laboratorio de ingeniería (iq-buap) práctica 2
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Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Facultad de Ingeniería Química
Laboratorio de Ingeniería I
MIQ. Maribel López Badillo
Integrantes del equipo 2:
Hoyos Vázquez Ma. Elena Eugenia
Miranda Valdovinos Rosa Nayeli
Morales Córdova Arquímedes
Velasco Gómez Arely
NRC: 20177
Reporte de la práctica 2: Determinación de densidad y viscosidad para un aceite lubricante
Fecha de realización de la práctica: 28 de agosto del 2017
Fecha de entrega: 05 de septiembre del 2017
REPORTE DE LA PRÁCTICA 2: DETERMINACIÓN DE
DENSIDAD Y VISCOSIDAD PARA UN ACEITE LUBRICANTE
05 DE SEPTIEMBRE DEL 2017
NRC: 20177
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1. INTRODUCCIÓN:
Los fluidos son sistemas deformables constituidos por un número de
moléculas que se encuentran acomodados en forma continua sin espacios
vacíos dentro de una masa determinada. Algunas de las propiedades que
dan identidad a un fluido son su densidad y su viscosidad. En particular estás
dos propiedades de la materia permiten la caracterización de diversos
materiales. Específicamente en los aceites lubricantes la densidad y
viscosidad son las propiedades más importantes y a partir de ellas es posible
determinar otros parámetros y su efectiva aplicabilidad.
2. OBJETIVOS:
2.1 Determinar la densidad de un aceite lubricante por diferentes métodos.
2.2 Determinar el comportamiento de la viscosidad dinámica de un aceite a
diferentes temperaturas.
2.3 Realizar el cálculo de la viscosidad cinemática y de índice de viscosidad para
un aceite lubricante.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO:
Para la preparación de su prelaboratorio investigue los siguientes conceptos:
Propiedades extensivas e intensivas:
Una propiedad se llama propiedad extensiva si su valor para un sistema
es la suma de los valores correspondientes a las partes en las que se
subdivida. La masa, el volumen y la energía son propiedades extensivas y
dependen, por tanto, del tamaño o extensión de un sistema. Las
propiedades extensivas pueden cambiar con el tiempo y muchos análisis
termodinámicos consisten fundamentalmente en un balance cuidadoso de
los cambios en propiedades extensivas tales como la masa y la energía
cuando el sistema interacciona con su entorno.
Las propiedades intensivas no son aditivas en el sentido señalado
previamente. Sus valores son independientes del tamaño o extensión de
un sistema y pueden variar de un sitio a otro dentro del sistema en un
instante dado. Así, las propiedades intensivas pueden ser función de la
posición y del tiempo, mientras que las propiedades extensivas varían
fundamentalmente con el tiempo. El volumen especifico, la presión y la
temperatura son propiedades intensivas importantes.
Densidad y densidad relativa:
La densidad, también llamada densidad absoluta, se define como “la
masa por unidad de volumen”, que es igual al cociente entre la masa de
un cuerpo (Kg) y su volumen (m3), sus unidades dimensionales son Kg/m3
en el SI, se expresa como:
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𝜌 =𝑚 (𝐾𝑔)
𝑉 (𝑚3)
Por otra parte, la densidad relativa se define como “el cociente entre la
densidad de un cuerpo y la de otro que se toma como unidad”, siempre y
cuando ambas densidades se expresen en las mismas unidades y en
iguales condiciones de temperatura y presión. Para el caso de los
líquidos y sólidos la densidad de referencia será el agua a presión de 1
atm y temperatura de 4°C, mientras que para los gases la densidad de
referencia es la densidad del aire a presión de 1 atm y temperatura de
0°C. Se expresa como:
𝜌𝑟 =𝜌
𝜌0
Viscosidad dinámica y cinemática:
La viscosidad dinámica denominada como “𝜇”. Si se representa la curva
de fluidez (esfuerzo cortante frente a velocidad de deformación) se define
también como la pendiente en dicho punto de cada curva.
Matemáticamente se expresa como:
𝜇 =𝜏
∆𝑣∆𝑦⁄
= 𝜏 (∆𝑦
∆𝑣)
Donde:
𝜏 = 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
∆𝑣
∆𝑦= 𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑒𝑧 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒
Su unidad es el Poise o Pascal*segundo.
