UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMERICA)
FACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICAS E.A.P CIENCIAS BIOLÓGICAS
Práctica Nº 04: Viscosidad de líquidos
CURSO:
Fisicoquímica.
INTEGRANTES :
FECHA:
25 de noviembre del 2016
LIMA – PERÚ
La finalidad del siguiente informe es aprender la determinación de la viscosidad de líquidos y su posible uso en la industria, en este caso se trabajó con el del 2 propanol a 20, 30 y 40 grados y como referencia, el agua destilada; de igual manera se utilizó el viscosímetro de Oswald para la determinación de los tiempos de ambos líquidos. Es así como podemos concluir que la temperatura es un factor que afecta la viscosidad, mientras la temperatura aumenta, la viscosidad de un líquido disminuye, esto se cumple en el caso de un líquido.
Determinar la viscosidad es esencial en todas las industrias, aunque parezca en un principio un parámetro de no mucha importancia en la fabricación de fluidos como aceite, pintura, pastas, cremas, entre otros, realmente es importante saber que a partir de la viscosidad, podemos conocer el comportamiento de un producto en su proceso de fabricación, importante en la industria para el control del proceso y por tanto decisivo para conseguir la mejor calidad del producto. Aquello nos permite detectar de la mejor manera algunos cambios en el producto como el color, densidad, estabilidad, contenido de sólidos y peso molecular debido a que está determinado por leyes físicas y químicas. En fin, el conocimiento de la viscosidad es ciertamente importante en la búsqueda de la mejor calidad en los productos.
Los líquidos a diferencia de los sólidos tienen la capacidad de poder fluir, es decir, si se pone en movimiento a un líquido, éste al moverse trata de permanecer todo junto, y es precisamente atribuida su virtud de ser viscosos. La Viscosidad es la resistencia que tienen las moléculas que conforman un líquido para separarse unas de otras, es decir, es la oposición de un fluido a deformarse y esta oposición es debida a las fuerzas de adherencia que tienen unas moléculas de un líquido o fluido con respecto a las otras moléculas del mismo líquido. Esta puede expresarse como: Viscosidad Absoluta
Es una propiedad de los fluidos que indica la mayor o menor resistencia que estos ofrecen al movimiento de sus partículas cuando son sometidos a un esfuerzo cortante. Algunas unidades a través de las cuales se expresa esta propiedad son el Poise (P), el Pascal-Segundo (Pa-s) y el centiPoise (cP), siendo las relaciones entre ellas las siguientes: 1 Pa-s = 10 P = 1000 cP. Suele denotarse a través de la letra griega μ. Es importante resaltar que esta propiedad depende de manera muy
importante de la temperatura, disminuyendo al aumentar ésta.
= /
Viscosidad Cinemática
Es la relación entre la viscosidad absoluta y la densidad de un fluido. Esta suele denotarse como υ, por lo cual υ = μ/ρ. Algunas de las unidades para expresarla
son el m2/s, el stoke (St) y el centistoke (cSt), siendo las equivalencias las siguientes: 1 m2/s = 10000 St = 1x106 cSt. Imagínese dos fluidos distintos con igual viscosidad absoluta, los cuales se harán fluir verticalmente a través de un orificio. Aquél de los fluidos que tenga mayor densidad fluirá más rápido, es decir, aquél que tenga menor viscosidad cinemática. Uno de los dispositivos existentes para hallar esta propiedad es el Viscosímetro Saybolt, en el cual la muestra a analizar se introduce en un cilindro con un orificio en su parte inferior (de 1/8 o 1/16”). El fluido se deja escurrir a través del orificio y
se mide el tiempo.
=
Viscosidad relativa
La viscosidad relativa es la viscosidad con respecto a la viscosidad del agua. Te da entonces la relación entre la viscosidad de lo que estés midiendo y la del agua Viscosidad relativa= Visc. Absoluta/ Visc. Agua a 20°c Uso del viscosímetro de Ostwald:
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 ley de Poiseuille se vincula con el caudal de fluido que circula por un conducto:
Perfil de velocidades del fluido que corre por un tubo uniforme de sección circular.
En la figura se muestra un tramo de tubo bajo la presión P1 en el extremo izquierdo y la presión P2 en el extremo derecho y esta diferencia de presiones es la que hace moverse al fluido a lo largo del tubo. El caudal (volumen por unidad de tiempo) depende de la diferencia de presiones (P1 - P2), de las dimensiones del tubo y de la viscosidad del fluido. La relación entre estas magnitudes fue determinada por el francés J. L. Poiseuille asumiendo un flujo laminar y a esta relación se le conoce como Ley de Poiseuille.
Donde R es el radio del tubo, L su longitud y η es el coeficiente de viscosidad.
