Facultad de Ingeniera Qumica y Textil

Facultad de Ingeniera Qumica y Textil Laboratorio N5 de Fisicoqumica I

Viscosidad de lquidos1) OBJETIVOS Adquirir destreza en la medicin de la viscosidad de lquidos usando el mtodo del viscosmetro de Ostwald. Observar el efecto de la temperatura en la viscosidad de los lquidos.

2) FUNDAMENTO TERICO

Viscosidad

Todos los fluidos reales tienen una resistencia interna al flujo, o viscosidad, que puede verse como friccin entre las molculas del fluido.

Las fuerzas viscosas se oponen al movimiento de una porcin de un fluido en relacin con otra, es la razn por la que se dificulta remar una canoa en aguas tranquilas, pero tambin es lo que hace que funcione el remo.

Los efectos de la viscosidad son importantes en el flujo de fluidos en las tuberas, en el flujo de la sangre, en la lubricacin de las partes de un motor y en muchas otras situaciones.

En los lquidos, la viscosidad se debe a fuerzas de cohesin de corto alcance; en los gases, se debe a los choques entre las molculas. La resistencia a la viscosidad tanto de lquidos como de gases depende de su velocidad y podra ser directamente proporcional a ella en algunos casos. Sin embargo, la relacin vara dependiendo de las condiciones.

La friccin interna hace que las distintas capas de un fluido se muevan con diferente rapidez en respuesta a un esfuerzo cortante. Este movimiento relativo de capas, llamado flujo laminar, es caracterstico del flujo estable de lquidos viscosos a baja velocidad.

A velocidades ms altas, el flujo se vuelve rotacional, o turbulento, y difcil de analizar. Puesto que en el flujo laminar hay esfuerzos cortantes y deformaciones por corte, la propiedad de viscosidad de un fluido puede describirse con un coeficiente.

La viscosidad se caracteriza con un coeficiente de viscosidad n.

El coeficiente de viscosidad es, en efecto, la razn del esfuerzo cortante entre la tasa de cambio de la deformacin cortante (porque hay movimiento). Un anlisis dimensional revela que la unidad SI de viscosidad es pascal-segundo (Pa s). Esta unidad combinada se denomina poiseville (Pl.) en honor al cientfico francs Jean Poiseville (1797-1869), quien estudio el flujo de lquidos y en especial de la sangre. La unidad CGS de viscosidad es el poise (P). Se usa mucho un submltiplo, el cent poise (cp.).

Ley de Hagen Poiseuille

La viscosidad dificulta el anlisis del flujo de fluidos. Por ejemplo, cuando un fluido fluye por una tubera, hay friccin entre el lquido y las paredes, por lo que la velocidad del fluido es mayor hacia el centro del tubo (figura (b)). En la prctica, este efecto influye en la tasa promedio de flujo de un fluido, que describe el volumen (V) de fluido que pasa por un punto dado durante un tiempo t. La unidad SI de tasa de flujo es metros cbicos por segundo (m3/s). La tasa de flujo depende de las propiedades del fluido y de las dimensiones del tubo, as como de la diferencia de presin (p) entre los extremos del tubo.Jean Poiseuille estudio el flujo en tubos y tuberas, suponiendo una viscosidad constante y flujo estable o laminar, y dedujo la siguiente relacin, conocida como ley de Poiseuille, para la tasa de flujo:

Aqu, r es el radio del tubo y L es su longitud. Como se esperara, la tasa de flujo es inversamente proporcional a la viscosidad (n) y a la longitud del tubo, y directamente proporcional a la diferencia de presin p entre los extremos del tubo. No obstante, algo ms inesperado es que la tasa de flujo es proporcional a r4, de manera que depende ms del radio del tubo de lo que hubiramos pensado.

DondeR: Radio del tubo donde circula el fluidon: viscosidad del fluidoQ: Tasa de flujoL: Longitud del tubop: Cada de presin en los lados del tubo

