UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

INGENIERÍA QUIMÍCA

NOMBRE Y NÚMERO DE LA PRÁCTICA

VISCOSIDAD (PRÁCTICA # 4)

NOMBRE DEL MAESTRO:

DRA. DIANA BUSTOS MARTINEZ

NOMBRE DE LA MATERIA:

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I

NOMBRE DE LOS ALUMNOS:

NANCY F. CARREON DE LEON (MATRICULA: 1511865)

KENNETH O. CASTILLO ACOSTA (MATRICULA: 1511880)

JONATHAN CONTRERAS ARRIAGA (MATRICULA: 1513404)

GUILLERMO E. CRUZ PEREZ (MATRICULA: 1608553)

JESUS F. GARCIA PEREZ (MATRICULA: 1482641)

NORBERTO MENCHACA SANCHEZ (MATRICULA: 1524214)

FELIX M. RAMOS HERRERA (MATRICULA: 1492995)

GRUPO: NUMERO DE EQUIPO

003 N° 1

FECHA DE REALIZACION DE LA PRÁCTICA:

LUNES 2 DE MARZO DEL 2015

FECHA DE ENTREGA:

LUNES 23 DE MARZO DEL 2015

Prá cticá #4: Viscosidád

Objetivo:

Determinar la viscosidad de diferentes fluidos utilizando dos viscosímetros distintos

Fundamento:

Viscosidad: Es la resistencia de un líquido a fluir. Medida de la viscosidad: La medida de esa resistencia a fluir, es el Poise, (sistema CGM) que es definido como la fuerza (medida en dinas) necesaria para mover un centímetro cuadrado sobre una superficie paralela a la primera a la velocidad de 1 cm por segundo, con las superficies separadas por una película lubricante de 1 cm de espesor. En la práctica, es medida por tubos capilares. La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales y se debe a las fuerzas de cohesión moleculares. Todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. La viscosidad solo se manifiesta en líquidos en movimiento. Se ha definido la viscosidad como la relación existente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. Esta viscosidad recibe el nombre de viscosidad absoluta o viscosidad dinámica. Generalmente se representa por la letra griega .

La medida más común en la mecánica Se conoce como viscosidad cinemática, o “centistock” abreviada cSt y se representa por V. Para calcular la viscosidad cinemática basta con dividir la viscosidad dinámica por la densidad del fluido. Cuando un laboratorio mide la viscosidad, mide esta resistencia y cruza con una tabla (manual o automática) para reportar la viscosidad cSt. La viscosidad varía inversamente proporcional con la temperatura. Por eso su valor no tiene utilidad si no se relaciona con la temperatura a la que el resultado es reportado. La importancia de la viscosidad correcta La viscosidad es la característica más importante de la lubricación de cualquier máquina.

Si la viscosidad del aceite es muy baja para la aplicación, el desgaste es mayor por falta de colchón hidrodinámica.

Si la viscosidad del aceite es muy alta para la aplicación, el consumo de energía es mayor, el desgaste puede ser mayor por falta de circulación y el aceite se calentará por fricción.

Solamente la viscosidad correcta maximizará la vida útil y la eficiencia del motor,

transmisión, sistema hidráulico o lo que sea la aplicación.

La velocidad es un vector y en general, tiene tres componentes, una para cada

coordenada. En muchas situaciones simples, todos los vectores velocidades son paralelos

o prácticamente paralelos, por lo que solo es necesario considerar un solo componente de

la velocidad, la cual puede tratarse como un escalar. Ejemplos de flujo unidimensional son

a través de conductos cerrados y adyacentes a placas planas paralelos a la dirección del

flujo.

A bajas velocidades, los fluidos tienden a fluir sin mezcla lateral y las capas adyacentes se

deslizan una sobre otra. Este régimen de flujo se denomina flujo laminar; a velocidades

aparece la turbulencia que produce mezclado lateral dentro de la corriente del flujo de

transición. Es necesario mencionar que el que un régimen de flujo se presente no

depende solamente de la velocidad, sino que también depende del tipo de fluido que se

esté analizando y del tipo de conducto a través del cual está circulando.

