Instituto Tecnológico de Mexicali

Ingeniería Química

Materia:

Laboratorio Integral I

Tema:

Práctica

Medición de la viscosidad

Integrantes:

Blancas Wong Luis Adolfo 12490708

Blanchet guardado Jesús Eduardo 14490773

Torres tinoco josua Fernando 13490889

Juárez Zavala rebeca Celina 15490304

Huizar Zavala Felipe de Jesús 12490398

Nombre del profesor

Norman Edilberto Rivera Pazos

Mexicali, B.C. a 17 de marzo de 2017

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Índice

Práctica

Título: “Medición de la viscosidad”

Objetivo

Introducción

Marco teórico

Viscosidad

Conversiones

Influencia de la temperatura

Influencia de la presión

Fluidos newtonianos y no newtonianos

Viscosímetros

Material, equipo y reactivos

Procedimiento

Cálculos

Bibliografía

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Práctica I

Título:

“Medición de la viscosidad”

Objetivo:

Medir experimentalmente la viscosidad de dos sustancias (glicerina y aceite de ricino), a

diferentes condiciones, con la utilización de tres viscosímetros distintos, para así desarrollar la

capacidad de utilización y manejo de dichos viscosímetros.

Objetivos específicos:

Medir la viscosidad de una sustancia a diferentes temperaturas utilizando el viscosímetro

Stormer, tal que se obtenga información necesaria para generar una ecuación matemática

para calcular la viscosidad.

Medir la viscosidad de aceites delgados en viscosímetros Zahn con diferentes calibres.

Aprender a montar y/o utilizar los diversos viscosímetros disponibles.

Comparación de la viscosidad obtenida en cada viscosímetro, buscando que los valores se

parezcan lo más posible.

Introducción

Cuando hablamos en temas de ingeniería, se dice que un fluido es una sustancia que se deforma

continuamente (fluye) bajo la aplicación de una tensión tangencial, por muy pequeña que sea.

Los fluidos no pueden considerarse siempre como ideales debido a su viscosidad.

La viscosidad es muy importante en los procesos porque da una referencia del esfuerzo necesario

para que un fluido se mueva, así como las pérdidas relacionadas con la fricción y deformación.

Un ingeniero al saber estas propiedades puede crear un proceso más eficiente o mejorar una ya

existente.

Es debido a la importancia de la viscosidad que en esta práctica nos dedicaremos a estudiarla,

ya sea teóricamente así como la opción experimental de la medición de la viscosidad con distintos

viscosímetros.

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Marco teórico

Viscosidad

La viscosidad es la propiedad más importante de los fluidos y esta se define como la resistencia

que ejercen los fluidos al ser deformados cuando se les aplica una mínima cantidad de esfuerzo

cortante. Esta propiedad depende de la presión y de la temperatura. Los fluidos de alta viscosidad

presentan una cierta resistencia a fluir y los de baja viscosidad fluyen con facilidad.

Viscosidad Dinámica o Absoluta (μ): Es la propiedad física que caracteriza la resistencia al flujo

de los fluidos, se deriva como consecuencia del principio de Newton. En general la viscosidad de

los fluidos incompresibles disminuye al aumentar la temperatura, mientras que en los gases

sucede lo contrario. Las unidades utilizadas para medirlas dependen del sistema que se utilice

(tabla 1).

Tabla 1. Unidades de la viscosidad dinámica.

Unidades en el Sistema Internacional (SI)

Unidades en el sistema CGS

Unidades en el sistema ingles

𝐾𝑔 ∗ 𝑠

𝑚 ó

𝑁 ∗ 𝑠

𝑚2= 𝑃𝑎 ∗ 𝑠

𝑔. 𝑠

𝑐𝑚 = 𝑝𝑜𝑖𝑠𝑒 𝑅𝑒𝑦𝑛 =

𝑙𝑏𝑓 ∗ 𝑠

𝑖𝑛2 𝑜

𝑙𝑏𝑓 ∗ 𝑠

𝑓𝑡2

Viscosidad Cinemática (ν): Se define como la relación entre viscosidad dinámica y la densidad

de la masa. Sus unidades también dependen del sistema que se utilice (tabla 2).

𝜈 =𝜇

𝜌

Donde:

𝜈 = viscosidad cinemática.

𝜇= viscosidad.

𝜌= densidad.

Tabla 2. Unidades de la viscosidad cinemática.