Viscosmetro de OstwaldEl viscosmetro de Oswald es el ms antiguo de los viscosmetros capilares de vidrio. Se nombra en honor del qumico alemn del Bltico Wilhelm Ostwald (1853-1932), que fue quin lo ide. Como ocurre en general en este tipo de viscosmetros la fuerza impulsora es la gravedad. La forma ms usual de este aparato sencillo y suficientemente seguro, para comparar las viscosidades de diferentes lquidos, se muestra en la figura (C).La rama izquierdo del tubo en U es, en esencia, una pipeta con dos marcas definidas A y B, y un capilar de paredes resistentes C, a travs del cual el lquido contenido en el ensanchamiento D fluye por la accin de la gravedad hacia el ensanchamiento E, sitiado en la rama derecha. Se hace uso de un volumen definido de lquido , que es introducido en el tubo F con una pipeta calibrada; la cantidad debe ser la suficiente para que cuando el lquido sea succionado hacia la rama de la izquierda y por encima del enrase A, todava el menisco de la derecha est dentro del ensanchamiento E. El lquido tiende a volver a su posicin inicial si se le permite refluir. Cuando el menisco pasa por el enrase A se pone en marcha un cronmetro que se para cuando el menisco pasa por el enrase B y este tiempo debe ser registrado.Este viscosmetro ha padecido diversas modificaciones dando lugar al viscosmetro Canon-Fenske

Viscosmetro Canon-FenskeDescripcin del viscosmetro

El viscosmetro de Cannon - Fenske est basado en el mismo principio que el viscosmetro de Oswald. Se aplica nicamente a lquidos transparentes.

Existen diversos tipos de viscosmetros Cannon - Fenske, en funcin de la viscosidad a medir, por lo que debe tomarse para el ensayo el que est dentro del rango de viscosidades a medir.

Proceso de medida

- Efectuar la medida con el viscosmetro limpio y seco. Si la muestra contiene o puede contener polvo o partculas en suspensin, se filtrar a travs de una placa porosa.

- Llenar el viscosmetro, a temperatura ambiente, colocndolo invertido en posicin vertical y con el extremo de la rama con los bulbos sumergido en el lquido muestra. - En la posicin indicada, succionar por la rama derecha hasta que la muestra llene los dos bulbos y llegue exactamente hasta la marca de aforo inferior(B).

-Una vez lleno el viscosmetro, se vuelve a su posicin normal y el lquido descender a la bola inferior.- Montar el viscosmetro dentro de un bao termosttico(25, 30 ,35, 40C para el laboratorio), de modo que quede sumergido todo el bulbo superior. Esperar unos 15 minutos para que el conjunto alcance la temperatura del bao.

- Para efectuar la medida se succiona el lquido por medio de una propipeta, conectada a la rama capilar (derecha), hasta que el lquido alcance la marca de aforo situada entre los dos bulbos.- Dejar caer libremente el lquido y medir el tiempo que tarda en pasar desde el primer aforo(D) hasta el segundo(F).

-Efectuar una nueva medida, sin limpiar ni desmontarle del termostato. Promediar las medidas en el caso de que no superen un 5 % de diferencia entre ellas. As para cada una de la temperaturas y para el etanol.

3) DATOS TEORICO/EXPERIMENTAL.3.1. DATOS TEORICOS:

Viscosidad del agua a diferentes temperaturas

T (C) (kg/m.s)

200,001003

230,000933

250.000891

300.000798

350.000720

400.000653

Tabla N1: Fuente: www.vaxasoftware.com

Densidad del agua a diferentes temperaturas

T (C) (Kg/m3)

20998,2

23997,5

25997,1

30995,7

35994,1

40992,2

Tabla N2: Fuente: METCALF &EDDY, INC. Ingeniera de aguas residuals. Mc Grawll Hill. 3a edicin

Viscosidad del etanol a diferentes temperaturas

Viscosidad del etanol

T (C) (cp)

101.466

201.200

231.136

301.003

400.834

500.702

Tabla N3: Fuente: http://www2.stetson.edu/~wgrubbs/datadriven/viscosity/viscositywtgpdf.pdf

Densidad del etanol a 23C

Densidad del etanol

T (C) (g/mL)

230.78691

Tabla N4: Fuente: http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol_(data_page)

3.2. DATOS EXPERIMENTALES:Volumen de agua: 19mL

LiquidoT (C)Tpromedio (s)

Agua2311,81

2511,13

3010,98

3510,23

409,64

Etanol2321,95

Tabla N.5: Tiempo medidos en el viscosmetro de Ostwald (200-H610 CANNON FENSKE) a temperaturas variable.

