PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS: VISCOSIDAD

Introduccin

Antes de Empezar a hablar de las propiedades de un fluido, se sabe que un fluido es un conjunto de partculas que se mantienen unidas entre s por fuerzas cohesivas dbiles y las paredes de un recipiente; el trmino engloba a los lquidos y los gases. En el cambio de forma de un fluido la posicin que toman sus molculas vara, ante una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen

En esta parte del experimento se trat de enfocarlo en una de las propiedades de los fluidos que es la viscosidad, que se define como la propiedad de un fluido mediante la cual se ofrece resistencia al corte. La viscosidad es una manifestacin del movimiento molecular dentro del fluido. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximacin bastante buena para ciertas aplicaciones.

Fig. 1. Fluido Con Alta Viscosidad.

La viscosidad es la principal caracterstica de la mayora de los productos lubricantes. Es la medida de la fluidez a determinadas temperaturas. Si la viscosidad es demasiado baja el film lubricante no soporta las cargas entre las piezas y desaparece del medio sin cumplir su objetivo de evitar el contacto metal-metal. Si la viscosidad es demasiado alta el lubricante no es capaz de llegar a todos los intersticios en donde es requerido, al ser alta la viscosidad es necesaria mayor fuerza para mover el lubricante originando de esta manera mayor desgaste en la bomba de aceite, adems de no llegar a lubricar rpidamente en el arranque en frio.

El coeficiente de viscosidad es constante, en el sentido de que no depende de la velocidad. Sin embargo, depende de otros factores fsicos, en particular de la presin y de la temperatura. Esta dependencia se explica al considerar la interpretacin microscpica-molecular de la viscosidad.

Viscosidad de los Lquidos:

Los lquidos presentan mucha mayor tendencia al flujo que los gases y, en consecuencia, tienen coeficientes de viscosidad mucho ms altos. Los coeficientes de viscosidad de los gases aumentan con la temperatura, en tanto que los de la mayora de lquidos, disminuyen. Asimismo se ha visto que los coeficientes de viscosidad de gases a presiones moderadas son esencialmente independientes de la presin, pero en el caso de los lquidos el aumento en la presin produce un incremento de viscosidad. Estas diferencias en el comportamiento de gases y lquidos provienen de que en los lquidos el factor dominante para determinar la viscosidad en la interaccin molecular y no la transferencia de impulso.La mayora de los mtodos empleados para la medicin de la viscosidad de los lquidos se basa en las ecuaciones de Poiseuille o de Stokes.

La ecuacin de Poiseuille para el coeficiente de viscosidad de lquidos es:

Donde V es el volumen del lquido de viscosidad que fluye en el tiempo t a travs de un tubo capilar de radio r y la longitud L bajo una presin de P dinas por centmetro cuadrado. Se mide el tiempo de flujo de los lquidos, y puesto que las presiones son proporcionales a las densidades de los lquidos, se puede escribir como:

Las cantidades t1 y t2 se miden ms adecuadamente con un viscosmetro de Ostwald. Una cantidad definida de lquido se introduce en el viscosmetro sumergido en un termostato y luego se hace pasar por succin al bulbo B hasta que el nivel del lquido este sobre una marca A. Se deja escurrir el lquido el tiempo necesario para que su nivel descienda hasta una marca B y se mide con un cronometro. El viscosmetro se limpia, luego se aade el lquido de referencia y se repite la operacin. Con este procedimiento se obtienen t1 y t2 y la viscosidad del lquido se calcula con la ecuacin anterior.

Influencia de la Temperatura:

El efecto de la temperatura sobre la viscosidad de un lquido es notablemente diferente del efecto sobre un gas; mientras en este ltimo caso el coeficiente aumenta con la temperatura, las viscosidades de los lquidos disminuyen invariablemente de manera marcada al elevarse la temperatura. Se han propuesto numerosas ecuaciones que relacionan viscosidad y temperatura como por ejemplo:

Donde A y B son constantes para el lquido dado; se deduce que el diagrama de log () frente a seta una lnea recta. Se pens en otro tiempo que la variacin de la fluidez con la temperatura resultara ms fundamental que la del coeficiente de viscosidad; pero el uso de una expresin exponencial hace que la opcin carezca de importancia.

Otro Viscosmetro ms usado en las experiencias es el Viscosmetro de Ubbelohde. Un viscosmetro de bola tipo Ubbelohde es adecuado para determinar viscosidades cinemtica comprendidas entre 0.8cSt y 50.000cSt.