La viscosidad cinemática “v” relaciona la viscosidad dinámica con la
densidad del fluido utilizado. Matemáticamente se expresa como:
𝑣 =𝜇
𝜌[
𝑃𝑜𝑖𝑠𝑒𝑔
𝑐𝑚3
]
Su unidad es el Stoke (St).
Esfuerzo cortante:
Se define como la fuerza por unidad de superficie requerida para
mantener una velocidad constante de movimiento de un fluido.
Matemáticamente el esfuerzo cortante puede expresarse como:
𝜏 =𝐹
𝐴
Donde:
𝜏 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
𝐹 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑧𝑎𝑙𝑙𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎
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DENSIDAD Y VISCOSIDAD PARA UN ACEITE LUBRICANTE
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𝐴 = 𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎 𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑖𝑧𝑎𝑙𝑙𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎
Fluido newtoniano y no newtoniano:
Se dice que un fluido es newtoniano si su viscosidad varia solamente en
respuesta a los cambios de temperatura o presión, en este tipo de fluidos
el gradiente de velocidad es directamente proporcional al esfuerzo de
cizalladura. A temperatura y presión constantes, la viscosidad de un fluido
newtoniano es la constante de proporcionalidad, o la relación, entre el
esfuerzo cortante que se genera en el fluido para resistir el flujo y la
velocidad de corte aplicada al fluido para inducir el flujo; la viscosidad es
la misma para todas las velocidades de corte aplicadas al fluido. A este
tipo de fluidos se les describe como linealmente viscosos. Y cumplen con
la ley de Newton de la viscosidad:
𝜏 = −𝜇 (∆𝑣
∆𝑦)
Donde:
𝜏 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
𝜇 = 𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
∆𝑣
∆𝑦= 𝑟𝑎𝑝𝑖𝑑𝑒𝑧 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒
Los fluidos no newtonianos son los que no se comportan de acuerdo
con la ley de la viscosidad de Newton, es decir, que al momento de
graficar el esfuerzo cortante contra la rapidez de corte su comportamiento
es no lineal, contrario a los fluidos newtonianos, como se observa en la
siguiente figura:
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Ilustración 1: Fluidos newtonianos y no newtonianos, imagen tomada del libro: "Mecánica de Fluidos" de Robert L. Mott
Variables que influyen en la viscosidad y la densidad:
En el caso de la viscosidad, las variables que influyen en el proceso son:
a) Efecto de la temperatura:
La viscosidad es fuertemente dependiente de la temperatura. La
mayoría de los materiales disminuyen su viscosidad con la
temperatura; la dependencia es exponencial y puede haber
variaciones de hasta un 10% por cada °C modificado (líquidos no
muy viscosos) para líquidos más viscosos esta dependencia es
mayor, y ha de tomarse mayores precauciones en el control de la
temperatura. Respecto a los polímeros, la dependencia con la
temperatura que estos presentan es lógicamente una función de la
estructura y del tipo del polímero estudiado.
b) Efecto de la presión:
La viscosidad de los líquidos aumenta exponencialmente con la
presión. Para presiones que difieren poco de la atmosférica, del
orden de un bar, los cambios son bastante pequeños. Por esta
razón en los usos de la mayoría de los fluidos este factor apenas
se toma en consideración; pero hay casos, como en la industria de
lubricantes, donde las medidas de viscosidad han de tomarse a
elevadas presiones. Las presiones soportadas por lubricantes en
engranajes son del orden de 1GPa, mientras que en las
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perforadoras que operan a profundidad han de soportar presiones
de aproximadamente 20 MPa. En el caso de los polímeros, la
viscosidad del fundido se ve también afectada por la presión. La
compresión de un fundido reduce el volumen libre y por tanto
aumenta la viscosidad.
c) Efecto de la velocidad de deformación:
Una gran cantidad de fluidos, casi todos de interés industrial,
presentan desviaciones de la ley de Newton al ser su viscosidad
una función de la velocidad de cizalla aplicada; la diferencia básica
entre el comportamiento Newtoniano y el no Newtoniano es la
longitud de la molécula del fluido, de forma que aquellos fluidos con
moléculas de pequeño tamaño (agua, metanol, etanol, etc.)
presentan un comportamiento Newtoniano en contraposición de
aquellos (disoluciones de polímeros, polímeros fundidos, etc.) que
posean moléculas de mayor tamaño.
d) Efecto del tiempo de aplicación de la cizalla:
A menudo los valores de viscosidad encontrados para unos
determinados valores de velocidades de cizalla no se mantienen
constantes conforme aumenta el tiempo de aplicación de la
deformación. Si el valor de esta viscosidad disminuye es el caso de
un fluido tixotrópico, mientras que si aumenta es un fluido
reopéctico. Por lo tanto, el comportamiento de un fluido de estos
tipos depende en gran medida de la historia y distintas curvas
podrían obtenerse para una misma muestra, dependiendo del
procedimiento experimental. Ejemplos de fluidos tixotrópicos son
pastas de almidón, gelatinas, mahonesas, pinturas, adhesivos, etc.