Unidades en el Sistema Internacional (SI)

Unidades en el sistema CGS Unidades en el sistema ingles

𝑚2

𝑠

𝑐𝑚2

𝑠= 𝑆𝑡𝑜𝑘𝑒

𝑖𝑛2

𝑠 𝑜

𝑓𝑡2

𝑠

Conversiones

1 𝑝𝑜𝑖𝑠𝑒 = 0.1 𝑃𝑎 ∙ 𝑠

1 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑖𝑝𝑜𝑖𝑠𝑒 = 1 𝑚𝑃𝑎 ∙ 𝑠

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1 𝑅𝑒𝑦𝑛 = 1 𝑙𝑏𝑓 ∙ 𝑠

𝑖𝑛2 = 6890 𝑃𝑎 ∙ 𝑠

1 𝑠𝑡𝑜𝑘𝑒 = 1 𝑐𝑚2

𝑠= 0.0001

𝑚2

𝑠

Influencia de la temperatura

Gases

Los gases a diferencia de los líquidos aumentan su viscosidad con la temperatura. Esto se debe

principalmente a que se aumenta la agitación o movimiento de las moléculas y además los toques

o roces con actividad y fuerza a las demás moléculas contenidas en dicho gas. Por lo tanto es

mayor la unidad de contactos en una unidad de tiempo determinado.

Líquidos

La viscosidad en los líquidos disminuye con el aumento de su temperatura ya que tendrán mayor

tendencia al flujo y, en consecuencia, tienen índices o coeficientes de viscosidad bajos o que

tienden a disminuir. Además de que también disminuye su densidad. Por lo tanto el movimiento

de sus moléculas tiende a ir al centro donde hay un mayor movimiento de moléculas en una

misma dirección (como se dijo, a fluir mayormente).

Influencia de la presión

Gases

El aumento de presión hace que también aumente la viscosidad, ya que reduce el espacio entre

las moléculas.

Líquidos

El aumento de presión (sumamente elevadas) hace que aumente la viscosidad.

Fluidos newtonianos y no newtonianos

Los fluidos newtonianos son aquellos cuya viscosidad es constante, es decir, son aquellos cuyo

esfuerzo cortante es directamente proporcional al gradiente de velocidad; estos siguen la ley de

Newton, en la que la viscosidad sólo depende de la temperatura, siendo independientes del

tiempo. Los fluidos no newtonianos, se comportan inversamente con la ecuación anterior.

dy

dvxyx

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Viscosímetros

Los viscosímetros son instrumentos diseñados y especializados para realizar la medición del

nivel de viscosidad de fluidos. También permiten medir otros parámetros de flujo de los fluidos.

Viscosímetro Zahn.- Se pueden utilizar para realizar una medición rápida de la viscosidad. Son

empleados normalmente para medir y controlar las propiedades de flujo en la manufactura,

procesado y aplicaciones de tintas, pinturas, adhesivos. En general son sencillos y fáciles de

manejar, aunque presentan el inconveniente de que las medidas de viscosidad no son muy

precisas.

Este instrumento se trata de una copa de acero inoxidable con un pequeño orificio perforado en

la base de la copa y tiene un asa para manipular la copa (figura 1). Existen 5 especificaciones de

copas que se denominan como Copa Zahn 1, Zahn 2, Zahn 3, Zahn 4 y Zahn 5. Cuanto mayor

es el número de copa Zahn mayor será la viscosidad del líquido que se empleará, por lo cual una

copa Zahn 1 se empleará cuando se tiene un líquido con baja viscosidad. Cada copa Zahn es

suministrada con una tabla de conversión con el tiempo de flujo en segundos (en décimas de

segundo) para medir la viscosidad en centiStokes. Los diámetros de cada orificio según el calibre

de las copas se muestran en la tabla 2.

Tabla 3. Diámetro del orificio de las copas según su calibre.

No. de copa 1 2 3 4 5

Diámetro del orificio (mm) 2.0 2.7 3.8 4.3 5.3

Figura 1. Viscosímetro Zahn

Viscosímetro Brookfield.- Su funcionamiento se basa en el principio de la viscosimetría

rotacional, mide la viscosidad captando el par de torsión necesario para hacer girar a velocidad

constante un husillo inmerso en la muestra del fluido a estudiar.

El par de torsión es proporcional a la resistencia viscosa sobre el eje sumergido, y en

consecuencia, a la viscosidad del fluido.

