“UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTOBAL DE HUAMANGA” FACULTAD DE ING. QUIMICA Y METALURGIA
ESCUELA DE FORMACION PROFESIONAL INGENIERIA AGROINDUSTRIAL PRACTICA Nº 01 “DETERMINACIÓN DE VISCOSIDAD”
PROFESOR DE TEORIA:
ING. Jorge, MÁLAGA JUAREZ
PROFESOR DE PRÁCTICA:
ING. Ana, ZEGARRA
CURSO:
OPERACIONES UNITARIAS I (AI-342)
HORA DE PRÁCTICA: ALUMNO:
VIERNES 8 – 11 am. PALOMINO CURI, Rufino
CASTRO ROMERO, Jimmy Alí
AYACUCHO – PERÚ 2009
DETERMINACIÓN DE VISCOSIDAD I.
OBJETIVOS. 1.1 Determinar la viscosidad de fluidos por comparación de tiempo de escurrimiento de entre dos fluidos, uno de ellos tomado como referencia. 1.2 Determinar la viscosidad de fluidos mediante un viscosímetro de tambor giratorio. 1.3 Obtener una correlación que represente la variación de la viscosidad con respecto a la temperatura.
II. FUNDAMENTO TEÓRICO. Densidad es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia. Por consiguiente se utiliza la letra griega ρ (rho) para la densidad, en donde V es el volumen de la sustancia cuya masa es m las unidades de densidad son kilogramos por metro cúbico en el sistema internacional (SI). ρ=m/V Viscosidad 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. Se puede predecir la viscosidad de la mayor parte de los fluidos: en algunos la viscosidad depende del trabajo que se haya realizado sobre ellos. La tinta de la imprenta, las papillas de la pulpa de madera y la salsa de tomate, son ejemplos de fluidos que tienen propiedades tixotrópicas de viscosidad (su viscosidad disminuye por la acción y duración de un esfuerzo aplicado, al cesar este la viscosidad retorna a su estado inicial).
Viscosímetro de Tambor giratorio.
Este aparato mide la viscosidad utilizando la definición de la viscosidad dinámica
Viscosímetro rotacional Viscosímetros rotacionales digitales para medir la viscosidad dinámica (cPó mPa.s). Se manejan de modo sencillo con sólo 6 teclas. Tres versiones con distintos rangos permiten medir viscosidades bajas (L), medias (R) o altas (H), entre 20 cP y 1.060.000 P. Muestran en pantalla la velocidad en r.p.m. (18 velocidades preseleccionadas, entre 0,3 y 100 rpm), el husillo utilizado, la lectura de viscosidad y el porcentaje (%) de fondo de escala. Permiten la calibración por el usuario. Se suministra con soporte, nuez y juego de husillos para los diferentes rangos de viscosidad.
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).
Viscosímetro de oswald El viscosímetro de Oswald es el más antiguo de los viscosímetros capilares de vidrio. Como ocurre en general en este tipo de viscosímetros la fuerza impulsora es la gravedad. Según este método el liquido en estudio debe succionarse por encima de la marca superior y mediante un cronometro se determina el tiempo que tarda el menisco de liquido para pasar de la señal de la marca superior a la marca inferior
El balance de masa para un sistema de determinación de viscosidad por escurrimiento laminar de un fluido Newtoniano e incompresible esta dado por:
dV/dt = [(лρgd4)/ (128μL)]h(t) Donde:
dV = (лD 2/4)dh
………….(1)
Variación de volumen.
