viscosidad de liquidos

/ 16 de octubre de 2013

INTRODUCCIÓN

En el siguiente trabajo de laboratorio se va a trabajar de manera experimental para el

cálculo experimental de viscosidad para el etanol la viscosidad es una propiedad física

de los líquidos y gases. La viscosidad es la resistencia de los líquidos y gases al

escurrimiento, el cual se va a calcular con el viscosímetro para diferentes

temperaturas y en el cual es muy notorio que la viscosidad y la temperatura son

inversamente proporcionales. Para el cambio de temperatura se va a realizar el baño

de maría a diferentes temperaturas (20, 30,40 grados centígrados).

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OBJETIVOS

Determinar la viscosidad de líquidos mediante el viscosímetro de Ostwald

usando datos de densidad teórica a las temperaturas de trabajo.

FUNDAMENTO TEORICO

VISCOSIDAD.

Se llama viscosidad o frotamiento interno, a la resistencia experimentada por una

porción de un líquido cuando se desliza sobre otra. Aun cuando la viscosidad es una de

las propiedades generales de la materia, se manifiesta de un modo especial en los

líquidos. La viscosidad depende del estado físico de los cuerpos, pues mientras que en

los gases es muy pequeña, en lo sólidos alcanza; su valor máxima. El valor de la

viscosidad varía ampliamente en los líquidos, desde algunos líquidos como el éter

etílico que corren fácilmente, hasta otros como el alquitrán y los aceites pesados que son

extremadamente viscosos.

Consideramos dos capas liquidas teniendo cada una un área de “A” cm2 y separadas por

una distancia de “ι“cm. Al suponer que la capa superior esta moviéndose en dirección

paralela a la capa inferior y con una velocidad de “v” cm/seg relativa a la capa de bajo,

pues si el flujo fuera perfecto, es decir sin atracciones, la velocidad se mantendría

constante en el valor de "v", sin gasto extra de energía. No obstante, para un fluido real

se requiere una fuerza de “F” dinas, aplicada permanentemente para mantener la

velocidad “v”. se ha encontrado experimentalmente que esta fuera “F” e inversamente

proporcional a la distancia “ι”. O sea que.

F=η . vAι

Donde η (eta) es una constante de proporcionalidad, es el llamado coeficiente de

viscosidad.

La ecuación nos va a servir para definir la unidad de viscosidad, pues despejando

η tenemos que

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F=η . ι Fι . t

y conociendo las dimensiones de las unidades derivadas A = F = m.ι.t---2, al sustituir

estas dimensiones en la ecuación y cancelar las comunes en el numerador y en el

denominador, se encuentra que las dimensiones de la viscosidad son

Viscosidad = mι. t

En el sistema C.G.S. la mudad de viscosidad se define como g.cm -1.S-1. A esta unidad se

le conoce con el nombre poise, en honor de POISEUILLE, quien inició el estudio

científico de la viscosidad. Desde que el poise es bastante grande, la viscosidad de un

gas se expresa en micro poise o 102 poise, mientras que la viscosidad de un líquido se

mide en cent poise (cp) = 10-2 poise o sino en milipoise = 10-3 poise. En los líquidos se

acostumbra expresar las viscosidades relativas a la del agua a 20°C, pero como ésta es

de 0.0100 poise, da origen a que la llamada viscosidad relativa sea numéricamente la

misma como la viscosidad absoluta del líquido en consideración expresada en

centipoises. En el Sistema Internacional la unidad de viscosidad es kg.m-1s-1 = 10 poises

= 1000 cent poises. Los coeficientes de viscosidad de los líquidos en unidades SI se

expresan en 10-3 kg.m-1.s-1, dando los mismos números que formulados en centipoises.

El volumen de un líquido que fluye por el interior de un tubo, en la unidad de tiempo y

bajo una presión dada, varia ampliamente con la naturaleza del líquido, con la

temperatura y con el tipo de flujo, sea en línea recta o turbulenta. Se entiende por flujo

en línea recta, llamado también laminar o viscoso, cuando las moléculas de las capas

líquidas se mueven paralelas a las paredes del tubo. Se presenta en los líquidos que se

trasladan por tubos de diámetros pequeños y a velocidades bajas. En este tipo de flujo la

propiedad del líquido que gobierna su velocidad es la viscosidad es la viscosidad. A

más altas velocidades del flujo cambio otro en remolinos, que se llama flujo turbulento

y el cual es de tratamiento difícil. Las ecuaciones que vamos a desarrollar en seguida

para experiencias de laboratorio, se amplía el flujo en línea recta.