Sin embargo, la reopexia es un fenómeno más difícil de encontrar.
Las causas más comunes que provocan la variación de la
viscosidad con el tiempo suelen estar asociadas a ruptura o
formación de agregados coloidales e interacciones que formen una
estructura reticular en la muestra.
En el caso de la viscosidad, las variables que influyen en el proceso son:
a) El peso del objeto y el volumen que ocupa en el espacio:
El principio de Arquímedes afirma que todo cuerpo sumergido en
un fluido experimenta un empuje vertical y hacia arriba igual al
peso de fluido desalojado. De este modo, para una porción de
fluido en equilibrio con el resto, se cumple que el peso de la
porción de fluido es igual al producto de la densidad del fluido por
la aceleración de la gravedad y por el volumen de dicha porción.
b) La presión y la temperatura:
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Estas variables pueden llegar a variar el volumen del fluido
alterando en automático la densidad del mismo.
Cuando aumenta la presión, la densidad de cualquier material
estable también aumenta. Como regla general, al aumentar la
temperatura, la densidad disminuye (si la presión permanece
constante). Sin embargo, existen notables excepciones a esta
regla. Por ejemplo, la densidad del agua crece entre el punto de
fusión (a 0 °C) y los 4 °C; algo similar ocurre con el silicio a bajas
temperaturas.
Diferentes tipos de viscosímetros y viscosímetro rotatorio:
Nombre del
viscosímetro Descripción Imagen
Viscosímetro
de cilindros
coaxiales
Este tipo de viscosímetros
consta de dos cilindros, uno
interno y otro externo. Lo que
permiten los viscosímetros
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.
Viscosímetros
análogos
Los viscosímetros análogos
se forman con un disco o un
cilindro que se encuentra
suspendido y gira por la
acción de un motor
sincrónico. 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 viscosímetros
suele ser utilizado en la
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industria alimenticia,
farmacéutica y en la
medición de viscosidad de
pinturas y grasas.
Viscosímetro
Stormer
Es un dispositivo rotatorio
empleado para determinar la
viscosidad de las pinturas, es
muy usado en las industrias
de elaboración de pintura.
Consiste en una especie de
rotor con paletas tipo paddle
que se sumerge en un líquido
y se pone a girar a 200
revoluciones por minuto, se
mide la carga del motor para
hacer esta operación la
viscosidad se encuentra en
unas tablas, que determinan
la viscosidad en unidades
Krebs.
Viscosímetros
de vibración
Los Viscosímetros que vibran
son sistemas rugosos usados
para medir viscosidad en las
condiciones de proceso. La
pieza activa del sensor es
una barra que vibra. La
amplitud de la vibración varía
según la viscosidad del
líquido en el cual se sumerge
la barra. Estos son
convenientes para medir los
líquidos fluidos y de gran
viscosidad (hasta 1.000.000
cP). Actualmente, muchas
industrias alrededor del
mundo consideran estos
viscosímetros como el
sistema más eficiente para
medir la viscosidad, puesta
en contraste con los
visícometros rotatorios.
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Viscosímetro
rotatorio
Los viscosímetros
rotacionales recopilan datos
sobre el comportamiento de
la viscosidad de un material
en diferentes condiciones.
Los viscosímetros tienen dos
partes - un cabezal con un
motor y un husillo accionado
por el motor. La viscosidad
es determinada midiendo la
resistencia del husillo rotando
en la muestra.
El más común de los
viscosímetros de rotación
son los del tipo Brookfield
que determinan la fuerza
requerida para rotar un disco
o lentejuela en un fluido a
una velocidad conocida.