Las determinaciones con este viscosmetro se basan en la medida del tiempo que tarda en fluir una corriente de un flujo capilar del lquido a ensayar, entre dos seales del viscosmetro. Este dispositivo se denomina Viscosmetro Ubbelohde con nivel de bola suspendido.

El aparato consta de tres tubos, 1, 2 y 3, de vidrio, un recipiente de reserva, 4, un capilar, 7, con el recipiente de medida, 8, y la bola de avance del lquido, 9. Entre estas bolas se sitan las marcas de la medida. El capilar termina en la parte inferior, 6, en un casquete esfrico, por el que sale la muestra del capilar en forma de pelcula delgada (nivel de bola suspendido).

Para abarcar un amplio rango de viscosidades se disponen de viscosmetros con capilares de diferentes dimetros. Cada viscosmetro ha de tener una constante, K, valor terico, para cada dimetro.

Para este viscosmetro calcular la viscosidad se puede lograr por medio de la siguiente ecuacin:

v = K*

Donde v es Viscosidad. K indica la constante del aparato, en t es el tiempo en segundo Correccin de la energa cintica. Fig. 2. Viscosmetro Ubbelohde

Marco Terico

Se denominafluidoa un tipo demedio continuoformado por alguna sustancia entre cuyas molculas slo hay una fuerza de atraccin dbil. La propiedad definitoria es que los fluidos pueden cambiar de forma sin que aparezcan en su seno fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma "original", Ms precisamente, es un estado de la materia con un volumen indefinido, debido a la mnima cohesin que existe entre sus molculas. Para el fluido en movimiento es de vital importancia conocer las propiedades que lo rigen. Los fluidos pueden ser:

Fluido newtoniano:Es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo. El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es el agua en contraposicin al pegamento, la miel o los geles que son ejemplos de fluido no newtoniano. Un buen nmero de fluidos comunes se comportan como fluidos newtonianos bajo condiciones normales de presin y temperatura: el aire, el agua, la gasolina, el vino y algunos aceites minerales.

Fluido no newtoniano:es aqul cuya viscosidad vara con la temperatura y presin, pero no con la variacin de la velocidad. Estos fluidos se pueden caracterizar mejor mediante otras propiedades que tienen que ver con la relacin entre el esfuerzo y los tensores de esfuerzos bajo diferentes condiciones de flujo, tales como condiciones de esfuerzo cortante oscilatorio

Los fluidos, como todos los materiales, tienen propiedades fsicas que permiten caracterizar y cuantificar su comportamiento as como distinguirlos de otros. Algunas de estas propiedades son exclusivas de los fluidos y otras son tpicas de todas las sustancias. Propiedades como la viscosidad, tensin superficial y presin de vapor solo se pueden definir en los lquidos y gases. Sin embargo la masa especfica, el peso especfico y la densidad son atributos de cualquier materia.

Estabilidad:se dice que el flujo es estable cuando sus partculas siguen una trayectoria uniforme, es decir, nunca se cruza entre s. La velocidad en cualquier punto se mantiene constante el tiempo.

Turbulencia:debido a la rapidez en que se desplaza las molculas el fluido se vuelve turbulento; un flujo irregular es caracterizado por pequeas regiones similares a torbellinos.

Densidad:es la relacin entre la masa y el volumen que ocupa, es decir la masa de unidad de volumen.

Volumen especfico:es el volumen que ocupa un fluido por unidad de peso.

Peso especfico:corresponde a la fuerza con que la tierra atrae a una unidad de volumen.

Gravedad especfica:indica la densidad de un fluido respecto a la densidad del agua a temperatura estndar. Esta propiedad es dimensional.

Tensin superficial:En fsica se denomina tensin superficial de un lquido a la cantidad de energa necesaria para disminuir su superficie por unidad de rea.

Para esta prctica nos centraremos en la viscosidad

Es la oposicin de un fluido a las deformaciones tangenciales, es debida a las fuerzas de cohesin moleculares. Todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximacin bastante buena para ciertas aplicaciones. Un fluido que no tiene viscosidad se llamafluido ideal.

La viscosidad solo se manifiesta en lquidos en movimiento, se ha definido la viscosidad como la relacin existente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. Esta viscosidad recibe el nombre de viscosidad absolutaoviscosidad dinmica. Generalmente se representa por la letra griega .