Los viscosímetros Brookfield son de fácil instalación y gran versatilidad y para su manejo no se

necesitan grandes conocimientos operativos (figura 2).

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Figura 2. Viscosímetro Brookfield.

Estos viscosímetros están compuestos por:

Cuerpo del viscosímetro: Está constituido por un motor eléctrico y un dial de lectura.

Vástagos intercambiables: También llamados “husillos”, se enumeran del 1 al 7, siendo 1 el

más grueso, tiene su eje, una señal que indica el nivel de inmersión en el líquido.

Soporte: Para permitir sostener el aparato y desplazarlo en un plano vertical.

Vasos: De 90 a 92 mm de diámetro y 116 a 160 mm de altura.

Viscosímetro Stormer.- Es un viscosímetro rotativo introducido en la industria de pinturas de los

países anglosajones desde hace decenios. Su construcción sumamente robusta, su fácil modo

de empleo y una alta precisión de los resultados, hacen aconsejable su aplicación tanto en

laboratorios industriales como en laboratorios de desarrollo (figura 3). Si bien no es útil para la

medición de masas, pegamentos y productos de alta viscosidad aparente, el aparato es apto para

medir la consistencia de productos en el campo de viscosidades intermedias de 50 a 5000 CP.

Este consta de dos cilindros, uno fijo y uno móvil con un medidor a forma de reloj que cuenta las

revoluciones generadas por un pequeño tambor giratorio, el cual rota o gira dentro del cilindro

móvil. Este mecanismo se genera a partir de una pequeña pesa, la cual acciona un movimiento

giratorio del tambor en base a la gravedad. El tiempo que tarda en dar 100 revoluciones, se

relaciona con la viscosidad del fluido.

Para determinar la viscosidad dinámica de la muestra, se utiliza

una ecuación en relación con la masa utilizada. Esta ecuación

corresponde al modelo (ajuste de curva) de las curvas de

calibración estándar para 100 revoluciones suministradas por el

fabricante del viscosímetro Stormer y las unidades de

viscosidad vienen dadas en centipoises

Figura 3. Viscosímetro Stormer

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Viscosímetro 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 simplificación del

tratamiento numérico facilita la expresión que se aplica en

la medida experimental.

hr = t’/t.r

en donde hr representa la viscosidad relativa del líquido

problema, respecto al agua u otro líquido, t’ y t los tiempos

de flujo del estándar y del líquido, respectivamente, y r la

densidad.

La fuerza de fricción entre dos láminas contiguas de un

fluido es F = h S dv / dr, en donde S representa la

superficie en contacto separadas a una distancia dr y con

gradiente de velocidad dv/dr. La constante de

proporcionalidad, h, posee unas dimensiones de

(masa)(longitud)-1(tiempo)-1. Su unidad en el sistema SI

es kg.m-1s-1. En el sistema CGS se llama poise y es igual

a una décima parte de la unidad SI.

El viscosímetro de Ostwald es de vidrio. Posee un

ensanchamiento en forma de ampolla provista de sendos

enrases, conectado a un tubo capilar vertical que se une a

un segundo ensanchamiento destinado a la colocación de

la muestra en una primera operación, y del agua o líquido

de referencia en otra operación complementaria. El

conjunto se introduce en un baño termostático para fijar la

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temperatura con precisión. Es indispensable la concreción

de este valor, porque la magnitud de la viscosidad, o de su

inverso la fluidez, son altamente dependientes de la

temperatura, como fue demostrado por Arrhenius, y

anteriormente por el español J. de Guzmán Carrancio

(1913). La dependencia se expresa como:

h = A exp(DEvis/RT)

en donde DEvis representa la barrera de energía que se

precisa vencer para que se produzca un flujo elemental.

Material, equipo y reactivos

Viscosímetro Material y equipo Reactivo

Stormer 2 Vaso de ppt 500 ml Glicerina

1 Termómetro

1 2

Cronometro Guantes

Brookfield 2 Probetas 100 ml agua

Aceite de cocina

Zahn 2 Vaso de ppt 500 ml Glicerina

1 Termómetro Aceite de coco

1 Cronometro

Ostwald

7

2

1

1

5

Lentes

Vaso de ppt

Termómetro

cronometro

lentes

500 ml

Alcohol etílico

acetona

Procedimiento:

a) Viscosímetro Brookfield

1. Limpiar los materiales a utilizar y ordenar el equipo.

2. Montar el viscosímetro. Primero se acomoda el eje a la base ajustando la rosquilla.

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3. Nivelar el viscosímetro a nivel adecuado (que la burbuja quede en el centro) con ayuda

de las rosquillas de la base, refiriéndose a la burbuja colocada detrás del instrumento.

