CUARTA PRÁCTICA DE LABORATORIO DE MEDICIONES Y ENSAYOS EN INGENIERÍA MECÁNICA

MEDICIÓN DE VISCOSIDAD

I. OBJETIVOConocer las maneras de medición de viscosidad y tener una referencia relativa de los instrumentos a utilizar.

II. INTRODUCCIÓN

La viscosidad es un parámetro de los fluidos que tiene importancia en sus diversas aplicaciones industriales, particularmente en el desempeño de los lubricantes usados en máquinas y mecanismos. La viscosidad de las sustancias puras varia de forma importante con la temperatura y en menor grado con la presión.La facilidad con que un líquido se escurre es una pauta del su viscosidad.Se define la viscosidad como la propiedad que tienen los fluidos de ofrecer resistencia al movimiento relativo de sus moléculas. También se suele definir la viscosidad como una propiedad de los fluidos que causa fricción, esto da origen a la pérdida de energía en el flujo fluido. La importancia de la fricción en las situaciones físicas depende del tipo de fluido y de la configuración física o patrón de flujo. Si la fricción es despreciable, se considera el flujo como ideal.

III. FUNDAMENTO TEÓRICO

Viscosidad: Una propiedad física muy importante que caracteriza la resistencia al flujo de los fluidos es la viscosidad.Y se deriva como consecuencia del principio de Newton de la viscosidad. Este principio establece que para un flujo laminar y para ciertos fluidos llamados Newtonianos, la tensión cortante en una intercara tangente a la dirección del flujo, es proporcional al gradiente de la velocidad en dirección normal al flujo.Operacionalmente se expresa, así:

Donde µ se conoce con el nombre de coeficiente de viscosidad dinámica y tiene las dimensiones (Ft/L2). En general la viscosidad de los fluidos incompresibles disminuye al aumentar la temperatura, mientras que, en los gases sucede lo contrario. El estudiante se encargará de dar una explicación de este fenómeno.

Ecuación de Stockes: El flujo de un fluido alrededor de una esfera ha sido estudiado por Stockes. Su aplicación es de gran utilidad en la resolución de problemas tales como los del sedimento de partículas de polvo. Stockes encontró que el empuje (fuerza ejercida sobre la esfera por el flujo de un fluido alrededor de ella) vale:

siendo:resf : Radio de la esferav : Velocidad de la esfera

Para encontrar la velocidad final de una esfera que cae en un fluido en reposo, debe tenerse en cuenta que:

Fuerza de empuje hidrostático + Fuerza de empuje = Peso

donde:µ : Viscosidad del líquido problema

r : Radio de la esfera

g : Gravedad

ρesf : Densidad de la esfera

ρliq : Densidad del líquido problema

t : Tiempo de caída de la esfera entre las dos marcash : Longitud del tubo entre las dos marcas

Ecuación válida para Re > 0.1; para Re=1 se toma un 10% mayor al valor hallado.

-Ecuación de Hange-Poiseuille: Si se aplica la ley de Newton de la viscosidad al flujo de fluidos que circulan en régimen laminar, recorriendo conductos de sección circular y uniforme, se obtiene la ecuación de Hange-Poiseuille

donde:△P : Presión total aguas abajoQ : Caudal volumétricoR : Radio del conductoµ : Viscosidad absolutaL : Longitud del conducto

En el caso de un tubo vertical la variación total en la presión únicamente se debe a la carga hidrostática, la ecuación (1) puede escribirse en la forma:

(1)

en la que:

g : Aceleración de la gravedad

△h : Diferencia de carga hidrostática

ⱱ : Viscosidad cinemática

Esta ecuación nos permite relacionar las viscosidades de dos fluidos, de la siguiente forma:

donde:

µ1 : Viscosidad del líquido de referencia

µ2 : Viscosidad del líquido problema

ρ1 : Densidad del líquido de referencia

ρ2 : Densidad del líquido problema

t1 : Tiempo de escurrimiento del líquido de referencia

t2 : Tiempo de escurrimiento del líquido problema

IV. MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR

- Tubo de vidrio de 1.25 m de largo y ø=21.8mm- 1000 ml de Glicerina- Cronometro

- Esferas de acero (ρ= 7850 kg/m3) y ø1=6.3mm; ø2=4.65 mm

- Vernier

V. PROCEDIMIENTOo Llenar en el tubo de vidrio la glicerina.

o Hacer caer dentro del fluido varias esferas metalicas y medir el tiempo de caida

y registrar otros valores dimensionales.o Calcular la viscosidad dinamica según la ecuacion de Stokes.

o Calcular el factor de Faxen y la viscosidad corregida según Faxen y comparar

según valores bibliograficos y realizar las siguientes tablas:

(Indicar la temperatura de referencia del valor bibliografico de la viscocidad).

EQUIPO DE NUESTRO LABORATORIO

VI. CONCLUSIONESPuedo concluir que el valor de la viscocidad dinamica calculada de la glicerina en nuestro caso es muy cercano al bibliografico, a pesar de no contar con las condiciones exigentes de un laboratorio. Asi para las mediciones de la TABLA 1, con un error promedio de 9.04 % para la primera medicion, es un valor cercano, sin contar que, no medimos la temperatura de la glicerina, no se midieron todas las billas, y no trabajamos con el radio promedio de estas, asumimos velocidades para cada lectura cuando pudimos trabajar con velocidades promedio, a pesar de esas falencias nuestras medidas son muy cercanas.Para la mediciones de la TABLA 2, ya habiendose alcanzado un equilibrio mas exacto para las condiciones de ambiente aprox. 21 ºC nuestro error promerio es de 4.17 %, muy aceptable, pudiendose a errores de medicion, y con los mismos problemas del caso anterior. Una conclusion importante es que el factor de FAXEN corrige y acerca muy bien el valor experimental al valor bibliografico, sin este factor nuestras viscocidades arrojarian errores sistematicos muy altos. De aquí resaltar la importancia de este factor.

90 cm

VII. CUESTIONARIO

1. ¿La viscosidad esta en función de la temperatura?Como sabemos la viscosidad esta enteramente ligada a la temperatura, pues entre estas hay una relacion: “La viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura”

2. ¿Qué sucede si el diámetro de la esfera y el diametro del tubo aumentan?Pues tendria que aumentar tambien la longitud del tubo, debido a que la ecuacion de Stokes, actua bajo el principio de que el cuerpo debe someterse a 2 fuerzas una la fuerza de arrastre y la otra la gravitatoria, y en el momento que ambas alcanzen el equilibrio su aceleracion sera nula y su velocidad constante. Si solo aumentan los diametros, no alcanzara su velocidad constante y nos dara errores en las medidas indirectas muy altos. Ademas que la ley de Stokes, funciona a numeros de Reynolds mas bajos muy cercanos a 0.1 y en regimen laminar, si vemos la dependencia directa entre Re y el diametro de la esfera se incrementara tambien Re.

3. ¿Qué ventajas y desventajas presenta utilizar el viscosímetro de caída de bola?Ventajas:

- Es un metodo muy economico - Facil de usar- Equipo muy sencillo

Desventajas- Solo sirve para fluidos Newtonianos y gases- Rangos de temperaturas limitados- Trabaja en rangos de presion limitados.