Se ha encontrado que el régimen de flujo puede determinarse a partir del cálculo de un

número adimensional, el número de Reynolds, el cual está dado por la siguiente relación:

Re = D V ( 1 )

D = longitud característica del sistema. V = velocidad lineal del fluido.

= Densidad del fluido. = viscosidad del fluido.

Los intervalos del número de Reynolds para los cuales se presenta los distintos regímenes

de flujo son los siguientes:

Re < 2,100 flujo laminar

2,100 < Re < 3,000 flujo de transición

Re > 3,000 flujo turbulento

Ley de Newton de la viscosidad.- Considérese un fluido contenido entre dos placas

paralelas de área A, separadas una distancia Y. Si el sistema está inicialmente en reposo,

pero al tiempo t = 0 la placa inferior se pone en movimiento en la dirección X a una

velocidad V, conforme pase el tiempo, el fluido gana cantidad de movimiento y finalmente

se establece el perfil de velocidades mostrado en la figura 1. Cuando se alcanza este

estado estable se requiere una fuerza constante F para mantener el movimiento de la

placa inferior. Esta fuerza puede expresarse como:

F = V ( 2 )

A y

Esto indica que la fuerza por unidad de área es proporcional al descenso de la velocidad

con la distancia Y; la constante es denominada la viscosidad del fluido. La ecuación

anterior es más útil expresada de la siguiente manera:

T x y = - dVx/d y ( 3 )

Esta ecuación establece que la fuerza de corte por unidad de área es proporcional al

gradiente de la velocidad y se conoce como la ley de la viscosidad de Newton. Los fluidos

cuyo comportamiento de flujo puede ser descrito por esa relación se conocen como

fluidos newtonianos e incluye a los gases y a la mayoría de los fluidos.

De acuerdo con la ley de la viscosidad de Newton, una gráfica de Txy contra el gradiente

de velocidad para un fluido dado sería una línea recta cuya pendiente es la velocidad del

fluido.

Sin embargo existen fluidos que no siguen esa relación, los cuales son conocidos como

fluidos no newtonianos. Para este tipo, la ecuación 3 puede expresarse en una forma más

general como:

T x y = - dVx/d y ( 4)

Donde puede ser expresada como una función del gradiente de velocidad o bien del

esfuerzo de corte. En los casos en que disminuye al aumentar el gradiente de

velocidades, el comportamiento del fluido se denomina pseudoplástico; en caso contrario,

dilatante. Esto se muestra en la fig. 2

Fig. 1

Fig. 2

Estos métodos son: el viscosímetro Stormer y el viscosímetro Saybolt.

a) El viscosímetro Stormer se hace un balance entre el momento generado por un cierto peso que hace girar un receptáculo inmerso en el fluido de prueba y el momento que se genera en el fluido.

b) La base del procedimiento del viscosímetro Saybolt consiste en la medición del tiempo que se tarda en pasar cierta cantidad del fluido a través de un capilar.

Procedimiento:

PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN DEL VISCOSIMETRO STORMER:

1.- Coloque el instrumento en una

mesa horizontal de tal forma que la

pesa pueda caer libremente una

distancia de aproximadamente 40”.

2.- Coloque el rotor, empujando la

flecha todo lo que sea posible y

asegúrese con el opresor.

6.- Repita el procedimiento anterior

hasta que esté seguro de la

determinación.

4.- Quite la copa de prueba y llénela

con la muestra hasta una altura de

0.25” sobre los deflectores laterales.

Suba la copa de prueba y asegúrela.

5.- Con un cronómetro en la mano,

suelte el freno y mida el tiempo que

se requiere para cierto número de

revoluciones del rotor. Coloque el

freno. Si el tiempo fue menor de 20

segundos, ajuste el peso. Si el

movimiento es muy lento, agregue el

peso adecuado.

