e04 viscosidad asig.materiales vesper ti no

8/3/2019 e04 Viscosidad Asig.materiales Vesper Ti No

1/12

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE INGENIERA

Departamento de Ingeniera MecnicaRB/mp.

INGENIERIA DE EJECUCIN EN MECANICA

PROGRAMA DE PROSECUCION DE ESTUDIOSVESPERTINO

GUIA DE LABORATORIO

ASIGNATURA

95519551 MATERIALES.MATERIALES.

NIVEL 02E04 Propiedades de Materiales Lquidos y Solidos

ViscosidadViscosidad

HORARIO: VIERNES: 13-14-15-16

1


2/12

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILEFACULTAD DE INGENIERA

Departamento de Ingeniera MecnicaRB/mp.

TITULO:

1. OBJETIVO GENERAL

Determinar experimentalmente los valores de Viscosidad de diferentesfluidos y analizar su comportamiento reolgico.

2. OBJETIVOS ESPECFICOS

a) Capacitar al alumno para identificar en el equipo del laboratorio loselementos funcionales que caracterizan un viscosmetro.

b) Determinacin del modelo reologico sencillo que representa elcomportamiento de un fluido newtoniano y determinacin experimental delvalor de la viscosidad

c) Determinar los efectos de la temperatura sobre el comportamiento reologicodel fluido.

d) Familiarizar al alumno con las diferentes escalas y formas de medicin de laviscosidad.

e) Capacitar al alumno para entender modelos reolgicos no-newtonianos.

.

3. BREVE INTRODUCCIN TERICA

3.1 . INTRODUCCIN:Se define la viscosidad como la propiedad de un fluido que ofrece resistencia al

movimiento relativo de sus molculas.Parece obvio pensar que un viscosmetro es un aparato que mide la viscosidad,

sin embargo, la viscosidad es una propiedad que no se determina directamente sinoque se calcula, se estima a partir de la medida de otras magnitudes. Uno de los

problemas de la Reometra es el de conocer esta propiedad intrnseca de la materiaresolviendo las ecuaciones de movimiento en un flujo conocido y con unascondiciones de contorno establecidas, que permitan aplicar la ley de Newton a partirde los valores obtenidos para las magnitudes mensurables.

3.2. GENERALIDADES:

2


3/12

Cuando un fluido se mueve, sedesarrolla en el una tensin de corte,cuya magnitud depende de laviscosidad del fluido. La tensin decorte ( ) puede definirse como lafuerza requerida para deslizar una

capa de rea unitaria de una sustanciasobre otra capa de la misma sustancia.As pues es una fuerza dividida por un rea y puedemedirse en Newton/ m2, (Pascal (Pa)) y la viscosidad surge como el cuociente entre esta fuerza dividida por elgradiente de velocidad, (Pa s). Para un fluido como el agua o aceite la tensin decorte es directamente proporcional al cambio de velocidades entre diferentesposiciones del fluido.

Muchos clculos en mecnica de fluidos implican el cuociente entre la viscosidad yla densidad del fluido. Esto define la Viscosidad Cinemtica de la forma y con lasunidades que se indican:El estudio de las caractersticas de deformacin y de flujo, se conoce como

Reologa, que es el campo en el cual aprendemos acerca de las viscosidades delos fluidos. Unadiferencia importanteque se debe entenderes la de los fluidosNewtonianos y losfluidos NoNewtonianos. Unfluido que se

3


4/12

comporta de acuerdo a la ecuacin (1) se conoce como Fluido Newtoniano. (Agua,Aceite, Gasolina, Alcohol, Glicerina). Si no se comporta de acuerdo a esa ecuacinse le reconoce como No- Newtoniano. (Figuras)

Se tienen dos principales clasificaciones de los fluidos no newtonianos:

independientes del tiempo y dependientes del tiempo.Se pueden definir tres tipos de fluidos independientes del tiempo:Pseudos plsticos. La grfica de la tensin de corte contra el gradiente de

velocidad se encuentra por encima de la lnea recta, de pendiente constante. Lacurva inicia abruptamente, lo que indica una alta viscosidad aparente. Luego lapendiente disminuye al aumentar el gradiente de velocidad. Algunos ejemplos deeste tipo de fluidos son el plasma sanguneo, el polietileno fundido y lassuspensiones acuosas de arcilla.

