Universidad De Antofagasta Facultad de Ingeniería Departamento de ingeniería mecánica
Laboratorio N°1 “Determinación de la viscosidad con el viscosímetro Saybolt Universal”
Estudiantes: Kevin Anacona J. Raul Collao C. David Erazo R. Hugo Julio O. David Rodriguez. Académico: Hugo Cayo Asignatura: Mecánica de Fluidos I
Viernes 15 de Mayo, 2015. Antofagasta
LAB N° 1 VISCOSIDAD
Índice
Introducción………………………………………………………. Página 3 Marco Teórico……………………………………………………. Página 4 Desarrollo experimental……………………………………….... Página 7
Equipos y materiales……………………………………... Página 7 Procedimiento…………………………………………..… Página 8
Resultados……………………………………………………...… Página 9 Conclusión……………………………………………………...… Página 11
MECANICA DE FLUIDOS
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LAB N° 1 VISCOSIDAD
Introducción
En la rama de la ciencia “Mecánica de fluidos” es muy importante conocer las propiedades que posee un fluido, ya que estas nos dan a conocer en donde es más apropiado el uso de cada uno de ellos. Una de las propiedades más importantes es la viscosidad, la cual se conoce como la oposición que presenta un fluido a la deformación. Este informe contiene una experiencia que tiene como finalidad demostrar que la viscosidad de un fluido tiene una relación inversamente proporcional con la temperatura a la cual se somete, en otras palabras, demostrar que al ir aumentando la temperatura del fluido, en este ira disminuyendo su viscosidad. Para la realización de esta experiencia, contamos con un equipo llamado viscosímetro Saybolt Universal, el cual nos dará los resultados para luego comprobar lo que la teoría nos dice.
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Marco teórico
La viscosidad es la oposición a la deformación ofrecida por un fluido, resultante de los efectos combinados de la cohesión y la adherencia. Esta se produce por el efecto de corte o deslizamiento resultante del movimiento de una capa de fluido con respecto a otro. Se puede considerar como una causa, debido a, la fricción interna de las moléculas, que se presenta tanto en gases ideales como en líquidos y gases reales. Se ha visto que cuando los fluidos están en pleno movimiento relativo, se desarrollan esfuerzos cortantes que dependen de la viscosidad del fluido. La viscosidad se mide en unidades de Pa s, kg m s , lbm pie s , N s m 2 , o poise. La tensión de corte puede definirse como la fuerza requerida para deslizar una capa de área unitaria de una sustancia sobre otra capa de la misma sustancia, por lo tanto, es una fuerza dividida 2
por un área y puede medirse en N m , Pa , posteriormente, surge el concepto de viscosidad dinámica
( Pa s ), que se genera a partir de la división entre esta fuerza
dividida por el gradiente de velocidad, finalmente la viscosidad cinemática m s , es equivalente a dividida por (densidad). 2
Fig.1. Gradiente de velocidad de un fluido en movimiento Puesto que se desarrolla un esfuerzo viscoso, es decir, una fuerza viscosa por unidad de área, podemos saber a partir de la ley de newton, sabemos que el fluido debe experimentar una rapidez de cambio de cantidad de movimiento: El gradiente de velocidad se define como v y y es una medida de cambio de velocidad, conocida también como rapidez de corte. Como la tensión de corte es directamente proporcional al gradiente de velocidad, podemos establecer la siguiente expresión matemática, conocida como la Ley de Newton para la viscosidad:
v es una constante de proporcionalidad conocida como y viscosidad dinámica del fluido.
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Viscosidad Dinámica Se le conoce también como viscosidad absoluta, Se define como el tiempo en que tarda en fluir a través de un tubo capilar a una determinada temperatura. Sus unidades son el poise o centipoise (gr/SegCm), siendo muy utilizada a fines prácticos. Su función como propiedad de los fluidos, indica que si la resistencia que estos ofrecen al movimientos de sus partículas cuando son sometidos a un esfuerzo cortante es mayor o menor.
Viscosidad Cinemática Como una convención, la viscosidad cinemática (υ) se define como el cociente entre la viscosidad dinámica de un fluido y su densidad. Debido a que la viscosidad dinámica y la densidad son propiedades del fluido, la viscosidad cinemática también lo es. La expresión matemática para la viscosidad cinemática es:
µ es la viscosidad dinámica y ρ es la densidad del fluido.
Viscosímetro Universal Saybolt
La facilidad con que un fluido fluye a través de un orificio de diámetro pequeño es una indicación de su viscosidad. Éste es el principio sobre el cual está basado el viscosímetro de Saybolt. La muestra de fluido se coloca en un aparato parecido al que se muestra en la figura.
