Laboratorio de Fisicoquímica PRÁCTICA No. 11 DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD DINÁMICA, APARENTE Y CINEMÁTICA CON UN VISCOSÍMETRO ROTATORIO DE BROOKFIELD 1.- OBJETIVOS Que el/la estudiante comprenda los principios del funcionamiento de los viscosímetros rotatorios y maneje adecuadamente el viscosímetro de Brookfield para determinar la viscosidad dinámica, cinemática y aparente de un líquido no-newtoniano identifique el comportamiento reológico a régimen estacionario, del líquido problema.
2.- ALCANCE Este procedimiento es aplicable para la determinación de los tres tipos de viscosidades (dinámica, cinemática y aparente) y analizar la interacción viscosidad-temperatura de líquidos No-Newtonianos.
3.- EQUIPO PRINCIPAL El viscosímetro de Brookfield Modelo DV-E es un viscosímetro rotatorio (En la Figura 1 se muestran los principales elementos del viscosímetro de Brookfield DV-E).
Figura 1. Viscosímetro de Brookfield DV-E
Consta de un cabezal con un elemento rotatorio en el que se inserta una aguja o disco y de una horquilla que enmarca la zona de la aguja. Ésta se sumerge en el líquido hasta el nivel marcado en la misma. Al funcionar, el elemento rotatorio y la aguja giran con una velocidad angular constante que se fija al accionar el selector situado en el cabezal, pudiendo elegir entre cambiar la velocidad o el eje, pero después de elegir se deberá poner en medio. El torque o par generado por la resistencia viscosa del líquido se puede obtener presionando el botón de “Auto rango”.
4.- MATERIALES Y REACTIVOS 1 Viscosímetro rotatorio de Brookfield (Mod. RVDV-E) 1 Termómetro (preferentemente laser) 1 Vaso de precipitado de 600 ml 1 Sistema de baño maría con control de temperatura ó (1 Parrilla electromagnética, 1 Cuba refractaria) Toallas absorbentes y/o Servilletas Sustancias y/o reactivos: muestra problema (miel, glicerina, maicena en agua, solución saturada de azúcar, etc.) y agua destilada. 5.- DESARROLLO PROPUESTO 1. Lee el manual del viscosímetro rotatorio RVDV-E Brookfield, que contiene información sobre el manejo del mismo. 2. Para asegura la aguja al eje inferior, levantando ligeramente el eje y sosteniéndolo firmemente con una mano, mientras enroscas la aguja con la otra de derecha a izquierda. 3. Proteger la aguja con su protector (guard leg). 4. Nivelar el equipo a la base de la superficie hasta que la burbuja de nivel quede centrada, para nivelar se cuenta con 3 roscas expandibles sobre los tres puntos de apoyo del viscosímetro. 5. Usar guantes en todo momento para evitar adhesión de grasas y material de muestra a la aguja. 6. Ajustar e introducir la aguja en el líquido de prueba (con precaución) hasta que su nivel esté en la marca que la aguja que este tiene para este propósito. Puede ser más conveniente introducir primero la aguja en el líquido, antes de asegurarla al eje inferior del cabezal. Debes cuidar que no queden burbujas atrapadas entre la aguja y el líquido. 7. Verificar que el viscosímetro este en modo apagado antes de conectarlo. Verificado lo anterior, entonces conectar y encender, verificando que la velocidad angular sea la más baja en el selector “Select” (lado izquierdo) manipulando con la perilla. 8. En el botón selector “Select” elije el tipo de aguja o eje a utilizar (select hacia el lado derecho y manipulando la perilla) y posteriormente regresar el selector a la posición media (Ver Tabla C1 del Apéndice C).
9. El botón “Auto Range” permite usar el máximo de viscosidad alcanzable (100% de torque) para la velocidad seleccionada. También, permite que al encender el equipo y mantenerlo presionado permite elegir el sistema o unidades en que se quieren medir las lecturas. 10. Enciende el aparato y espera que se alcance el régimen estacionario. El tiempo requerido para esta operación depende de la velocidad angular, por arriba de 4 r.p.m. bastara 1 minuto o menos, a velocidades menores el tiempo en alcanzarse el estado estacionario tardará más. 11. El viscosímetro te dará el % de torque usado la velocidad elegida y la viscosidad en el sistema de unidades elegido. 12. Repite los pasos 7 y 10 dos veces, para tener una estimación estadística del error de la lectura. 13. Retira la muestra y aumente la temperatura de la muestra repitiendo los pasos del 2 al 12. 14. repetir el paso 13 tres veces más.
6.- FUNDAMENTO ( EL ESTUDIANTE DEBERÁ AMPLIARLO EN BASE A LAS PREGUNTAS GUIA DEL PUNTO 7 ) La viscosidad se puede definir como una medida de la resistencia a la deformación del fluido. Dicho concepto se introdujo anteriormente en la Ley de Newton, que relaciona el esfuerzo cortante con la velocidad de deformación (gradiente de velocidad). ·
τ = µ D
donde, τ :
esfuerzo cortante [mPa]. µ : viscosidad [mPa·s] D: velocidad de deformación [s-1] Las unidades de viscosidad más utilizadas son los milipascales por segundo [mPa·s]. Se debe tener en cuenta que: 1000 mPa·s = 1 Pa·s Además, el sistema cegesimal aún se sigue usando, siendo la unidad de medida el centiPoise [cp]. La conversión de unidades entre los dos sistemas es: 1 cp = 1 mPa·s 1 Poise = 1 g/cm·s La tabla siguiente es una aproximación del valor de la viscosidad para sustancias muy conocidas a temperatura y presión ambientales:
Fluidos Vidrio Vidrio Fundido Betún Polímeros fundidos Miel líquida Glicerol Aceite de oliva Agua Aire
Viscosidad aproximada (mPa·s) 1043 1015 1011 106 104 103 102 100 10-2
7.- PREGUNTAS GUÍA 1. ¿Qué es un fluido no-newtoniano? 2. ¿Qué es el parámetro de esfuerzos, τ, y qué el parámetro de rapidez de deformación, γ? 3. ¿Qué es la función de viscosidad aparente, η? 4. ¿Qué es el torque sobre un cilindro que gira? 5. ¿Cuáles son las relaciones de comportamiento más usadas para fluidos no-newtonianos a régimen estacionario? 6. ¿Qué es el número de Reynolds generalizado para los fluidos de potencias? 7. ¿Qué diferencia a un fluido pseudoplástico de uno dilatante y cómo se reconocen en una gráfica de τ vs. γ? 8. ¿Porqué no es fácil encontrar una solución analítica del modelo para un viscosímetro de Brookfield? 9. ¿Cómo se resuelve en la práctica, el problema de la falta de una solución analítica al modelo del viscosímetro de Brookfield?
8.- RESULTADOS A OBTENER 1. Diagrama de la viscosidad dinámica. 2. Cálculo de la viscosidad aparente y cinemática. 3. Cálculo de esfuerzos cortantes y de rapidez de deformación.