Se conoce tambin otra viscosidad, denominadaviscosidad cinemtica, y se representa por . Para calcular la viscosidad cinemtica basta con dividir la viscosidad dinmica por densidad del fludo

. En general la viscosidad es una propiedad de los fluidos que se refiere al grado de friccin interna, se asocia con la resistencia que presentan dos capas adyacentes movindose dentro del fluido; Debido a la viscosidad parte de la energa cintica del fluido se convierte en energa interna.

La Viscosidad es una de las propiedades que influye en la potencia necesaria para mover una superficie aerodinmica a travs de la atmosfera. La velocidad de deformacin de un fluido est directamente ligada a su viscosidad. Con un esfuerzo dado, un fluido altamente viscoso se deforma ms lentamente que un fluido de baja densidad.

Objetivos

Utilizar mtodos de medicin de viscosidades.

Analizar el comportamiento de los fluidos, comprender su naturaleza.

Aprender la medicin del viscosmetro de Ubbelohde tipo 1B

Comparar la medicin cualitativa con la cuantitativa de la medicin de la viscosidad de diferentes fluidos y comparar sus eficiencias dando a conocer cul medida es ms exacta.

Materiales y equipos usados

Dentro de la experiencia se cont con distintas sustancias y elementos que permitieron la ejecucin de ella aunque es debido tener presente que existieron fallas al momento de realizar la prctica.

Entre las sustancias utilizamos:

Agua Alcohol Propilenglicol Etilenglicol

Los equipos utilizados en la experiencia fueron: Viscosmetro (1B) Termmetro * Recipientes Cronometro Jeringas *El termmetro aunque estuvo entre los materiales suministrados, no fue utilizado en la prctica.

Metodologa experimental

Para realizar la primera parte de la experiencia que fue una medicin cuantitativa se necesit de una superficie lisa en posicin de inclinacin, este caso se utiliz una lmina de acrlico para determinar las viscosidades de ciertas sustancias (propilenglicol, etilenglicol, alcohol etlico y agua).

Se tom como sustancia de referencia el agua para determinar el tiempo en que tardaba en descender por el acrlico, se volvi hacer el mismo procedimiento con las dems sustancias para saber cul era la ms viscosa, obtenindose que el agua fue la menos viscosa y el etilenglicol la ms viscosa.

En la segunda parte se realiz una medicin cualitativa en donde se utiliz un viscosmetro de tipo B que previamente viene calibrado. Se realiz agregando la sustancia en el viscosmetro hasta que la sustancia (etilenglicol, propilenglicol, alcohol y agua) llegaran a marcar el aforo y se le tom el tiempo hasta que llegara a su estado inicial que se da en el fondo del viscosmetro. Esta son las dos formas que utilizamos para saber la viscosidad de las sustancias.

(La viscosidad puede variar dependiendo de las condiciones en que se realice la experiencia)

Anlisis de los datos

Anlisis cualitativo.La prueba cualitativa lanz los siguientes resultados.

SustanciaObservaciones

AguaFue la sustancia que menos tiempo tardo en bajar la rampa.

Alcohol La rapidez con la que descendi fue bastante considerable y su la segunda sustancia ms rpida.

PropilenglicolEsta sustancia tardo un poco ms que el agua y el alcohol en descender la rampa.

EtilenglicolFue la sustancia que ms tiempo demoro en descender completamente la rampa.

Tabla 1. Anlisis cualitativo de la viscosidad de diferentes sustancia.

La prueba realizada tena como finalidad comparar de forma cualitativa las viscosidades de cuatro sustancias (Agua, alcohol, propilenglicol y etilenglicol), se observ cul de estas tardaba menos en bajar la rampa y se conclua que sustancia era menos viscosa que otra. La rapidez con la cual descendan dependa de que tan viscosa era la sustancia ya que entre ms viscosa sea, mas va a soportar la deformacin y ms oposicin va a presentar para fluir. De esta manera se puedo ordenar las cuatro sustancias teniendo en cuenta la viscosidad, de manera ascendente:

Agua Alcohol Propilenglicol Etilenglicol

VISCOSIDAD

Anlisis cuantitativo.

El ensayo se utiliz el viscosmetro tipo 1B, se calcul el tiempo que tardaban en descender tres sustancias (Agua, alcohol y propilenglicol), desde la marca de arranque hasta la marca de paro. Y con la ayuda de una constante 1B que se proporciona en fabricante del viscosmetro, se calcul la viscosidad cinemtica de estas tres sustancias.