Entonces en la ecuación (1) se tiene:
dh/dt = [(ρgd4)/ (32μL D2)]h(t) ……………(2) Integrando y reordenando la ecuación (2) se tiene:
h = ho exp{ [-(ρgd4)/ (32μL D2)] t} ………..(3) ho : Altura inicial del fluido, ahora para dos fluidos diferentes que escurren en régimen laminar por el tubo capilar desde la altura inicial ho hasta una altura final se relacionan por: h(t 1)=h(t2) Luego de la ecuación (3) se tiene:
ho exp{ [-(ρ1gd4)/ (32μ1L D2)] t1}= ho exp{ [-(ρ2gd4)/ (32μ2L D2)] t2} Simplificando se obtiene: μ1/ μ2 = (ρ1 t1 / ρ2 t2 ) ……….. (4) Un viscosímetro de tambor giratorio mide la viscosidad utilizando la definición de viscosidad dinámica dada por la ecuación (5)
μ = ґ /(Δv/Δy)………(5)
III. PROCEDIMIENTO. III.1 Utilizar un viscosímetro Cannon-Fenske para determinar la viscosidad de una solución de sacarosa al 5; 10 y 15% en peso. III.2 El tubo del viscosímetro es cargado con una cantidad específica del fluido de prueba. III.3 Luego se termotatiza en baño de Maria a temperaturas determinadas. III.4 Mediante succión se levanta el líquido a través del bulbo y se deja ligeramente por encima de la marca de regulación superior. Se retira la succión y se permite al líquido fluir bajo el efecto de la gravedad. III.5 Se registra el tiempo requerido para que el borde superior del menisco pase de la regulación superior a la inferior. III.6 Previo al experimento se realiza la calibración con agua destilada a una temperatura del medio ambiente. 30ºC y 40ºC. III.7 Realizar la medición de la viscosidad a varias temperaturas. La variación de la densidad con la temperatura se considera despreciable frente a la variación de la viscosidad para el fluido de prueba. III.8 El picnómetro se pesó vacío, después se carga el picnómetro con la muestra (leche) y se peso el picnómetro mas la leche a la temperatura del medio ambiente y después a 30ºC y 40ºC. Para su posterior calculo de la densidad a cada temperatura. III.9 Para el viscosímetro digital de tambor giratorio, colocar la muestra (yogurt) en el depósito, determinar el tipo de tambor rotatorio de acuerdo a un aproximado de la viscosidad de la muestra. III.10 Termotatizar la muestra y observar el valor de viscosidad. Así para varias temperaturas. IV. CALCULOS Y RESULTADOS. DENSIDAD (ρ) ARQUIMIDES Nro TempePeso lastre ratura aire (T) ºC (g) 1 19,8 6,5865 2 30 6,5865 3 40 6,5865 CÁLCOLOS
Peso lastre H2O (d) (g) 5,5889 5,5891 5,5898
Peso lastre Muestra (g) 5,5294 5,5315 5,5320
ρ Muestra = Peso lastre aire – Peso lastre muestra Peso lastre aire – Peso lastre H 2O ρ Muestra =
6,5865 g – 5,5294 g x 0,9983 g/mL 6.5865 g – 5,5889 g
ρ Muestra =
1,0578 g/mL 1Kg 1x106mL 1000g 1m3 1057,8 Kg/ m 3
ρ Muestra =
ρ H2O (g/ml)
ρ muestra (Kg/m3)
0,9983 0,9957 0,9922
1057,8 1053,2 1049,7
x ρ H 2O
ρ Muestra =
6,5865 g – 5,5315 g x 0,9957 g/mL 6.5865 g – 5,5891 g
ρ Muestra =
1,0532 g/mL 1Kg 1x106mL 1000g 1m3 1053,2 Kg/ m 3
ρ Muestra = ρ Muestra =
6,5865 g – 5,5320 g x 0,9922 g/mL 6.5865 g – 5,5898 g
ρ Muestra =
1,0497 g/mL 1Kg 1x106mL 1000g 1m3 1049,7 Kg/ m 3
ρ Muestra = PICNÓMETRO Nro Temperatura (T) ºC 1 19,8 2 30 3 40
Peso pic. vacio (g) 19,4072 19,4072 19,4072
Peso pic+muestra (g) 45,7584 45,6363 45,5618
Peso Muestra (g) 26,3512 26,2291 26,1546
CÁLCOLOS ρ Muestra =
ρ Muestra = ρ Muestra =