Este es un paso muy importante, ya que con un mal nivel la lectura puede ser errónea.

4. Calibrar el equipo. Esto debe de hacerse sin husillo. Primero se enciende el equipo

(power switch on) asegurándose de que el motor este apagado (motor switch off).

Después se presiona la tecla SPDL que nos pedirá dos dígitos, referidos al número de

husillo a utilizar. En este caso es el husillo #1 con clave 61. Lo siguiente es presionar

cualquier tecla de medición de viscosidad ya sea %, CPS o SS. Por último se presiona

la tecla AUTO ZERO para que de esta forma la máquina se calibre al valor cero y se

escoge la tecla de medición de viscosidad a usar.

Series LV

Calibre de husillo Entrada SPDL

1 61

2 62

3 63

4 64

5 65

5. Se coloca el acople con doble tornillo en la base del rotor, este sirve para sostener el

envase que contiene la muestra.

6. Colocar el husillo con cuidado de no aplicar mucha fuerza al rotor ya que se puede

descalibrar el equipo e incluso descomponerlo, con una mano se sostiene el rotor y con

la otra el husillo.

7. Esperar a que las cifras regresen a ceros.

8. Colocar la sustancia en la probeta de 100 ml cuidando de que el husillo quede

sumergido hasta la marca. (Nota.- Entre más viscosa sea la sustancia, las revoluciones

por minuto usadas deben ser menores).

9. Prender el motor y esperar a la lectura de viscosidad.

10. Lavar probeta y husillo para siguiente medición.

b) Viscosímetro Zahn

1. Lavar cada una de las copas a utilizar (copa del número 2 y 4) así como la zona de

trabajo. La copa del número 2 será para el aceite de coco y la 4 para la glicerina. Las

copas se lavan con agua y jabón ya sea por primera vez o para cambiar de sustancia.

2. Agregar cada sustancia a un vaso de precipitado de 500 ml.

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3. Medir con un termómetro la temperatura de cada sustancia. Limpiar al cambiar de

sustancia y al terminar. Dicha temperatura debe de estar en 25 °C ± 2°C

4. Se sumerge la copa adecuada dentro del vaso de precipitado de 1 a 5 minutos con el

fin de alcanzar el equilibrio térmico para que luego de ese tiempo, en posición vertical

se retire la copa de la sustancia de forma suave y rápida.

5. Tomar el tiempo con el cronometro a partir de que el fondo de la copa deje de estar

en contacto con la superficie del líquido. (tiempo de flujo).

6. Dejar de tomar el tiempo cuando se observe el primer punto de quiebre. Tomar nota

del tiempo y repetir dos veces más con la misma sustancia.

7. Repetir el procedimiento para la otra copa.

8. Lavar material.

Viscosímetro Stormer

1. Limpiar los materiales a utilizar y ordenar el equipo.

2. Conectar la plancha con el fin de calentar agua en un vaso de precipitado de 500 ml,

verificar con el termómetro que la temperatura se llegue y se mantenga en 100 °C

3. Eliminar los roces que puedan existir entre el rotor y el cilindro fijo.

4. Desplazar el cilindro fijo hacia el rotor hasta llegar al tope de la guía, fijándolo en esta

posición.

5. Soltar el freno (m=50 gr) un cuarto de giro nivelando el sistema, este movimiento es

transmitido al cilindro móvil generando un esfuerzo de corte en la superficie de la

muestra debido a la velocidad. Poner atención a un ruido metálico, si es así, aflojar los

tornillos de ajuste que sujetan el cilindro exterior. Este desplazamiento se lleva a cabo

para eliminar el ruido metálico.

6. Ajustar los tornillos que sujetan al cilindro exterior, siempre por pares diametrales

opuestos evitando el desplazamiento del cilindro.

7. Subir el porta pesas hasta su máximo nivel.

8. Soltar el freno nuevamente para verificar que ya no se produzca ruido metálico.

9. Tomar un punto de referencia en el tacómetro y liberar el freno hasta que la aguja este

a 4 o 5 espacios antes del punto de referencia. Se recomienda el cero.