Para el agua:

Para el alcohol:

Para el propilenglicol:

La prueba cuantitativa arroj los siguientes resultados.

ustanciaTiempo (s)Constante 1B (cSt.s-1)Viscosidad Cinemtica (cSt)

Agua18.460.050.923

Alcohol43.130.052.1565

Propilenglicol518.610.0525.93

Tabla 2. Viscosidad cinemtica, medida en una viscosmetro tipo B1

Para el agua:

Para comparar el resultado que se obtuvo, se busc en la literatura la viscosidad dinmica y la densidad del agua a , la cual se supone que era la t temperatura ambiente.

(2)

(1)

Como:

Convirtiendo

El valor que se calcul experimentalmente solo tiene un porcentaje de error de 3.24%.

Para el alcohol

Para comparar el resultado que se obtuvo, se busc en la literatura la viscosidad dinmica y la densidad del alcohol, el cual era el alcohol comercial antisptico que contiene etanol al 70%; a , la cual se supone que era la t temperatura ambiente.

(3)

Como:

Convirtiendo

Este porcentaje de error es demasiado alto, y es razonable ya que la densidad y viscosidad dinmica con la que se calcul la viscosidad cinemtica, son valores propios del etanol puro y en la experiencia se trabaj con etanol al 70%, esto explica la diferencia tan grande entre la viscosidad cinemtica hallada experimentalmente y el valor real.

Para el propilenglicol:

Como:

Convirtiendo

Este alto porcentaje de error es debe a que la viscosidad dinmica y densidad del etilenglicol son correspondiente al etilenglicol puro y debido a que se trabaj fue con una solucin acuosa de etilenglicol la viscosidad hallada experimentalmente est muy lejos de ser la correcta.

Conclusiones

Podemos concluir de la parte cualitativa que medir el tiempo que tardan distintos fluidos en recorrer determinada distancia, puede ser una forma simple y til para comparar las viscosidades de algunas sustancias, sin embargo, este mtodo es impreciso, ya que se pone a prueba el tiempo de reaccin del operador del cronmetro al momento de tomar el tiempo y, aunque se procur depositar slo unas pequeas gotas de cada fluido en la marca inicial, existe cierta incertidumbre respecto al tamao de cada gota. En este segmento del procedimiento se observ que el fluido que tard ms en alcanzar la marca final de referencia fue el etilenglicol, lo que indica que esta es la sustancia ms viscosa. Por su parte, el agua result demorar muchsimo menos tiempo en llegar a la lnea de referencia, por lo que se infiere que es la sustancia menos viscosa.

En lo referente a la parte cuantitativa se puede inferir que una manera ms eficiente y precisa para determinar la viscosidad de distintos fluidos es utilizando el viscosmetro Ubbelohde 1B, ya que con los resultados obtenidos en las mediciones realizadas con el viscosmetro, se pueden calcular dichas viscosidades. La incertidumbre en este mtodo radica en los posibles errores debido al instrumento de medida, ya que los utilizados presentaban cierto desgaste. Al igual que en la parte cualitativa, con el viscosmetro se obtuvieron los mismos resultados respecto a las viscosidades de los fluidos, el agua result ser la sustancia menos viscosa y el etilenglicol la sustancia ms viscosa.

Se pueden utilizar ambos procedimientos cuando se pretende comparar las viscosidades de varios fluidos, pero el mtodo cuantitativo presenta menos incertidumbre y permite la realizacin de clculos, lo cual lo hace ms confiable frente al mtodo cualitativo. Preferiblemente se debe hacer uso de este recurso si se dispone del instrumento de medida (viscosmetro Ubbelohde 1B).

Bibliografa

http://es.wikipedia.org/wiki/Viscosidad http://es.wikipedia.org/wiki/Fluido http://virtual.uaeh.edu.mx/repositoriooa/paginas/ecuacion_fundamental_de_la_hidrodinamica/tipos_de_fluidos_y_sus_propiedades.html (1) http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/denh2o.pdf (2) http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/viscoh2o.pdf (3) http://www.quimica.unam.mx/IMG/pdf/12etanol.pdf

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS: VISCOSIDAD

Presentado por:

Vincent Altamar BlancoJeison Altamar GuerreroMarines Garca ParraAndrea Salas Lalinde

Presentado A:

Ing. Crisstomo Peralta

Laboratorio de Mecnica de Fluidos I

Facultad:Ingenieras

Programa:Ing. Qumica

Universidad Del AtlnticoMarzo 11 del 2015