Fluidos dilatantes. La curva empieza con una pendiente baja, lo que indicauna baja viscosidad aparente. Luego la pendiente aumenta al aumentar el gradientede velocidad. Algunos ejemplos de fluidos dilatadores son la fcula de maz enetilenglicol, el almidn en agua y el dixido de titanio.

Fluidos de Bingham. Estos requieren el desarrollo de un nivel significativode tensin de corte antes de que empiece el flujo. Algunos ejemplos son elchocolate, la mostaza, la mayonesa, la pasta dental, la pintura, el asfalto, algunasgrasas y las suspensiones acuosas de ceniza de carbn o de sedimentos de aguasresiduales.

Los fluidos dependientes del tiempo son muy difciles de analizar, debido aque su viscosidad aparente vara con el tiempo as como con el gradiente develocidad y la temperatura. Ejemplos de fluidos dependientes del tiempo sonalgunos aceites de petrleo crudo a bajas temperaturas, la tinta de impresin, elnylon, algunas jaleas, la masa de harina y varias soluciones polimricas. A stos seles conoce como fluidos tixotrpicos.

Se han estado desarrollando los fluidos electrorreolgicos, que ofrecenpropiedades exclusivas controlables mediante la aplicacin de una corrienteelctrica. Consisten en suspensiones de partculas finas como almidn, polmeros ocermicas, en aceite no conductor, como el aceite mineral o el aceite de silicona.Cuando no hay una corriente aplicada se comportan como otros lquidos; perocuando se les aplica una corriente, se convierten en una gelatina y se comportanms como un slido. Las aplicaciones potenciales de tales fluidos son comosustitutos de las vlvulas convencionales, en embragues de automvil, en sistemasde suspensin para vehculos y maquinaria y en dispositivos automticos.

3.3. VARIACIN DE LA VISCOSIDAD CON LA TEMPERATURA

Tal vez le sean familiares algunos ejemplos de la variacin de la viscosidad de losfluidos con la temperatura. El aceite para motor, por lo general, es bastante difcil devaciar cuando est fro, lo cual indica que tiene una viscosidad alta. Conforme latemperatura del aceite va aumentando, su viscosidad disminuye notablemente.Todos los lquidos exhiben este comportamiento en algn grado. Los gases secomportan de manera diferente a los lquidos en el hecho de que la viscosidad

4


5/12

aumenta al tiempo que aumenta la temperatura. Tambin se tiene que la magnituddel cambio es, por lo general, menor que la que se da en lquidos.

Una medida de qu tanto cambia la viscosidad de un fluido con la temperatura estdada por su ndice de viscosidad. ste es especialmente importante en los aceiteslubricantes y en los fluidos hidrulicos que se utilizan en equipos que deben operar

en condiciones extremas de temperatura.

Un fluido con un alto ndice deviscosidad muestra un cambiopequeo de viscosidad conrespecto a la temperatura Unfluido con un bajo ndice deviscosidad exhibe un cambiogrande en su viscosidad conrespecto a la temperatura.

3.4 MEDICIN DE LA VISCOSIDADLa caracterizacin de las propiedades reolgicas depende del tipo especfico

de fluido. As, para un fluido newtoniano, a una presin y temperatura dadas,nicamente es necesario conocer un parmetro, la viscosidad, y por tanto, una solamedida es suficiente. Sin embargo, en el caso de un fluido no newtoniano se debeobtener una curva de flujo, es decir, la dependencia funcional entre el esfuerzo decizalla y la velocidad de cizalla

En este sentido, se debe distinguir entre viscosmetros y remetros, ya quemientras que los primeros aparatos nos permiten medir nicamente la viscosidad,en los segundos pueden medirse otra serie de funciones materiales como lasmencionadas anteriormente.

Para que exista una solucin exacta de las ecuaciones del movimiento y decontinuidad que describen el flujo en el instrumento de medida, que nos permitaobtener los valores de viscosidad se consideran casos simples de flujo donde lavelocidad tiene una nica componente distinta de cero, es decir, flujosviscosimtricos. stos se dividen en dos clases (Ferguson y Kemblowski, 1991):

1.- Flujos de Poiseuille, donde las paredes son estacionarias y el flujo escausado por la aplicacin de una presin externa al fluido. ste es el caso de losviscosmetros capilares, donde el lquido es forzado a atravesar un tubo muyestrecho y la viscosidad del lquido se determina a partir de la velocidad de flujovolumtrico medido, la presin aplicada y las dimensiones del tubo.