4) TRATAMIENTO DE DATOS4.1. Determinando el radio del capilar:Empleando las siguientes ecuaciones:

1. 2. Remplazando 2 en 1:

El radio en funcin de ,V,t,:

Hallamos el radio capilar a 23 C:-23C=0.000933Kg/m.s-V= 19x10-6m3-t=11,81 s 997,5 Kg/m3Remplazando:

Realizando los mismos clculos para las siguientes temperaturas.T (C)

230.791

250.793

300.775

350.769

400.762

Tabla N6: Radios capilares bajo distintas temperaturas. r promedio= 0,778mm4.2. Calcule la viscosidad del etanolUsando la siguiente ecuacin a temperatura ambiente (23C):

Reemplazando:

4.3. Ecuacin de la viscosidad del agua bajo el parmetro independiente de la temperatura.

T (C) (mp)

201,003

230,933

250,891

300,798

350,720

400,653

Tabla N7: Valores tericos de viscosidad del agua a distintas temperaturas tomados para dar ajuste a una ecuacin.

(mp) vs T(C)

De cual se extrae la siguiente ecuacin de segundo grado:=0,0003T2 - 0,0354T + 1,5895

4.4. Ecuacin de la viscosidad del agua bajo el parmetro independiente de la temperatura.T (C) (mp)

201,200

231,136

251,074

301,003

400,834

Tabla N8: Valores tericos de viscosidad del etanol a distintas temperaturas tomados para dar ajuste a una ecuacin.

(mp) vs T(C)

U (mp)T (C)

De cual se extrae la siguiente ecuacin de segundo grado:u = 0.0002T2 - 0.0316T + 1.7387

4.5. Otros viscosmetrosViscosmetros de cilindros coaxialesEste tipo de viscosmetros consta de dos cilindros, uno interno y otro externo. Lo que permiten los viscosmetros de cilindros coaxiales es realizar la medida de la viscosidad absoluta de un fluido.Por lo regular se utiliza en aplicaciones donde se tiene que medir el nivel de viscosidad de productos como pinturas, productos alimenticios, suspensiones, entre otros.Viscosmetros anlogosLos viscosmetros anlogos se forman con un disco o un cilindro que se encuentra suspendido y gira por la accin de un motor sincrnico. La lectura de la medida del nivel de viscosidad se expresa por una serie de medidas grabadas en el disco o en el cilindro que se utilice.Este tipo de viscosmetros suele ser utilizado en la industria alimenticia, farmacutica y en la medicin de viscosidad de pinturas y grasas.Viscosmetros rotacionales digitalesPara asegurar una medicin exacta del nivel de viscosidad de fluidos, los viscosmetros rotacionales digitales son la eleccin adecuada. Estos son controlados a travs de un microprocesador, esto elimina por completo los errores humanos al momento de interpretar las medidas de viscosidad.Su nivel de exactitud y precisin en las medidas es alto, por lo regular cuentan con dispositivos de medicin y control de temperatura del fluido analizado para garantizar un ambiente constante de medicin. Esto representa una ventaja respecto de los otros dos tipos de viscosmetros, ya que es importante conocer la temperatura a la que se somete un fluido puesto que sta influencia directamente al nivel de viscosidad.

5) OBSERVACIONES:1.- Al aumento de la temperatura, el tiempo que demora el fluido en desplazarse es menor en un tramo de longitud constante.2.- A temperatura constante, el tiempo que demora el etanol en descender un tramo es mayor que del agua.3.- la varianza en el volumen de agua es despreciable al aumento de temperatura de un rango (23C a 40C).

6) DISCUSION DE RESULTADOS:1. Razn por cual el radio capilar a 23C es menor que el de 25C se debe al tiempo cronometrado medido en el laboratorio, ya que medir el descenso del lquido a temperaturas cercanas, existe menor precisin en ello.

2. Hallar el error en la viscosidades del agua, no pudo ser posible ya que no se obtuvo experimentalmente los valores de la viscosidad. Y limitando realizar mayor anlisis en su valor.

3. La viscosidad de un lquido, disminuye si aumenta la temperatura, ya que la cohesin molecular determina la viscosidad. Al aumentar la temperatura, aumenta la energa cintica molecular, disminuyendo la cohesin y por tanto la viscosidad.

4. Segn los datos obtenidos vemos que la viscosidad del etanol y del agua disminuyen al incrementar la temperatura

5. El error encontrado se debe a variaciones en la temperatura, ya que debido a esto cambia las densidades y viscosidades de los lquidos

6. Este tipo de viscosmetro de Ostwald es til para lquidos de viscosidad relativamente baja ya que su tiempo de descenso tambin es bajo

7) CONCLUSIONES:1. El etanol presenta mayor viscosidad que el agua.