Principio sobre el cual el viscosímetro rotatorio realiza la medición de
viscosidad:
Este tipo de viscosímetros se basan en el principio de la viscosimetría
rotacional (principio de cilindros concéntricos) donde se mide la viscosidad
dinámica, el método cuantifica indirectamente la viscosidad del fluido,
aprovechando la aparición de una fuerza de arrastre que ejerce el fluido
sobre el cilindro de prueba. La fuerza de arrastre provoca un
desfasamiento angular entre los discos que se ve reflejado en el tiempo
de retraso de las señales generadas por los optointerruptores que
registran el paso de las muescas en los discos. El viscosímetro se
compone de un conjunto mecánico “eje-resorte-eje”. Dicho conjunto se
encuentra acoplado a un motor de DC, que lo hace girar a velocidad
constante. El cilindro de prueba es sumergido en la sustancia cuya
viscosidad se requiere conocer. Al girar, el eje inferior es afectado por un
esfuerzo cortante que hace que se “retrase” en el giro con respecto al eje
superior. Dado que el resorte responde linealmente al esfuerzo; este
retraso es proporcional a la resistencia que presenta el fluido a
deformarse. Una vez que los ejes superior e inferior giran a la misma
velocidad, pero con un desfasamiento angular, se procede a cuantificar la
viscosidad en función del tiempo de retraso.
Principales aplicaciones de la densidad y de la viscosidad:
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La medición de densidad de los líquidos tiene un gran uso para la
determinación de la calidad de un producto, el control de un proceso de
fermentación, el contenido de alcohol de productos destilados en
porcentaje de volumen, el contenido de azúcar en bebidas carbonatadas,
la calidad de los productos y lubricantes del petróleo, la composición de
productos farmacéuticos, la preparación de pinturas, barnices y materiales
de recubrimiento. Otra aplicación industrial de la medida de densidad, es
la utilidad que se le da al determinar el grosor de una tubería por la cual
se va a transportar un líquido.
Por otra parte, existen diversas aplicaciones industriales de la medición de
viscosidad, podemos citar algunos ejemplos como por ejemplo en la
industria petrolera, se requiere medir la viscosidad del crudo extraído de
los yacimientos puesto que va a ser transportado a través de tuberías por
lo cual se necesita un trabajo de ingeniería en la medición de la
viscosidad para poder dar una solución inmediata de cómo debe ser el
tubo, diámetro, longitud, velocidad, etc. En el caso de las pinturas por
ejemplo se requiere tener la viscosidad precisa para que la calidad sea
óptima, es decir la viscosidad necesaria para que la pintura no se caiga de
la brocha y se esparza uniformemente en la superficie a pintar. Además,
la viscosidad permite caracterizar directamente la calidad del producto
final (aceites de lubrificación, carburantes, tintas, pinturas, etc.) así como
caracterizar indirectamente una propiedad de uso del producto final o
durante su fabricación (proporción de materia seca, grado Brix, textura de
un queso, tamaño de cadenas de polímeros, etc.).
Aceite lubricante:
Los aceites lubricantes en general (salvo sintéticos), son mezclas de
aceites básicos parafínicos y aditivos. Los aceites minerales proceden del
petróleo, y son elaborados del mismo después de múltiples procesos en
sus plantas de producción, en las Refinarías. Los Aceites Sintéticos no
tienen su origen directo del Crudo o petróleo, sino que son creados de
Sub-productos petrolíferos combinados en procesos de laboratorio. Al ser
más largo y complejo su elaboración, resultan más caros que los aceites
minerales.
Los aceites lubricantes utilizados en el engrase de las piezas de motor,
tienen la misión de crear una película entre las superficies que deslizan,
llenando el espacio existente entre ellas para mantenerlas separadas. Al
no producirse contacto directo, no existe rozamiento ni desgaste de las
mismas y se alarga la vida útil del motor.
Propiedades principales de los aceites lubricantes:
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a) Color: Cuando observamos un aceite lubricante a través de un
recipiente transparente, el color nos puede dar idea del grado de
pureza o de refino del mismo.
b) Densidad: La densidad de un aceite lubricante se mide por
comparación entre los pesos de un volumen determinado de ese
aceite, y el peso de igual volumen de agua destilada, que se toma
como unidad a igualdad de temperatura.
c) Viscosidad: Es la resistencia a fluir que tienen los líquidos. La
viscosidad nos indica qué tanto puede fluir un aceite a una
temperatura dada. Los aceites se vuelven menos viscosos al aumentar
la temperatura, y más viscosos a bajas temperaturas.
d) Punto de escurrimiento: Es la temperatura más baja a la cual fluirá un
aceite. Por definición, el punto de escurrimiento es 3°C mayor que la
temperatura a la cual el aceite cesará totalmente de fluir; es decir, el
punto de escurrimiento es 3°C, arriba de la temperatura de
congelación del aceite.
