g/cm3) 7.88 2.70 8.93 11.35 19.34
Tabla Nº2 densidades de algunos fluidos y sus viscosidades Fluido
Densidad (g/cm3)
Agua Glicerina Benceno Aceite de automóvil Aceite de cilindros
1.0 1.26 0.88 0.88 0.9
Viscosidad (kg/ms) 0.00105 1.3923 0.000673 0.46 0.24
MATERIALES Y METODOS MATERIALES: •
Muestras de líquidos(agua, leche , aceite, yogurt, miel): son utilizadas para poder hallar su respectiva viscosidad
•
•
• •
• • •
•
Bureta de 25 ml: instrumento volumétrico de laboratorio con una pequeña llave en la parte inferior, pudiendo así controlar el volumen desplazado. Con este instrumento se controla la cantidad de volumen transferido por el fluido Soporte universal: instrumento de apoyo mediante pinzas para diversos instrumentos y equipos como: bureta, pera de decantación, censores, etc. Se utilizó para realizar el apoyo de la bureta. Cronometro: equipo para la medida del tiempo, se utilizó para medir el tiempo que de moro el fluido para trasladarse de un punto a otro. Vaso precipitado: instrumento generalmente volumétrico de minima precisión con diferentes funciones. Se utilizo para contener el fluido que es desplazado en la bureta. Probetas: instrumento volumétrico alargado, de diferentes medidas de volúmenes (mayores a 10ml generalmente) Esfera pequeña de vidrio: instrumento de poco usual en laboratorio, utilizado en el método de stoke para determinar la viscosidad del fluido. Termómetro: instrumento de medida de temperatura teniendo como base diferentes sustancias (alcohol, mercurio, etc). Se utilizo para medir la temperatura del fluido y del medio ambiente. Balanza analítica: equipo para la medición de masa. Se utilizo para medir la masa tanto de los fluidos con que se trabajo, de la esfera y entre otros materiales.
METODOLOGIA DETERMINACION DE LA VISCOSIDAD VISCOSIMETRO DE OSWALD O CAPILARES)
RELATIVA
(PRINCIPIO
DEL
Medir la temperatura de las muestras liquidas Medir la densidad de las muestras liquidas Colocar agua en la bureta e enrasar a cero Abrir la llave y con un cronometro medir el tiempo que tardan los 25 ml. Vaciar la bureta , curar con el liquido problema llenar con este hasta la marca cero • Medir el tiempo que tarda en caer los 25 ml • Usar para los cálculos la formula siguiente • • • • •
nr = d1 * t1 d2 * t2
Donde: nr = viscosidad relativa del problema d1= densidad del fluido problema a la temperatura de la determinación t1= tiempo que tarda en fluir el volumen dado del liquido problema
d2= densidad del agua por del liquido de referencia a la temperatura de la determinación.
DETERMINACION DE LA VISCOSIDAD DINAMICA (LEY DE STOKE)
1. Medir con el termómetro las temperaturas de los líquidos. 2. Medir la densidad de cada líquido. 3. Llenar una probeta con la muestra liquida a ensayar. 4. Medir los diámetros de las esferas con el pie de rey y anotar los datos en la tabla. 5. Medir y marcar en el tubo de descenso la distancia a recorrer por las esferas. 6. Dejar caer la esfera y medir con el cronometro el tiempo que tarda en recorrer la distancia marcada. Con estos datos, calcular la velocidad de caída de la esfera en cada liquido. Repetir.
RESULTADOS VISCOSIDAD RELATIVA (PRINCIPIO DEL VISCOSIMETRO DE OSWALD O CAPILARES)
Tabla 1: resultados experimentales
SUSTANCIA TIEMPO DENSIDAD (seg.) (GR/ML)
TEMPERATURA
AGUA
12,37
1
(ºC) 20
ACEITE
73,01
0.9178
21
LECHE
12,335
1,003
19,5
VISCOSIDAD RELATIVA nr=d1*t1 d2*t2 1 5.417 1.0002
VISCOSIDAD DINAMICA (LEY DE STOKE)
Tabla 2: resultados experimentales
-
diámetro de la esfera (D): 0.0159 m
-
densidad de la esfera ( ρ = m/v): s
, mesf =0.0054 kg
ρ s
= 0.0054 /5.262*10 -7 = 10262.26 kg/m3 =10.262g/ml
VISCOSIDAD DINAMICA (kg/m*s) u
=
2 D . g .( ρ s
2.50 10.73 1.6
SUSTANCIA Velocidad = d/t (m/s)
DENSIDA D (GR/ML)
TEMPERATURA (ºC)
−
18. L / t
AGUA
0.51
1
20
ACEITE
0.12
0.9178
21
LECHE
0.798
1,003
19,5
DISCUSIONES
-
De acuerdo a los datos teóricos de viscosidad( SEGÚN PEÑA PINTADO LUIS), la viscosidad de la leche se ve afectado de factores como la temperatura ya que en este caso no se tomo en cuenta la temperatura de la leche para la determinación de la viscosidad
-
Otra característica física de la leche es la viscosidad del agua es relativamente baja casi cero , esta viscosidad es baja de todos modos pero es aun mas baja cuando su temperatura sube mas o menos a los 70 ªc su viscosidad sube.
-
Los resultados que se obtuvo en la practica con respecto a la viscosidad dinámica son demasiado erróneos esto debido a no poseer una esfera adecuada en peso, ya que esta se deslizaba muy rápidamente y no se pudo tomar el tiempo correcto de desplazamiento; así obteniendo velocidades también erróneas y como consecuencia en la aplicaron de la formula de viscosidad dinámica no se obtuvo siquiera valores aproximados.