2.- Flujos de Couette, donde no existe diferencia de presin, sino que una delas paredes del sistema se mueve de manera que produce el flujo. De hecho, elfluido es arrastrado con la pared debido a la accin de fuerzas viscosas (flujo dearrastre), que son funcin de la velocidad. El principio de medida se basa en ladeterminacin simultnea de la velocidad de rotacin del elemento rotatorio y elmomento resultante de esta rotacin. Existen varios tipos de flujos de Couette, quedan lugar a diferentes remetros rotacionales: flujo entre dos cilindros coaxiales,flujo entre un cono y un plato, flujo entre dos platos (o discos) paralelos.

3.5 VISCOSMETROS CAPILARES

5


6/12

Probablemente el primer experimento cientfico en el que se utiliz un capilaro tubo para medir el flujo fue realizado en 1839 por Hagen, seguido de cerca por eltrabajo de Poiseuille. Poiseuille estudi problemas de flujo capilar para entendermejor la circulacin de la sangre a travs de los vasos capilares en el cuerpohumano. Descubri la relacin (conocida como la ley de Hagen-Poiseuille) entre lavelocidad de flujo y la cada de presin para un flujo capilar,

Un viscosmetro capilar consta esencialmente de cuatro partes: un depsito delfluido, un capilar de dimensiones conocidas, un dispositivo de control y medida dela presin aplicada y un dispositivo para determinar la velocidad de flujo. Losviscosmetros comerciales pueden dividirse en dos tipos principales: losviscosmetros de cilindro-pistn y los de capilar de vidrio (Lapasin y Pricl, 1995).La Sociedad Norteamericana para Pruebas y Materiales (ASTM) genera normas

para la medicin y el informe de viscosidades. Las normas especficas se citan enlas siguientes secciones.En la figura se muestran dos recipientes conectados por un tubo largo de dimetropequeo, conocido como tubo capilar. Conforme el fluido fluye a travs del tubocon una velocidad constante, el sistema pierde algo de energa, ocasionando unacada de presin que puede ser medida utilizando un manmetro. La magnitud de lacada de presin est relacionada con la viscosidad del fluido mediante la siguienteecuacin:

3.6. Viscosmetros estndar calibrados capilares de vidrioLas normas ASTM D445 y D446 (referencias 1 y 2) describen el uso de los

viscosmetros estndar calibrados capilares de vidrio para medir la viscosidadcinemtica de lquidos transparentes y opacos: En las figuras se muestran dos de

los tipos de viscosmetros analizados en lanorma. En la figura tambin se muestra un baodisponible comercialmente, para contener lostubos y mantener las temperaturas de prueba entodo el espacio del bao.Para preparar la prueba de viscosidad, el tuboviscosmetro es cargado con una cantidadespecfica de fluido de prueba. Despus deestabilizarse en la temperatura de prueba, se

6


7/12

saca mediante succin el lquido a travs del bulbo y se le deja ligeramente porencima de la marca de regulacin superior. Se retira la succin y se permite allquido fluir bajo el efecto.

Viscosmetro de

Ubbelohde. Bao de viscosidadCinemtica para contener viscosmetrosestndar calibrados capilares de vidrio.

Viscosmetros de pistnEn estos viscosmetros el fluido es obligado a

salir del depsito, a travs de un tubo o capilar, pormedio de un pistn accionado por un dispositivo

mecnico, neumtico o hidrulico (figura 2). Las datosque se obtienen son la diferencia de presin entre dospuntos, y el gasto, o velocidad de flujo volumtrico, quese evala a partir de la velocidad de flujo msico. Elngulo formado entre el depsito y el capilar (ngulo deentrada) es importante para evitar la formacin deturbulencias en los fluidos viscoelsticos

3.7. VISCOSMETROS ROTATORIOSEl primer viscosmetro de este tipo fue

desarrollado por Couette en 1890. Se trataba de unviscosmetro de cilindros coaxiales. Consista en unvaso rotatorio con un cilindro interior sostenido por unalambre de torsin que descansaba en un cojinete en elfondo del recipiente (van Wazer et al., 1963).