e) Punto de inflamación: lo determina la temperatura mínima a la cual
desprende vapores inflamables que se encienden en presencia de una
llama o de un punto incandescente. Este punto debe ser lo más alto
posible para evitar que el aceite se incendie al estar en contacto con
zonas del motor a altas temperaturas.
f) Punto de combustión: Se alcanza el punto de combustión si
prolongamos el ensayo de calentamiento hasta sobrepasar el punto de
inflamación. Notaremos que el aceite se incendia de un modo más o
menos permanente, ardiendo durante unos segundos.
g) Punto de floculación: Es la temperatura a la cual un aceite empieza a
flocular (formar depósitos de cera).
h) Rigidez dieléctrica: Es la medida de la resistencia de un aceite al paso
de la corriente eléctrica. Se expresa en kilovoltios (kV = miles de
voltios) de electricidad requeridos para saltar una distancia de una
décima (1/10) de pulgada de ancho, entre dos polos sumergidos en el
aceite.
i) Número de neutralización: Es una medida del ácido mineral contenido
en un aceite. Casi todos los aceites lubricantes contienen materiales
de composición química incierta y diversa, los cuales reaccionan con
sustancias alcalinas. A estas sustancias se les denomina como "ácidos
orgánicos", que normalmente son inofensivos, y no deberán
confundirse con los "ácidos minerales", los cuales sí son muy dañinos
y corrosivos. La presencia de ácidos minerales en los aceites
lubricantes, se debe a una mala refinación.
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j) Peso específico: El peso específico, principalmente sirve para fines de
obtener el peso de un litro de aceite, sin necesidad de pesarlo.
También puede ser una indicación del tipo de crudo del cual fue
refinado.
k) Índice de basicidad T.B.N.: Es la propiedad que tiene el aceite de
neutralizar los ácidos formados por la combustión de los motores. El T.
B. N. (Total Base Number), indica la capacidad básica que tiene el
aceite.
l) Estabilidad química: El aceite lubricante se encuentra en constante
movimiento, arrastra las partículas formadas por el desgaste propio de
las piezas y se contamina con: partículas de polvo, agua, combustible
y gases producto de la combustión. Por esta razón, debe tener una
gran estabilidad química, de lo contrario, se degradará con rapidez y
formará compuestos agresivos para el motor, como lodos de alta y
baja densidad.
m) Acción detergente: Esta característica permite que los conductos del
motor se encuentren siempre limpios, evitando la formación de lodos.
n) Carencia de volatilidad: Esta característica es importante porque evita
que el lubricante se evapore y se pierda cuando se incrementa la
temperatura del motor.
Índice de viscosidad en aceites lubricantes:
Este índice representa la tendencia de un lubricante a cambiar la
viscosidad con el cambio de la temperatura y es una medida arbitraria
representada por un número sin unidades. Si un aceite lubricante tiene un
alto índice de viscosidad, significa que tiene menos tendencia a cambiar la
viscosidad con el cambio de temperatura. El índice de viscosidad de los
aceites derivados del petróleo va desde 0 hasta muy por encima de 100.
Un lubricante debe tener un índice de 85 o más alto con el fin de proteger
un moderno motor Diesel. La mayor parte de aceites lubricantes tienen un
índice de viscosidad más elevado que 100.
4. Materiales y equipo:
Aceite de motor, 700 mL
Probeta de 10 mL
Picnómetro
Balanza
Viscosímetro digital Brookfield DV1.
Parrilla de calentamiento
Termómetro
Agitador de cristal
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Lavar y secar el picnómetro
Pesar el picnómetro vacío
(Wp) con tapa
Identificar el volumen del
picnómetro (Vp)
Llenar el picnómetro con el
aceite
Tapar y verificar que llene el capilar
de la tapa
Secar y pesar (Wpl)
La densidad se puede calcular con
la Ecuación 1Ecuación 1
Vaso de precipitado de 600 mL
5. Procedimiento experimental:
EJERCICIO A: Determinación de la densidad del aceite lubricante
Se emplearán dos métodos para la determinación de la densidad del aceite de motor,
picnómetro y probeta.
a) Determinación de la densidad de un líquido por picnometría
𝑑 = 𝑊𝑝𝑙 − 𝑊𝑝
𝑉𝑝
b) Determinación de la densidad por el método de la probeta:
Pesar la probeta vacía y seca
(Wo)
Llenar con V = 10.00 mL de
aceite
Pesar todo el conjunto (Wf)
La diferencia Wf -Wo corresponde
a la masa del líquido
Se mide la densidad con ayuda de la ecuación 2
𝑑 =𝑊𝑓 − 𝑊𝑜
𝑉
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EJERCICIO B. Determinación de la viscosidad de aceite de motor a diferentes
temperaturas.