2. La viscosidad de estos lquidos disminuye conforme existe un aumento de temperatura, caso contrario este aumenta.

3. Gracias al Viscosmetro de Ostwald (Cannon Fenske), nos da mayor exactitud en la medicin de la viscosidad ya que est diseado para lquidos transparentes.

4. La varianza en los radios capilares se debe especialmente por la imprecisin al medir el tiempo de descenso del liquido.

5. El hecho de que el etanol sea ms viscoso que el agua, aun cuando sus fuerzas intermoleculares son menores, se debe a que el etanol tiene una masa molecular mayor que la del agua

8) BIBLIOGRAFA WILSON, JERRY; ANTHONY J. BUFA; BO LOU. Fsica. Sexta edicin. Editorial PEARSON EDUCACIN, Mxico, 2007. Pg. 325-326 YOUNG, HUGH D. y ROGER A. FREEDMAN. Fsica universitaria volumen 1. Decimosegunda edicin. Editorial PEARSON EDUCACION, Mxico, 2009. Pg. 473. Finldlay A. ,Levitt B. P. Qumica Fsica prctica de Findlay, Novena edicin. Editorial REVERT S.A.,Edicin en espaol.Espaa,1979, Pg.104-105 Arthur W. Adamson, Gonzalo A Munn Navarro, Qumica Fisica, Ed.Revert, Espaa,1979, pg.:372-374. Victor Manuel Gonzales C., Fsica Fundamental, Tercera edicin, Ed. Progreso, Mxico, 1996, pg. 130.

Pginas Web consultadas

http://docsetools.com/articulos-de-todos-los-temas/article_22869.html http://es.wikipedia.org/wiki/Viscosidad http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Poiseuille http://es.wikipedia.org/wiki/Viscos%C3%ADmetro_de_Ostwald http://www.matematicasypoesia.com.es/metodos/melweb08_Cannon.htm www.unipamplona.edu.co/unipamplona/hermesoft/portalIG/home_1/recursos/tesis/contenidos/tesis_septiembre/05092007/efecto_de_la_temperatura.pdf www.miliarium.com/Paginas/Prontu/Tablas/Aguas/PropiedadesFisicasAgua.htm. www.didactica.fisica.uson.mx/tablas/densidad.htm.

9) APNDICE

Lubricacin en partes de una maquina industrial que realiza trabajo en distintas temperaturasLa viscosidad es un parmetro importante en los aceites lubricantes y segn la aplicacin debe tener la viscosidad adecuada. La viscosidad de un producto es afectada por la temperatura, a mayor temperatura menor viscosidad Por ejemplo la lubricacin de una zona muy caliente de una mquina, necesita un aceite de alta viscosidad, dado que la temperatura al bajar la viscosidad no deja de lubricar. En cambio utilizando un aceite de baja viscosidad, con el aumento de la temperatura se puede llegar al rompimiento de la pelcula de aceite y la consecuente soldadura de las partes que rozan. En cambio para lubricar una mquina muy fra, se debe utilizar un aceite de baja viscosidad. Por la misma razn si se usa uno de alta viscosidad, con el fro aumenta y puede llegar a generar mucho trabajo para efectuar el movimiento.

Imagen 1: Engranajes lubricados en las intersecciones, dependiendo a que temperatura trabajen, se requiere una mayor o menor viscosidad en el lubricante.

Industria alimentariaLa propiedad de la viscosidad tambin es importante en Ingeniera de Alimentos, tanto para establecer condiciones de proceso (transporte de fluidos, intercambio de calor o secado) y como parmetro de control de la calidad, ya que la viscosidad es una propiedad fisicoqumica que influye en la textura y percepcin de un alimento fluido al ser ingerido por el consumidor (ejemplo, tener una viscosidad adecuada para el yogurt, alguna crema o una bebida refrescante).Dicho error en la viscosidad que podra obtenerse al hacer un control de calidad, puede deberse a que existe una elevada(o escaza) cantidad de cierto componente como- Contenido de grasa.- Contaminacin de slidos

Que alteran ciertas propiedades del producto, ya sean

- Sabor- Velocidad de enfriamiento.- Variacin en la consistencia por efecto de calentamiento.

Imagen2 : En un ejemplo, la elaboracin del yogurt, este debe tener una cierta Viscosidad, para que no presente alteraciones en su calidad como producto9