Después de que se establece el flujo, se mide el tiempo requerido para colectar 60 mL del fluido. El tiempo resultante se reporta como la viscosidad del fluido en Segundos Universales Saybolt (SSU o. en ocasiones, SUS). Puesto que la medición no está basada en la definición fundamental de viscosidad, los resultados son solamente relativos. Sin embargo, sirven para comparar las viscosidades de diferentes fluidos. La ventaja de este procedimiento es que es sencillo y requiere un equipo relativamente simple. Se puede hacer una conversión aproximada de SSU a viscosidad cinemática. En las figuras siguientes se muestran el viscosímetro de Saybolt disponible comercialmente y la botella de 60 mL que se utiliza para colectar la muestra. El uso del viscosímetro de Saybolt fue cubierto anteriormente por la norma ASTM D88. Sin embargo, dicha norma ya no es apoyada por la ASTM.. Se le da preferencia ahora al uso de los viscosímetros capilares de vidrio descritos en las normas ASTM D445 D446 que son los métodos estándar de prueba para viscosidad cinemática de líquidos MECANICA DE FLUIDOS
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LAB N° 1 VISCOSIDAD transparentes y opacos, y las especificaciones estándar e instrucciones de operación para viscosímetros cinemáticas capilares de vidrio, respectivamente
Determinación de la viscosidad con un viscosímetro saybolt
El viscosímetro Saybolt consiste esencialmente de un tubo cilíndrico de bronce en cuyo fondo está un orificio de dimensiones específicas. El tubo de bronce es rodeado por un baño a temperatura constante. Cuando la muestra en el tubo alcanza la temperatura de la prueba, se mide el tiempo requerido para que 60ml del líquido pasen a través del orificio. La muestra se recoge en un frasco estándar calibrado. La unidad de medida es el tiempo en segundos requeridos para que 60 ml de un fluido fluyan a través del orificio a una temperatura dada. Esto es reportado como segundos Saybolt universal (sus). Por ejemplo: 350 sus a 100ºf. El viscosímetro Saybolt Furol: Utiliza el mismo principio que el universal, excepto que es diseñado con un orificio más grande para adaptarse a fluidos más viscosos.
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Desarrollo experimental
Equipos y materiales
Viscosímetro Universal Saybolt
Cronometro
Termómetro (en grados Celsius)
Aceite 10W-30
Frasco recibidor
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Procedimiento I. II. III. IV.
V. VI. VII. VIII.
Establecer la temperatura de prueba en el termostato del viscosímetro, a la cual analizaremos el comportamiento del fluido. Insertar el tapón. Filtrar la muestra directamente sobre el viscosímetro, hasta que el nivel supere el límite del anillo de sobre flujo. Agitar la muestra en el viscosímetro con un termómetro. Cuando la temperatura permanezca constante y este cerca de la temperatura de ensayo, retirar el termómetro Retirar el exceso de muestra alrededor del anillo de sobre flujo. Insertar el frasco recibidor en posición vertical al tapón. Retirar el tapón e iniciar la medición del tiempo con el cronómetro. Registrar el tiempo transcurrido hasta que el nivel de aceite alcance la marca sobre el frasco recibidor (60ml).
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Resultados
Luego de realizar la experiencia ejecutando los pasos establecidos, se consiguieron los siguientes valores que están tabulados a continuación: Medicion
Temperatura °F
Temperatura °C
Viscosidad (SSU)
Viscosidad (Cst)
1
160
71,1
166
35,44
2
176
80
95
19,01
3
192,2
89
68
12,31
4
213,8
101
53
8,26
Tabla Nº1 Resultados obtenidos en la medición de viscosidad
Donde, para realizar la conversión de los datos obtenidos de viscosidad SSU a viscosidad absoluta o dinámica (Cst) se utiliza la siguiente expresión:
𝑣 = 0,22 ∗ 𝑡 −
180 𝑡
(Cst)
(Ecuación 1)
Donde t es la viscosidad SSU, tiempo en que demora el aceite en llenar el frasco. Luego los datos fueron llevados a un gráfico de viscosidad vs temperatura para cada combinación:
Viscocidad SSU
Viscosidad SSU vs Temperatura °F 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0
50
100
150
200
250
Temperatura °F Figura Nº1-Curva Viscosidad SSU vs Temperatura °F
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Viscocidad Cinematica
Viscosidad Cst vs Temperatura °F 40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0
50
100
150
200
250
Temperatura °F Figura Nº2-Curva Viscosidad Cst vs Temperatura °F
Viscosidad SSU VS Temperatura °C Viscocidad SSU
200 150 100 50 0 0
20
40
60
80
100
120
Temperatura °C Figura Nº3-Curva Viscosidad SSU vs Temperatura °C
Viscocidad Cinematica
Viscosidad Cst vs Temperatura °C 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 0
20
40
60
80
100
120
Temperatura °C Figura Nº4-Curva Viscosidad Cst vs Temperatura °C
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Conclusión
Al finalizar nuestra experiencia y analizar los resultados obtenidos, se puede llegar a la conclusión de que el procedimiento se realizó correctamente, tomando en cuenta que reafirmamos lo que la teoría nos indica “La temperatura aplicada al fluido, es inversamente proporcional con su viscosidad”, o en otras palabras “a mayor temperatura, menor viscosidad” Se puede observar en las gráficas mostradas, que al ir aumentando el valor de la temperatura, implica que la que la viscosidad del fluido decrezca, en otras palabras se podría decir que al ir aumentando la temperatura, el fluido demora menos tiempo en llegar al recipiente de 60 ml.
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