Para el experimento se usara la siguiente relación :
= =
² 8
⁴ℎ 8
Al relacionar dos liquidos en un mismo viscosímetro: ₁ ₁₁ = ₂ ₂₂ Donde: ∶ viscosidad absoluta en centipoises : Volumen de líquido : Radio del Capilar : Tiempo de escurrimiento : Aceleración de la gravedad ℎ: Diferencia del nivel del líquido entre los bordes del tubo : Longitud del tubo capilar : Presión hidrostática = ρgh : Densidad del líquido
Tabla 4.1 Datos de los tiempos de escurrimiento del 2-propanol mediante el uso del viscosímetro: Temperaturas (°C) 20 30
1° 10.9 8.42
40
7.25
promedio 10.77 8.52
7.12
7.2
Tabla 4.2 Datos de los tiempos de escurrimiento del agua mediante el uso del viscosímetro: Temperaturas (°C) 20 30 40
Tiempos (s) 2° 10.65 8.62
1° 4.82 3.99 3.6
Tiempos (S) 2° 4.76 3.99 3.53
promedio 4.79 3.99 3.56
Tabla 4.3 Datos de la gravedades específicas del 2-propanol de la práctica N°3 “Determinación de densidad de líquidos” con sus respectivas temperaturas:
Temperatura (°C) 20 30 40
Gravedad especifica 0.7903 0.7854 0.7800
Tabla 5.1 Datos teóricos de las densidades del 2-propanol y del agua: Densidad (Kg/m3) Temperaturas (°C) 20 30 40
2-propanol
agua
786.125 776.906 767.451
1002.09 995.772 989.321
Tabla 5.2 Datos teóricos de la viscosidad del 2-propanol y del agua: Viscosidad ( mPa*s) Temperaturas (°C) 20 30 40
agua 1.00166 0.800117 0.655688
Tabla 6.1 Datos de la densidad experimental del 2-propanol: Temperatura (°C) 20 30 40
2-propanol 2.39278 1.77496 1.33855
Densidad (Kg/m3) 791.95 782.079 771.67
Tabla 6.2 Datos de la viscosidad experimental del 2-propanol: Temperatura (°C) Viscosidad (mPa*s) 20 30
1.77988 1.34187
40
1.03436
Tabla 6.3 Datos del porcentaje de error de la viscosidad del 2-propanol: Temperatura (°C) Porcentaje de error (%) 20 25.6 30 24.4 40 22.7
Cálculos para hallar las densidades del 2-propanol: -Usando los datos de la tabla 4.3 y la tabla 5.1 determinaremos las densidades del 2-propanol con sus respectivas temperaturas mediante la siguiente ecuación: = Reemplazando: 20°C o
− = 0.7903 1002.09
= 791.95 Kg/m3 o
30°C − = 0.7854 995.772
= 782.079 / o
40°C − = 0.78 989.321
= 771.67 / Cálculos para hallar la viscosidad experimental del 2-propanol usando las tablas 4.1, 4.2, 5.1 y 5.2 mediante la siguiente ecuación: − − − = Reemplazando: o
20°C
− 791.95 10.77 = 1,00166 1002.09 4.79 − = 1.77988 ∗ o
30°C
782.079 8.52 = 0.800117 995.772 3.99 − = 1.34187 ∗ o
40°C
− 771.67 7.2 = 0.655688 989.321 3.56 − = 1.03436 ∗
Cálculos para hallar el porcentaje de error de la viscosidad del 2-propanol usando la tabla 5.2: 20°C o 2.39278 1.77988 % = 100 2.39278
= 25.6% o
30°C
% =
1.77496 1.34187 100 1.77496
= 24.4% o
40°C
% =
1.33855 1.03436 100 1.33855 = 22.7%
De la tabla 6.1 se puede apreciar que a medida que la temperatura aumenta la densidad disminuye al igual que la viscosidad de la tabla 6.2. De la tabla 6.3 obtenemos unos porcentajes de error no muy elevados; estos errores se pudieron haber dado por las siguientes razones: una mala exactitud al controlar el tiempo de escurrimiento del 2-propanol, la concentración del 2-propanol no es pura o porque el viscosímetro no ha sido lavado de una forma adecuada ya que pudo haber quedado restos de detergente ocasionando que el escurrimiento tome un mayor tiempo.
A mayor temperatura el valor de la viscosidad de un líquido va a disminuir. El uso del viscosímetro da una medida casi exacta de la viscosidad, en los líquidos con viscosidades bajas fluyen fácilmente y cuando la viscosidad es elevada el líquido no fluye con mucha facilidad.