7


8/12

Los viscosmetros rotatorios utilizan el movimiento giratorio para conseguirun flujo de cizalla simple. Este tipo de instrumentos puede ser de dos clases, segnla forma de inducir el flujo: de velocidad de cizalla controlada ("controlled shearrate", CSR, o simplemente CR y de esfuerzo de cizalla controlado ("controlled shearstress", CSS, o simplemente CS.

El aparato que se muestra en la figura (a) mide laviscosidad utilizando la definicin de viscosidaddinmica dada en la ecuacin:

Se hace girar el tambor exterior a una velocidad

angular constante, , mientras que el tambor interiorse mantiene estacionario. Por consiguiente, el fluidoque est en contacto con el tambor giratorio tiene unavelocidad lineal, v. conocida, mientras que el fluido queest en contacto con el tambor interior tiene unavelocidad cero. Si conocemos el espacio, y, de lamuestra de fluido, entonces podemos calcular el

trmino vly de la ecuacin. Se pone una consideracin especial al fluido que seencuentra en el fondo del tambor, pues su velocidad no es uniforme en todos lospuntos. Debido a la viscosidad del fluido, se presenta una fuerza de arrastre sobrela superficie del tambor interior que ocasiona el desarrollo de un torque cuya

magnitud puede medirse con un torqumetro sensible. La magnitud de dicho torquees una medida de la tensin de corte, , del fluido. As pues, la viscosidad puede calcularse utilizando la ecuacin anterior.

3.8. VISCOSMETRO UNIVERSAL DE SAYBOLTLa facilidad con que un fluido fluye a travs de un orificio de dimetro

pequeo esuna indicacin de su viscosidad. ste es el principio sobre el cual estbasado elviscosmetro universal de Saybolt. La muestra de fluido se coloca en unaparato parecido al que se presenta en la figura (a). Despus de que se estableceel flujo, se mide el tiempo requerido para colectar 60 ml del fluido. El tiemporesultante se reporta como la viscosidad del fluido en Segundos Universales

Saybolt (SSU o, en ocasiones, SUS).Puesto que la medicin no est basada en la definicin fundamental deviscosidad, los resultados son solamente relativos. Sin embargo, sirven paracomparar las viscosidades de diferentes fluidos. La ventaja de este procedimientoes que es sencillo y requiere un equipo relativamente simple. Se puede hacer unaconversin aproximada de SSU a viscosidad cinemtica. En las figuras se muestranel viscosmetro de Saybolt disponible comercialmente y la botella de 60 rnL que seutiliza para colectar la muestra.

8


9/12

El uso del viscosmetro de Saybolt fue cubierto anteriormente por la NormaASTM D88. Sin embargo, dicha norma ya no es apoyada por la ASTM. Se le dapreferencia ahora al uso de los viscosmetros capilares de vidrio descritos en lasNormas ASTM D445 y D446

3.9. GRADOS DE VISCOSIDAD SAELa Sociedad de Ingenieros Automotrices

(SAE) ha desarrollado un sistema de valoracin enaceites para motor (tabla 2.4) y lubricantes deengranajes y de ejes(Tabla) que indica la viscosidad de los aceites atemperaturas especficas. Los aceites que tienenel sufijo W deben tener viscosidades cinemticasen los intervalos indicados a 100 "C. Los aceitesde multi viscosidad, como el SAE 10 W-30, debencumplir con las normas en las condiciones de bajay de alta temperaturas.

La especificacin de valores de viscosidadmxima a baja temperatura para aceites estrelacionada con la capacidad del aceite para fluirhacia las superficies que necesitan lubricacin, alas velocidades de motor que se alcanzan duranteel inicio del funcionamiento a bajas temperaturas.La viscosidad de bombeo indica la capacidad del aceite parafluir hacia la entrada de la bomba de aceite de un motor.

Las especificaciones del intervalo de viscosidades aaltas temperaturas se relacionan con la capacidad del aceitede proporcionar una pelcula de aceite satisfactoria parallevar las cargas esperadas mientras no se tenga unaviscosidad excesivamente alta que pudiera aumentar lafriccin y las prdidas de energa generadas por las partesen movimiento.Las normas siguientes se aplican a las clasificaciones SAE ya los mtodos de prueba:SAE 5300 Clasificacin deviscosidad de aceite para motorSAE 5306 Clasificacin deviscosidad lubricante detransmisin manual y de ejeASTM D445 Mtodo estndar deprueba para viscosidad cinemticade lquidos transparentes yopacos.