1. Acondicionamiento del equipo:
2. Determinación de la viscosidad:
Nivelar el viscosímetro
usando los dos tornillos
Ubicados en la parte inferior del
soporte
Verificar que esté apagado y conectar
Retirar el tapón de protección del eje
Encender el viscosímetro y realizar la auto
calibración
Seleccionar una aguja, verificar el
código de la aguja
Ingresar el código en la opción de
“aguja” en el menú
Seleccionar la velocidad y
atornillar la aguja
Colocar el guarda pierna
Vaciar aceite en vaso de precipitado a 600
ml
Colocar el
vaso en el viscosímetro
Bajar el cabezal, hasta que la muesca de la
aguja
Quede en el nivel límite del aceite
Medir oprimiendo “Motor on”
Dejar por un tiempo de 45-60 seg.
Registrar el valor de la viscosidad.
Levantar el cabezal para retirar la muestra
Al terminar la práctica se deben lavar tanto
las agujas y el guarda pierna
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Sacar el vaso del viscosímetro
Colocarlo sobre la parrilla
Calentar por encima de la temperatura inicial
Mezclar con el agitadorMedir la densidad con
un picnómetro y la viscosidad
Obtener 5 valores de densidad y viscosidad a temperatura ambiente
(100°C)
3. Calentamiento del aceite:
6. Cálculos, Resultados y Análisis:
Tabla 1. Valores de densidad y valores de error calculado.
Incluya una imagen con las etiquetas del envase del aceite lubricante
utilizado para la práctica.
Incluya en una tabla todas las propiedades del aceite lubricante
proporcionadas por el fabricante.
FLUIDO
(TEÓRICA) (gml-1)
(PICNÓMETRO)
(gml-1)
ERROR (%)
(PROBETA)
(gml-1)
ERROR (%)
Temperatura (°C)
Ac. lubricante SL 15W-40
Pemex
0.884
0.904 0.892 0.868
2.262% 0.905% 1.809%
0.86 0.85 0.83
2.715% 3.846% 6.109%
23 40 100
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Ejercicio A. Densidad:
a) Realizar los cálculos solicitados para la determinación de la densidad
temperatura ambiente y reporte los resultados en la tabla.
𝑑 = 𝑊𝑝𝑙 − 𝑊𝑝
𝑉𝑝
𝑑 = 𝑊𝑓 − 𝑊𝑜
𝑉
b) Comparar los resultados obtenidos en cada método con el valor de la
densidad reportada por el fabricante para el aceite.
R= El valor de la densidad reportada del aceite es de 0.884 g/ml la cual
suponemos que se refiere a la temperatura ambiente (23°C), si analizamos la
tabla 1 nos podemos dar cuenta que el método más exacto para medir la
densidad es el del picnómetro, debido a que presenta los valores más bajos
en el porcentaje de error, sin embargo, ambos métodos muestran igual
comportamiento, es decir, conforme aumenta la temperatura disminuye la
densidad.
c) ¿Cuál de los métodos utilizados dio resultados más exactos?
R= El método del picnómetro dio resultados más exactos porque el
porcentaje de error fue menor en comparación con el método de la probeta
aparte de que el propósito del picnómetro es específicamente para medir
densidades.
Método del picnometro
T°C Wpl (g) Wp (g) Vp (ml) Densidad (g/ml)
23 39.3 16.7 25 0.904
40 39 16.7 25 0.892
100 38.4 16.7 25 0.868
Método de la probeta
T°C Wf (g) Wo (g) V (ml) Densidad (g/ml)
23 47.1 38.5 10 0.86
40 47 38.5 10 0.85
100 46.8 38.5 10 0.83
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d) Establecer las posibles causas de los errores y cómo influyen para que un
método sea más recomendable que otro.
R= El método del picnómetro puede ser más exacto porque su diseño permite que
las burbujas de aire asciendan y se concentren en el cuello siendo expulsadas al
colocar el tapón autoenrasante y el volumen es más exacto a diferencia del de la
probeta.
e) Reporte en una tabla las densidades a diferentes temperaturas y realice el
gráfico con los datos, describa la tendencia de estos y argumente
teóricamente.