ρ Muestra = ρ Muestra = ρ Muestra = ρ Muestra =
Peso de la muestra (Kg) Volumen de la muestra (m 3) 26,3512 g 1Kg 1x10 6mL 25mL 1000g 1m 3 1054,0480 Kg/ m 3
26,2291 g 1Kg 1x10 6mL 25mL 1000g 1m 3 1049,1640 Kg/ m 3 26,1546 g 1Kg 1x10 6mL 25mL 1000g 1m 3 1046,1840 Kg/ m 3
VISCOSIDAD (μ) VISCOSIMETRO DE OSWALD
volumen (ml)
ρ muestra (Kg/m3)
25 25 25
1054,0480 1049,1640 1046,1840
Nro t1 1 t2 t3 t1 2 t2 t3 t1 3 t2 t3
Temp. (ºC) 19,8 30 40
Tiempo H2O (S) 0,75 0,76 0,78 0,52 0,53 0,56 0,47 0,47 0,46
Tiempo Leche (S) 3”22 3”37 3”42 2”44 2”26 2”30 1”98 1”71 1”79
ρ leche μ leche (K g/m3) (cp)
0998,3
1,0100
1057,8
4,6783cp 0,003414
0995,7
0,8007
1053,2
3,6821cp 0,003299
0992,2
0,6560
1049,7
2,7255cp 0,003193
CÁLCULOS μ2 =
1/T[K -1]
ρ H2O μ H2O 3 (K g/m ) (cp)
ρ2 x t2 x μ1 ρ1 x t 1
μ 2 = 1057,8 K g/m3 x 3,3367 S x 1,0100 cp 0998,3 K g/m3 x 0,7633 S μ 2 = 4,6783cp μ 2 = 1053,2 K g/m3 x 2,3333 S x 0,8007 cp 0995,7 K g/m3 x 0,5367 S μ 2 = 3,6821cp μ 2 = 1049,7 K g/m3 x 1,8267 S x 0,6560 cp 0992,2 K g/m3 x 0,4667 S μ 2 = 2,7255cp VISCOSÍMETRO ROTACIONAL Tiempo (S) Viscosidad (μ) 0 1973 20 1943 40 1930 60 1917 80 1903 100 1900 120 1893 140 1883 160 1880 180 1877 4.1. Graficar la μ Vs (t).
1/T[K-1] Vs μ
5 4 3
μ
2
y = 8833,7x - 25,474
1
2
R = 0,9999
0
0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003
1/T[K-1 4.2. Graficar μ Vs (1/T)
GRÁFICA DENSIDAD - TIEMPO
1980
y = -0,4894x + 1953,9
μ ( 1960 D 1940 A D I1920 S N 1900 E 1880 D
2
R = 0,9124
1860 0
50
100
TIEMPO(t)
150
200
4.3. Graficar log(μ) Vs (1/T) en papel milimetrado y determinar las constantes A y B de la ecuación de Andrade.
Log 4,6783 = 0,6701 Log 3,6821 = 0,5661 Log 2,7255 = 0,4354
1/T[K -1] = 0,003414 0,003299 0,003193
log(μ) Vs 1/T[K-1] 0,8 0,6
) μ ( g0,4 o l
y = 1059,8x - 2,9421
0,2
2
R = 0,9921
0
0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003
1/T[K-1] constantes A = 1059,8 constantes B = -2,9421 V. DISCUSION. Nro.
Temperatura (ºC)
1
Ambient = 19.8
Viscosidad(μ) de la Viscosidad(μ) de la leche en la tabla (cp) leche calculado (cp) 2,0070
4,6783
2
30
1,6500
3,6821
3
40
2,0000
2,7255
Estas diferencias se dan por las diferentes motivos como: Errores en el manejo de los instrumentos, en el control del tiempo en el control de medición de densidades en la parte practica.
-
Por tanto los resultados obtenidos son confiables pero no con exactitud.
VI. CUESTIONARIO.
6.1. Explique porque la viscosidad del fluido disminuye a un incremento de la temperatura. Para temperaturas elevadas, la viscosidad de los líquidos es muy pequeña esto sucede cuanto mayor la temperatura desminuye la cohesión molecular entonces existe menor rozamiento por tanto la viscosidad disminuye Se observa que cuando la temperatura del fluido aumenta, la influencia de la presión disminuye. En los gases: 1.A mayor presión, mayor temperatura y mayor movimiento aleatorio de las moléculas. 2. esto implica resistencia, y la resistencia implica aumento de la viscosidad. 3. Es por ello, que las formulas para calcular viscosidades de líquidos y de gases son diferentes. por ejemplo El aceite para el motor, por lo general, es bastante difícil de vaciar cuando este frío, lo cual indica que tiene una viscosidad bastante alta. Conforme que la temperatura del aceite que va aumentando, su viscosidad disminuye notablemente.