Skoog, D. and West, D. (1974). Introducción a la química analítica. Barcelona, Spain: Editorial Reverte. Vogel Calculation(2016). [online] URL [http://ddbonline.ddbst.com/VogelCalculation/VogelCalculationCGI.exe] [Entrada el 17 de Noviembre del 2016].
Brown, Lemay, Bursten . Química la ciencia central; Editorial Pearson.
1. ¿Por qué es necesario conocer la viscosidad de una sustancia? La viscosidad es una propiedad de los fluidos que es de gran importancia en múltiples procesos industriales, además de ser una variable de gran influencia en las mediciones de flujo de fluidos, el valor de viscosidad se usa como punto de referencia en la formulación de nuevos productos, facilitando la reproducción de la consistencia de un lote a otro. 2. Explique algunos métodos analíticos o graficos para estimar la viscosidad de una sustancia. La grafica log( ) vs 1/T nos da a entender que cuando menor es la inversa de la temperatura (es decir la temperatura es mayor) entonces el valor del log(viscosidad) va a disminuir de forma lineal (la viscosidad disminuye). Es decir la ecuación de esta grafica tendría la forma y = aX + b, una línea recta.
Ley de Poiseuille De la naturaleza general de los fenómenos de viscosidad resulta evidente que la velocidad de un fluido viscoso es la misma en la sección transversal. Para un tubo la capa más externa se adhiere a las paredes del tubo y su velocidad es nula. Las paredes ejercen sobre esta capa un arrastre hacia atrás, que a su vez tira también de las capas que siguen y así sucesivamente. Siempre que el movimiento no sea demasiado rápido el flujo es laminar con una velocidad que es máxima en el centro del tubo y nula en las paredes. Considérese la porción de tubo de la figura, de radio R y longitud L por el que circula en régimen laminar un fluido de viscosidad h. Un pequeño cilindro de radio r está en equilibrio (moviéndose con velocidad constante) bajo la acción de la fuerza impulsora originada por la diferencia de presión entre los extremos y la fuerza retardante debida a la viscosidad que actúa sobre la superficie lateral. La fuerza impulsora es (p1-p2) pr2, mientras que la retardante es -hAdv/dy= -h2prLdv/dy. El signo negativo se debe a que v disminuye cuando r aumenta. Igualando estas fuerzas e integrando: ∫dv= ( (p1-p2) / 2h L) ∫rdR
v= ((p1-p2) / 4hL)(R2-r2)
Lo que queda es la ecuación de una parábola. El gradiente de velocidad dv/dr para un radio cualquiera es la pendiente de esta curva medida respecto a un eje vertical.
Para hallar el caudal Q, o sea el volumen de fluido que atraviesa cualquier sección del tubo en la unidad de tiempo, se tiene: dV = v dAdt Si dA = 2prdr, entonces: dV=((p1-p2)/4hL) (R2-r2)2prdrdt Integrando: dV/dt= Q =(p (p1-p2)/2hL) ∫ (R2-r2)rdr= (p R4 / 8hL) (p1-p2) Esta relación es la ley de Poiseuille: "El caudal es inversamente proporcional a la viscosidad y varía en proporción directa a la cuarta potencia del radio del tubo". 3. Explique otros métodos experimentales brevemente. Experimento simple. Una manera de probar la viscosidad de un líquido es observando cuánto tarda un objeto para hundirse en ese líquido. Se puede proceder tomando en el costado de la botella aproximadamente 3 cm. (1 pulgada) de cada extremo, se dibujan dos líneas por todo alrededor con un marcador permanente. Introducimos una canica en la botella, llenamos la botella con agua hasta el tope y cerramos firmemente la tapa, vertimos la botella y observamos cómo cae la canica en el agua. (Cae muy rápidamente.) Con el cronómetro, medimos el tiempo que demora la canica para caer de una línea de la botella a la otra cuando la inviertes. (Esto es casi imposible de hacer porque la canica cae muy rápidamente. El agua no es muy viscosa). Y repetimos para tomar diferentes ensayos. Viscosímetro couette o hatshek8. Consiste en un cilindro suspendido por un filamento elástico, al cual va unido un espejo para determinar el ángulo de torsión en un modelo, o un dinamómetro provisto de una escala en otros modelos. Este cilindro está colocado coaxialmente en un recipiente cilíndrico, donde se encuentra el líquido cuya viscosidad ha de determinarse, este gira a velocidad constante y su movimiento es transferido al líquido que a su vez pone en movimiento el cilindro interior en torno de su eje hasta que la fuerza de torsión es equilibrada por la fuerza de fricción. Como el ángulo de torsión es proporcional a la viscosidad, se puede determinar la viscosidad de un líquido, si se conoce la del otro líquido por comparación de los dos ángulos de torsión.