9


10/12

ASTM D446 Especificaciones estndar e instrucciones de operacin paraviscosmetros cinemticos capilares de vidrio.ASTM D2602 Mtodo de prueba estndar para viscosidad aparente de aceites paramotor a baja temperatura utilizando el simulador de manivela fra.

ASTM D2983 Mtodo de prueba para viscosidad aparente a baja temperaturautilizando el viscmetro de BrookfieldASTM D3829 Mtodo de prueba estndar para predecir la temperatura de bombeode frontera de aceite para motorASTM D4684 Mtodo de prueba estndar para la determinacin de la tensin deproduccin y la viscosidad aparente de aceites para motor a baja temperatura

3.10. GRADOS DE VISCOSIDAD ISOLos lubricantes que se utilizan

en aplicaciones industriales debenestar disponibles en un ampliointervalo de viscosidades, paracumplir con las necesidades demaquinaria de produccin, cojinetes,accionadores de engranajes,

mquinas elctricas, ventiladores ysopladores, sistemas de potencia defluido, equipo mvil y muchos otrosdispositivos. Los diseadores de talessistemas deben asegurarse de que ellubricante puede soportar lastemperaturas a las que se le va asometer mientras desarrollan unacapacidad suficiente de traslado depeso. Por consiguiente se tienenecesidad de una amplia variedad de

viscosidades.Clasificacin estndar delubricantes fluidos industriales porsistema de viscosidad,define un conjunto de 18 grados de viscosidad ISO.La designacin estndar incluye el prefijo ISO VG seguido por un nmero querepresenta la viscosidad nominal en cSt (mm2/s) para una temperatura de 40 "C.En la tabla anterior se presentan los datos.

10


11/12

4.- .DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA

En estas experiencias de viscosidad de fluidos, buscamos determinar atravs del modelo reologico de flujo newtoniano, el valor de la viscosidad dediferentes fluidos. Para el modelo Newtoniano el esfuerzo cortante generado en elmovimiento de un fluido esta dado por la relacin:

=

dy

dVx

La ecuacin anterior representada en undiagrama reologico de esfuerzo vs deformacincorresponde a una recta que pasa por el origen ycuya pendiente corresponde a la viscosidad.(Modelo de 1 parmetro).

Durante la experiencia usaremos unviscosmetro Brookfiel, de tipo rotacional, en elcual gira un cilindro vertical interior, sumergido en

el fluido, a diferentes velocidades, determinandolos esfuerzos correspondientes. La deformacinesta directamente asociada a la velocidad degiro del cilindro interior (llamado Spindle),variable que se puede manejar externamentecomo RPM.

En el equipo determinaremos elporcentaje del torque mximo (cte. del equipo) yla velocidad de giro en RPM.

Por definicin el esfuerzo de corte est dado por la fuerza que actatangente al rea en contacto con el fluido. Esta fuerza proviene del par aplicado al

spindle para que gire: Al considerar que el rea de contacto con el fluido es el readel manto del spindle se puede cometer un error producto de que el fluido est encontacto tambin con otras reas.

5 . DESCRIPCIN DEL METODO A SEGUIR

5.1. Reconocer los componentes constitutivos del equipo del laboratorio acontrolar y las variables presentes en l, de acuerdo a la aplicacinespecificada por el profesor.

5.2. Determinar las variables y constantes que definen la operacin experimental5.3. Realizar las calibraciones previas del equipo, segn indicaciones del profesor

6.- VARIABLES A CONTROLAR

6.1. Temperatura (Ta) del agua (inicio y final de los ensayos)6.2. Temperatura (Tamb) ambiente (inicio y final de los ensayos)6.3. Esfuerzos cortantes (F)

7.- TEMAS DE INTERROGACIN

11


12/12

7.1. Caracterizacin de la viscosidad7.2. Fluidos newtonianos y no newtonianos.7.3. Equipos de medicin.7.4. Calculo de la viscosidad a partir de la data experimental

8.- EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR

Los equipos e instrumentos empleados en este laboratorio son:Viscosmetro Brookfield 756-65 con sus correspondientes Spindles

8. SE PIDE EN EL INFORME

8.1. Un anlisis de los resultados, comentarios y conclusiones personales.8.2. La referencia bibliogrfica.8.3 El apndice con:

a.1. Desarrollo de los clculos.a.3. Presentacin de resultados.a.4. Grficos.

e04 viscosidad asig.materiales vesper ti no

Documents