6.2. Señale que factores y de que manera modifican la viscosidad del fluido. Factores que afectan la viscosidad.
La viscosidad es una propiedad de los fluidos en el yacimiento, la cual se define como la resistencia interna de los líquidos a fluir, la cual se encuentra afectada por tres factores fundamentales: la temperatura, el gas que pueda retener en solución y la presión.
a) Efecto de la temperatura. El propósito de aumentar la temperatura del crudo es disminuir su viscosidad mediante el incremento de la velocidad de las moléculas y, por ende, tanto la disminución de sus fuerzas de cohesión como también la disminución de la resistencia molecular interna al desplazamiento. Muchos investigadores han propuesto modalidades de la relación de la viscosidad- temperatura pero la más apropiada en la Correlación de Slotte, utilizada por Herchel, la cual es aplicable a casi todos los crudos y da un gráfico (ASTM) en línea recta sobre papel log-log. b) Efecto del gas que pueda tener en solución. La adición de gas en solución a un crudo a temperatura constate reduce su viscosidad. La reducción de viscosidad se produce por que las moléculas relativamente pequeñas de los componentes del gas pasan a formar parte de la configuración molecular y aumentan
la separación intermolecular entre las moléculas complejas de la fase líquida, lo cual reduce la resistencia al movimiento. La correlación de Chef-Connally y la Correlación de Beal; son las correlaciones utilizadas para el efecto de la solubilidad de gas, y el petróleo sin gas respectivamente. Para el estudio de la viscosidad en actividades de campo, la gravedad ºAPI del crudo sin gas, a presión atmosférica y a 60ºF, la medición más sencilla que pueda hacerse.
c) Efecto de la presión. Si el incremento de presión se efectúa por medios mecánicos, sin adición de gas, el aumento de presión resulta en un aumento de la viscosidad. Este comportamiento obedece a que está disminuyendo la distancia entre moléculas y, en consecuencia, se está aumentando la resistencia de las moléculas a desplazarse. 6.3. ¿A que se llama viscosidad cinemática y dinámica de un fluido? Viscosidad dinámica Cuando un fluido se mueve se desarrolla en el una tensión de corte, cuya magnitud depende de la viscosidad del fluido. La tensión de corte, denotado con la letra griega τ (tao, se define como la fuerza requerida para deslizar una capa de área unitaria de una sustancia sobre la otra capa de la misma sustancia así pues, la torsión es una fuerza devidida entre un area y las unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal segundo (Pa.s) o también newton segundo por metro cuadrado (N.s/m2), o sea kilogramo por metro segundo (kg/ms 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:
1Pa.s = 1 N.s/m 2 = 1 kg/(m.s) = 10 3 cp 1cP = 10-3 Pa.s Viscosidad cinemática Es el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad de fluido. Como una convencion, la viscosidad cinematica, υ (letra griega ny) se define como:
puesto que u y ρ son propiedades del fluido, υ también lo es 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.
1m2/s = 106 cSt 1cSt = 10-6 m2/s
6.4. ¿Qué relación existe entre la viscosidad dinámica y cinemática? Negativo. Viscosidad es lo mismo que fricción o rozamiento pero definida para fluídos como líquidos o gases. Hay viscosidad dinámica que solo está presente cuando el fluído se mueve, la estática cuando está en reposo y no existe el término fricción cinemática (porque cinemática se refiere a una descripción del sistema sin mencioanar a las fuerzas, entonces no se puede hablar de fricción cinemática, es un contrasentido).
VII.
CONCLUSIÓN. Se demostró que la viscosidad desminuye cuando la temperatura aumente esto por las cohesiones de fluido. La viscosidad de la leche obtenido en le laboratorio es mas viscoso que el en la que se encuentra en la teoría. •
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VIII. •
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BIBLIOGRAFIA.
MECÁNICA DE FLUIDOS APLICADA. Robert L. Mott. Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A. MANUAL DEL INGENIERO QUÍMICO Jhon H. Perry Ph. D. 6ta edición. Mc. Graw-Hill Book Company Inc. New York, 1999. MECANICA DE FLUIDOS Ibar/Barboza. Operaciones Unitarias en la ingeniería de los alimentos. Edit. Ediciones Mundi- Prensa. Universidad de Lleida_Washington. State University, 2005.
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MECANICA DE FLUIDOS Victor J. Streeter.
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WWW GOOGLE.COM