NOTA: Deje pasar un pequeño lapso

de tiempo antes de empezar el conteo

para asegurar que la pesa esté

cayendo con velocidad constante.

3.- Enrede el cordón en la polea de

forma que no se traslape en ella y

suba el peso hasta que llegue a la

polea.

FIN

PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN DEL VISCOSIMETRO SAYBOLT:

Como se mencionó anteriormente, viscosidad por este método se determina el tiempo

que se tarda en pasar cierta cantidad de líquido a través de un capilar. Existe dos tipos de

viscosímetros basados en este principio: El viscosímetro Saybolt Universal y el

viscosímetro Saybolt Furol; la diferencia entre ambos es solamente en el diámetro del

capilar, siendo mayor en el Furol que el del Saybolt Universal; el Furol se utiliza para

líquidos de alta viscosidad y el Universal para líquidos de baja viscosidad. En ambos casos

las cantidades de líquidos son de 60 mililitros y son medidos con un picnómetro.

El procedimiento de prueba es el siguiente:

1.- Si la temperatura a la que se va a hacer la

determinación es mayor que la temperatura

ambiente, caliente la muestra, pero nunca a

más de 1.5ºC de la temperatura de prueba ni a

más de 10ºC por debajo de su temperatura de

inflamación ya que la evaporación de los

compuestos ligeros alterará su composición.

7.- La viscosidad del fluido se reporta en

segundos Saybolt Universal o Furol, según el

cual se haya utilizado.

6.- Suelte el corcho del viscosímetro jalándolo

con el cordón y al mismo tiempo ponga a

funcionar el cronómetro. En el momento en

que el menisco del líquido pase por la marca

del picnómetro.

5.- Coloque la copa recibidora (picnómetro)

debajo del viscosímetro de tal forma que la

marca de graduación de la misma se encuentre

a una distancia de 10 a 13 cm. del fondo del

viscosímetro.

4.- Agite la muestra y con un termómetro del

fluido hasta que la temperatura no cambie más

de 1.5ºC por un lapso de un minuto de

agitación continúa.

3.- Vacíe la muestra en el viscosímetro hasta

que rebose.

2.- Inserte un corcho, con un cordón atado, en

el fondo del viscosímetro apretándolo para

evitar cualquier fuga.

FIN

Datos Experimentales:

Tabla 1 Densidad y Viscosidad a 11 °C

ρ(H20) = 999.68 Kg/m3

ρ(Glicerina) = 1258.2 Kg/m3

µ(cP) Glicerina

5258.69 cP

µ(cP) H2O 1.1165 cP

a) Viscosímetro Stormer

Long. Cable: 68 cm

Tabla 2 Datos Experimentales del Viscosímetro Stormer.

%Glicerina % Agua T (°C) t(s)

0 100 11 10.6

25 75 11 11.44

35 65 11 12.54

45 55 11 13.1

50 50 11 13.2

b) Viscosímetro Saybolt

Tabla 3 Datos Experimentales del Viscosímetro Saybolt.

%Glicerina % Agua T (°C) t(s)

25 75 11 8.9

35 65 11 9

45 55 11 9.93

50 50 11 10.5

Cálculos y Resultados:

a) Viscosímetro Stormer

Tabla 4 Resultados de Viscosidad para Viscosímetro Stormer.

%Glicerina % Agua T (°C) t(s) ρ (g/ml) µr µa(cp) µc(cst)

0 100 11 10.6 0.99968 1 1 1.000320102

25 75 11 11.44 1.06431 1.149019233 1.14901923 1.079590752

35 65 11 12.54 1.090162 1.290095046 1.29009505 1.183397555

45 55 11 13.1 1.116014 1.379666342 1.37966634 1.236244655

50 50 11 13.2 1.12894 1.406299827 1.40629983 1.245681637

Figura 1. Gráfica de Viscosidad vs Tiempo para el

Viscosímetro Stormer.

b) Viscosímetro Saybolt:

SEGUNDOS SAYBOLT FUROL (SSF): Es una medida de la viscosidad cinemática definida

como el tiempo en segundos que demora en llenarse de fluido un matraz estándar de 60 ml

cuando escurre el líquido por un orificio calibrado de 1/8” de diámetro interior.