R= En los gráfico podemos observar que la de densidad del aceite disminuye
conforme va aumentando la temperatura del aceite. Conforme aumenta la
temperatura, el aceite se dilata, y por tanto su densidad disminuye.
T°C ρ(g/ml)
23 0.904
40 0.892
100 0.868
Picnometro
T°C ρ(g/ml)
23 0.86
40 0.85
100 0.83
Probeta
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f) Calcule la densidad de relativa del aceite a las diferentes temperaturas,
aceites utilizando la densidad el agua a 4 °C como referencia. Explique el
sentido físico de estos valores.
R= La densidad del agua a 4° C es igual a 1g/ml y para poder obtener la densidad
relativa, tenemos que dividir la densidad de nuestra sustancia entre la densidad de
una sustancia de referencia que en este caso será el agua a 4°C. La densidad
relativa es adimensional y nos demuestra que tan denso es el fluido en comparación
a la densidad de referencia.
Ejercicio B: Viscosidad
a) Reporte en una tabla los valores de viscosidad dinámica a diferentes
temperaturas una gráfica de T vs viscosidad dinámica y observa el
comportamiento de los datos obtenidos para la muestra.
Utilizando el viscosímetro digital Brookfield DV1 obtuvimos los resultados de
viscosidad dinámica que se muestran en la siguiente tabla:
T°C ρ(g/ml) ρ relativa
23 0.904 0.904
40 0.892 0.892
100 0.868 0.868
T°C ρ(g/ml) ρ relativa
23 0.86 0.86
40 0.85 0.85
100 0.83 0.83
Picnometro
Probeta
T°C Viscosidad (Cp) Torque % V (rpm)
23 171.9 57.8 5
40 99 33 20
60 35.7 60 100
80 23.46 39.1 100
100 17 16.4 100
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b) ¿Cómo se comporta la viscosidad del fluido a distintas temperaturas?
Explique dicho comportamiento sustentando con argumentos.
R= En los líquidos las moléculas están bastante cercanas entre sí, con intensas
fuerzas de cohesión entre moléculas y la resistencia al movimiento relativo del
fluido entre sus capas adyacentes (viscosidad) está relacionada con esas
fuerzas. A medida que aumenta la temperatura en un líquido las fuerzas de
cohesión entre sus moléculas se reducen con una disminución correspondiente
de la resistencia al movimiento. Como la viscosidad es un indicador de la
resistencia al movimiento podemos concluir que la viscosidad disminuye al
aumentar la temperatura de un líquido.
c) ¿Por qué es tan importante la viscosidad de un aceite lubricante y el conocer
su comportamiento a diferentes temperaturas?
R= La viscosidad es una propiedad de los fluidos que es de gran importancia
en múltiples procesos industriales, además de ser una variable de gran
influencia en las mediciones de flujo de fluidos, el valor de viscosidad se usa
como punto de referencia en la formulación de nuevos productos, facilitando
la reproducción de la consistencia de un lote a otro.
Es importante tener regulada la temperatura porque con esta práctica
observamos que el comportamiento de la viscosidad del fluido va a variar
mucho dependiendo de su temperatura, y teniendo la viscosidad correcta
maximizará la vida útil y la eficiencia del motor, transmisión, sistema
hidráulico o lo que sea la aplicación.
d) Calcule la viscosidad cinemática para el fluido y reporte en una tabla.
e) Calcule el índice de viscosidad para el aceite lubricante por calculadora y por
la ecuación de Dean y Davis. Compare los valores obtenidos con los
reportados por el proveedor, calcule el % de error para ambos casos y
argumente.
R= Por calculadora con las viscosidades cinemáticas de 111.9909502 a 40°C
y de 19.23076923 a 100°C, obtenemos un índice de viscosidad de 194
T°C V (Cp) V cinematica (cSt)
23 171.9 194.4570136
40 99 111.9909502
60 35.7 40.38461538
80 23.46 26.53846154
100 17 19.23076923
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Usando la ecuación de Dean y Davis, obtenemos un índice de viscosidad de
145.