10. Soltar la plataforma móvil para descenderla.

11. Introducir el agua en el cilindro exterior hasta el nivel de las aletas internas del cilindro.

Colocar el cilindro fijo en el cilindro móvil o rotor (en su lugar original). Poner la muestra

11

a analizar en el cilindro fijo hasta los topes que se encuentran. Elevar plataforma y

ajustar tornillo.

12. Instalar termómetro y tomar la temperatura inicial (y las sucesivas) de la muestra una

vez hecho esto retirar el termómetro y limpiarlo.

13. Soltar el freno de la polea y cuando la aguja del tacómetro pase por cero, iniciar a

tomar el tiempo. Detenerlo cuando pase por el punto de referencia (cero).

14. Registrar el tiempo. Nota: Cuando se utiliza un peso de 100gr y el tiempo es registrado

menor a 20 segundos. Repetir pero sólo con el porta pesas de (50gr).

15. Repetir el paso 9,10, 12, 13 y 14 nueve veces más para poder ver el comportamiento

de la viscosidad con el descenso de la temperatura.

16. Limpiar el cilindro fijo y tirar el agua del cilindro exterior.

Viscosímetro ostwald

1. Limpiar los materiales a utilizar y ordenar el equipo.

2. Agregar cada sustancia a un vaso de precipitado de 500 ml.

3. Medir con un termómetro la temperatura de cada sustancia. Limpiar al

cambiar de sustancia y al terminar. Dicha temperatura debe de estar en 25

°C ± 2°C.

4. Agregar la sustancia al viscosímetro hasta la mitad del bulbo inferior

5. Succionar con la perilla la sustancia hasta llegar a la línea marcada

6. Empezar al tomar en tiempo cuando empieza a caer la sustancia al la bulb

inferiror.

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Cálculos, resultados y gráficas

Viscosímetro Stormer:

Obtención de ecuación de la recta para un peso de 50 gramos.

Para obtener la ecuación de la recta a partir de los puntos P y Q se utiliza la siguiente fórmula:

𝑦 − 𝑦1 = 𝑚(𝑥 − 𝑥1)

A su vez, la pendiente m se obtiene con la fórmula:

𝑚 =𝑦2 − 𝑦1

𝑥2 − 𝑥1

Por lo tanto, la ecuación para encontrar la ecuación de la recta es:

𝑦 = (𝑦2 − 𝑦1

𝑥2 − 𝑥1

)(𝑥 − 𝑥1) + 𝑦1

Sea 𝑦 viscosidad, y 𝑥 tiempo; y sustituyendo por el valor de los puntos P y Q:

𝑦 = (350 − 200

250 − 150) (𝑥 − 150) + 200

𝑦 = (1.5)(𝑥 − 150) + 200

𝑦 = 1.5𝑥 − 25

Esta ecuación se utilizó para comparar la viscosidad en condiciones de temperatura similares.

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Para los demás viscosímetros, las mediciones tablas y cálculos están hechos

en Excel.

Brookfield

Sustancia # Temperatura Cp Kg/m*s

Glicerina 1 22 504 0.504

Aceite cocina Marqués 1 23 56 0.056

2 34 40 0.04

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Conclusiones

Al realizar diferentes pruebas se logro ver que mientras la temperatura fuera aumentada

la viscosidad disminuía y podemos entender que la viscosidad se relaciona mucho con la

temperatura.

Bibliografías

Mott Robert. (2006). “Mecánica de fluidos”. Pearson. 6 ed.

Fuentes electrónicas

http://www.scribd.com

http://www.adendorf.net/copa-zahn-para-viscosidad-de-tintas-p-108.html

http://www.twilight.mx/Viscosimetros/Viscosimetros-Zahn.html

zahn

sustancia # temperatura No.copa cst pa*s

aceite de coco 1 20 4 14.8 0.135

glicerina 2 25 2 3.5 0.0441

1 cp=1 cst*densidad las densidades se sacaron de internet

1poise=100cp

1poise=.1pa*s

ostwald

sustancia # temperatura tiempo poises kg*m/s

aceton 1 25 46.66 0.00032 0.00032

alcohol etilico 2 25 2,55.96 0.0058 0.0058

hr = t’/t.r t y t'=tiempos del estandar y del agua respectivamente

la densidad del agua se saco de tablas r= densida

poises=kg*m/s