Para calcular la viscosidad cinemática en cSt se utiliza la siguiente ecuación.

Tabla 5. Resultados de Viscosidad para Viscosímetro Saybolt.

%Glicerina % Agua T (°C) t(s) ν(cstk) ν(m2/s) ρ(Kg/m3) µ(Kg/m*s) µ(poise) µ(cp)

25 75 11 8.9 1.92029689 1.9203E-06 1064.31 0.002043791 0.02043791 2.04379118

35 65 11 9 1.94187326 1.94187E-06 1090.162 0.002116956 0.02116956 2.11695644

45 55 11 9.93 2.1425335 2.14253E-06 1116.014 0.002391097 0.02391097 2.39109738

50 50 11 10.5 2.2655188 2.26552E-06 1128.94 0.002557635 0.02557635 2.5576348

y = 0.1432x - 0.4941 R² = 0.9934

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

1.35

1.4

1.45

11 11.5 12 12.5 13 13.5

µa

(cp

)

t(s)

µa(cp) vs t(s)

µa(cp) vs t(s)

Lineal (µa(cp) vs t(s))

*)/()*/( 2 smsmKg 6347.4

)(SSU

sct

m²/s 0.0001 = stoke 1

100stoke 1

*/1.01

1001

/101 26

cst

smKgpoise

cppoise

smcSt

Figura 2. Gráfica de Viscosidad vs Tiempo para el

Viscosímetro Saybolt.

Observaciones:

Suponemos que las mediciones en el viscosímetro Saybolt pudieran no ser muy exactas

debido a que en el momento en que se retiraba el corcho se perdía algo del líquido al

momento de caer, por lo que suponemos que esto pudiera afectar en nuestros resultados.

También ese día nos pudo afectar la temperatura del líquido, ya que ese día se encontraba

a temperaturas muy frías, lo cual hacia que nuestra muestra fluyera con más facilidad en

el momento de realizar cada una de las pruebas.

Conclusiones:

Si comparamos nuestros valores de viscosidad obtenida en ambos viscosímetros,

podemos notar una diferencia breve entre ambos, por lo que mencione anteriormente se

debe a las temperatura a la cual se encontraba nuestra muestra entre muchas de las otras

condiciones que influyeron durante el día que realizamos la práctica. Sin embargo, aun así

los resultados que obtuvimos se aparentan ser muy buenos, según el valor R de la

regresión tanto la del viscosímetro Stormer R² = 0.9934, como la del viscosímetro Saybolt

R² = 0.9945.

y = 0.3109x - 0.7016 R² = 0.9945

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

8.5 9 9.5 10 10.5 11

µ(c

p)

t(s)

µ(cp) vs t(s)

µ(cp) vs t(s)

Lineal (µ(cp) vs t(s))

También hay factores como el tamaño y peso de la pesa utilizado en el viscosímetro

Stormer y las pérdidas que hubo al momento de retirar el corcho en el viscosímetro

Saybolt que pudieran afectar los resultados de nuestra práctica, más sin embargo y según

nuestro valor de regresión tal parece que no afecto mucho.

Pese a esto, el objetivo de la práctica se cumplió ya que pudimos determinar la viscosidad

con diferentes instrumentos de medición.

Bibliografía:

[1] McCabe Warren L., Smith Julian C., Operaciones Unitarias en Ingeniería Química,

Editorial McGraw-Hill, cuarta edición, 1991. ISBN: 0-07-044828-0.

[2] Manual de prácticas Laboratorio de Operaciones Unitarias I. Academia de ciencias de la

ingeniería.

[3] http://www.widman.biz/Seleccion/viscosidad.html