Dónde:
L= Viscosidad 40°C de un aceite de referencia de IV=0 (cSt) = 375.0281065
H= Viscosidad 100°C de un aceite de referencia de IV=100 (cSt) =
193.1627219
U= Viscosidad 40°C de la muestra problema (cSt) = 111.9909502
Y= Viscosidad 100°C de la muestra problema (cSt) = 19.23076923
𝐼𝑉 =375.0281065 − 111.9909502
375.0281065 − 193.1627219𝑥 100 = 𝟏𝟒𝟓
El fabricante nos reporta un índice de viscosidad de 135 comparando al dato
que nos dio la calculadora de 194 tenemos un % de error del 43.704% y en el
dato obtenido por la ecuación tenemos un error del 7.407% que es mucho
menor.
El índice de viscosidad fue desarrollado por E. Dean y G. Davis en 1929
(ASTM D2270). Es un número derivado empíricamente y adimensional. Está
basado en la siguiente metodología, un crudo de Pennsylvania (parafínico) se
fijó como punto de referencia en un extremo, representando un producto cuya
viscosidad varía poco con los cambios de temperatura. El otro extremo fue
asignado a un crudo de la costa del golfo de Texas (nafténico). Si un lubricante
era similar al crudo de Pennsylvania, a este se le asignaba un índice de
viscosidad (IV) de 100. Si era similar al crudo del golfo de Texas, se le
asignaba un IV de 0. A uno que estuviese en la mitad, se le asignaba un IV de
50 y así sucesivamente. Las temperaturas utilizadas para determinar el índice
de viscosidad son 40 y 100°C.
f) Explique el significado físico del valor del índice de viscosidad.
R= El índice de la viscosidad es la medida más indicativa de la variación de la
viscosidad de un aceite lubricante al variar la temperatura. Mientras mayor el
IV, más estable será la viscosidad a través de un rango de temperaturas
(más deseable).
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7. OBSERVACIONES
A continuación, se anexan fotos de la práctica:
Medición de la masa del picnómetro y de la probeta
Medición de la densidad por el método del picnómetro
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Medición de la densidad por el método de la probeta
Medición de la viscosidad por medio del viscosímetro Brookfield
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8. CONCLUSIÓN:
Se realizaron exitosamente los objetivos de la práctica.
Al realizar la medición de la densidad por el método del picnómetro y de la
probeta se observa que el comportamiento del fluido respeta lo establecido
en la distinta bibliografía, pues conforme aumentó la temperatura disminuyo
la densidad. Además, al realizar el cálculo del porcentaje de error en ambos
métodos se llegó a la conclusión de que el método más exacto fue el del
picnómetro.
También se logró medir la viscosidad dinámica del aceite lubricante (fluido de
interés) con la ayuda del viscosímetro Brookfield, donde se obtuvo un número
que después sirvió para realizar los cálculos de la viscosidad cinemática del
fluido, así como del índice de viscosidad (IV) del mismo, en este último se
observó que el IV calculado por medio de la ecuación de Dean y Davis es
más exacto que el que se calcula por medio de la calculadora.
Es importante tener cuidado con las mediciones de la temperatura, ya que
esta es la variable que determina la exactitud y fiabilidad de los cálculos.
9. BIBLIOGRAFÍA:
9.1 Richard M. Felder, Ronald W. Rousseau, “Principios elementales de los
procesos químicos”, 3ª Edición, LIMUSA WILEY, México (2010).
9.2 A. Foust, L.A. Wenzel, C.W. Clump, L. Maus, L.B. Andersen, “Principios de
Operaciones Unitarias, Ed. C.E.C.S.A., México (2008).
9.3 Warren L. McCabe, Julian C. Smith, Peter Harriot, “operaciones unitarias en
ingeniería química”, 7ª Ed., McGraw Hill, México (2007).
9.4 Oxford University Press, “Diccionario de Física”, 2a Ed., Ed. Complutense,
España (2007).
9.5 Robert L. Mott, “Mecánica de fluidos aplicada”, 4ª Ed., Pearson Educación,
México (1996).
9.6 Michael J. Morán, Howard N. Shapiro, “Termodinámica técnica”, 2ª Ed.,
Editorial Reverté, México (2005).
9.7 Juan Sebastián R. Nava, “Introducción a la reología de alimentos”,
recuperado de:
https://books.google.com.mx/books?id=IVCAQal_ePkC&pg=PA21&dq=viscos
idad+dinamica+y+cinematica&hl=es-
419&sa=X&ved=0ahUKEwjIx8mA24DWAhXh4IMKHZmoD18Q6AEIJzAA#v=o
nepage&q=viscosidad%20dinamica%20y%20cinematica&f=false
10. RESIDUOS GENERADOS Y DISPOSICIÓN:
No se generaron residuos.