-
Según JUANA QUESADA La viscosidad de un líquido es su resistencia a fluir debido a la fricción entre las partículas que lo componen. En la leche se da en función del número y tamaño de sus partículas y también de su temperatura. La viscosidad de la leche a 20ºC es de 2.1 centipoise y la de la leche descremada es de 1.8. de acuerdo a la practica se evaluó a los 19.5ºC y esto altero mínimamente los resultados ya que la viscosidad determinada fue de 1.0002 centipoise y también pudo haber sido debido a la composición grasa de la leche probablemente adulterada.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES -
En la realización del experimento viscosidad relativa se pudo reconocer que el agua, el aceite y la leche son fluidos newtonianos por poseer un comportamiento de viscosidad constante.
-
Dado que la leche se pego a las paredes del recipiente Se llego a concluir que la leche se adhiere a los recipientes como consecuencia de su viscosidad.
-
Se entiende por viscosidad a la resistencia que ofrece un compuesto a fluir. Por lo tanto se llego a concluir que, un fluido será más viscoso cuanta mayor resistencia ofrezca al giro de un elemento en su interior como se demostró con las muestras evaluadas
-
Finalmente se llego a concluir que La viscosidad es observable y medible, es una propiedad que varia con la temperatura, viscosidad depende de la composición química y la encontramos en cualquier fluido
CUESTIONARIO 1. presentan los líquidos ensayados resistencia al movimiento. ¿por que? SI es una propiedad distintiva de los fluidos. Esta ligada a la resistencia que opone un fluido a deformarse continuamente cuando se le somete a un esfuerzo de corte. Esta propiedad es utilizada para distinguir el comportamiento entre fluidos y sólidos.
2. mencione tres fuerzas que influyen en la esfera mientras estas se encuentra sumergida en el líquido. Empuje hidrostático Peso se la esfera = m. g Presión hidrostática Fuerza de rozamiento del fluido
F v
E
3. ¿Que son viscosímetros y cuáles son los tipos de viscosímetros? Un viscosímetro (también llamado viscosímetro) es un instrumento utilizado para medir la viscosidad de un fluido . Para líquidos con viscosidades que varían con las condiciones de flujo, un instrumento llamado reómetro se utiliza. Viscosímetros sólo miden en una condición de flujo. En general, ya sea el líquido permanece inmóvil y un objeto se mueve a través de él, o el objeto es estacionario y el fluido se mueve pasado.La fricción causada por el movimiento relativo del fluido y una superficie es una medida de la viscosidad. Las condiciones de flujo debe tener un valor suficientemente pequeño de número de Reynolds para que haya flujo laminar . TIPOS
Viscosímetros de tubo U Estos dispositivos también son conocidos como viscosímetros capilares de vidrio o de viscosímetros de Ostwald, el nombre de Wilhelm Ostwald .
La caída del pistón viscosímetro También conocido como viscosímetro Norcross, debido al inventor, Austin Norcross. Principio de medición de la viscosidad de este dispositivo industrial robusto y sensible se basa en el conjunto de pistón y cilindro
Viscosímetros vibracional Viscosímetros vibracional se remontan a la década de 1950 Bendix instrumento, que es de una clase que funciona mediante la medición de la amortiguación de un resonador oscilante electromecánicos sumergido en un líquido cuya viscosidad se determina.
Viscosímetros de rotación Viscosímetros de rotación utilizar la idea de que el par necesario para convertir un objeto en un fluido es una función de la viscosidad de dicho fluido. Miden el esfuerzo de torsión requerido para rotar un disco o una sacudida en un fluido a una velocidad conocida.
Viscosímetro Stabinger Al modificar el clásico viscosímetro Couette de rotación, una precisión comparable a la de la determinación de la viscosidad cinemática se logra
Viscosímetro Stormer El viscosímetro Stormer es un instrumento de rotación utilizada para determinar la viscosidad de las pinturas, comúnmente utilizado en las industrias de la pintura. Viscosímetro de burbujas Viscosímetros burbuja se utilizan para determinar rápidamente la viscosidad cinemática de líquidos conocidos como resinas y barnices. 4. Una tensión cortante de 0.4 n/m2 da lugar a que un fluido newtoniano experimente una deformación angular de 1 rad/seg ¿cuál es la velocidad en centipoise?
τ = 0.4 N/m2 γ = 1 Rad/s Formula
μ= τ /γ → μ=
0,4 N/m2 1rad/seg
= 0,4 Pa.s
μ= 0,4Pa.s (1cp/0,001Pa.s) = 400cp
BIBLIOGRAFÍA Fuente: Peña Pintado, Luis (2005) viscosidad, Perú (UNMSM) http://www.monografias.com/trabajos33/viscosidad/viscosidad.shtml 2. Modulo Virtual De Aprendizaje Docente: Juana Quesada Vera Carrera Pofesional Industrias Alimentarias Tema: La Leche Instituto Superior Tecnologico Publico “Enrique Lopez Albujar” - Ferreñafe 3. Fuente: Ing. Iván Forcada Quezada, definición de fluido, México http://www.construaprende.com/Lab/10/Prac10_1.html 4. Fuente: La revista INVESTIGACIÓN Y CIENCIA, edición española de Scientific y no newtoniano, España American (2009)Fluido newtoniano http://www.mitecnologico.com/iem/Main/FluidoNewtonianoYNoNewtoniano 5. Fuente: LORENZO BASURTO (2001) Viscosidad; efectos del calor, Perú http://taninos.tripod.com/viscosidad.htm 6. Fuente: Universidad Nacional del Callao (UNAC) Viscosímetro de Ostwald, Perú http://kimikofik.webcindario.com/2fico10.pdf 7. Fuente: Escuela de ingeniería de Antioquia, Colombia http://fluidos.eia.edu.co/fluidos/propiedades/viscosidad/caidalibrevis.html 1.