Un instrumento para medir viscosidad recibe el nombre de viscosímetro. La viscosidad

de un líquido se mide generalmente el tiempo requerido para que un volumen dado del

mismo se escurra por un tubo capilar de dimensiones definidas y bajo una diferencia

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de presión conocida. Este viscosímetro se conoce con el nombre de viscosímetro de

OSWALD.

La Ley a la cual obedece el fenómeno de descubrimiento de un líquido a través de un

tubo capilar, fue descubierta en 1841 por POISEUILLE, expresándose mediante la

ecuación siguiente:

η=P π r4 t

8 v . ι

Donde “v” significa el volumen del líquido de viscosidad “η” escurriéndose a través de

un tubo capilar de longitud “ι” y radio “r”, en el tiempo “t” y bajo la diferencia de

presión “P”.

El viscosímetro de Oswaldo consiste en un tubo en forma de “U”, una de cuyas ramas

posee en su parte superior un bulbo “A” con dos señales “a” y “b”. por debajo de esta

ensanchamiento se prolonga el tubo en forma capilar “B” y luego se ensancha de nuevo

formando en la otra rama el deposito esférico “C”, el cual se llena del líquido cuya

viscosidad se quiere determinar. Una vez que “C” en el cual se llena el líquido, se

presiona a éste insuflando aire por la boca de dicha rama vertical, mediante una pera de

goma, hacer subir la superficie del líquido por la otra rama estrecha a la señal “a”.

Entones, estando sumergido el viscosímetro en un baño de temperatura constante se

destapa la rama ancha y mediante un cronometro se anota en tiempo que tarda en

menisco del líquido para pasar de la señal “a” a la “b”.

La medida se repite con otro líquido cuya viscosidad se conoce, y refiriéndose a la

ecuación, desde que el mis ni o viscosímetro .so usa para los dos líquidos, el volumen

"V" es idéntico, lo mismo que el radio ''r" y la Longitud " I" del tubo capilar. La presión

"P" no es la misma, pe se a la presión atmosférica constante, desde que además depende

de la presión hidrostática del líquido, la cual para alturas idénticas de los dos líquidos

depende únicamente cié sus densidades en forma directamente proporcional, por lo que

sustituimos las presiones de los dos líquidos por sus respectivas densidades. Aplicando

entonces la ecuación para los dos líquidos y dividiendo la primera por la segunda

resulta.

η1η2

=p1 .t 1p2 .t 2

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Si se toma como -líquido tipo un líquido de viscosidad conocida, se puede utilizar la

ecuación para calcular la llamada viscosidad relativa de otros líquidos. Se acepta

generalmente el agua como líquido de referencia en la determinación de las

viscosidades relativas. Así, η1, p1 y t1, son la viscosidad, densidad y tiempo de

escurrimiento del líquido que se investida; I y t. son la viscosidad tipo, la densidad y el

tiempo de escurrimiento del aire. Haciendo estas simplificaciones en la acción .Las

viscosidades relativas se pueden transformar en viscosidades absolutas multiplicando a

las viscosidades relativas halladas por la viscosidad absoluta del agua a la misma

temperatura.

En los líquidos poco viscosas .se determina su viscosidad mediante el viscosímetro de

Ostwald, según la Ley de POISEUILLE. Otra ley que sirve para medir viscosidades es

la Ley de STOKES, la cual establece una relación entre la fuerza actuante obre una

esfera de radio conocido que cae con una velocidad determinada por un fluido 'cuya

viscosidad se desea conocer. Esta ley proporciona un método mejor que el del tubo

capilar para medir las viscosidades altas de los aceites pesados y en el control de la

fabricación de fibras artificiales. -Cuando el coeficiente de viscosidad varía según la

velocidad del flujo, se dice que el fluido posee un comportamiento no newtoniano,

fenómeno que se presenta en los temas coloidales,

La viscosidad de la mezcla es menor ponentes, por ejemplo, la mezcla de

La viscosidad de los gases aumenta al aumentar la temperatura; en cambio, la

viscosidad de los líquidos disminuye al aumentar la temperatura. Como a temperaturas

altas, las moléculas de un líquido poseen mayor energía cinética, el líquido puede fluir

más fácilmente. La viscosidad de un gas es prácticamente independiente de la presión;

en cambio, la viscosidad de un líquido aumenta al aumentar la presión.

La comparación de la viscosidad versus la temperatura se da en la Para el agua, la

disminución por grado centígrado es cerca de 2% de la viscosidad a 0°C. A más grandes

temperaturas que los límites de la figura, se muestra que la variación está muy leja; de

ser lineal.

La dependencia entre la viscosidad y la temperatura obedece a una ecuación de la forma

siguiente:

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Log η=AT

+B

Donde A y B son constantes para un líquido dado.

Viscosidad absoluta (η).- Fuerza por unidad de área necesaria para mantener un

gradiente de velocidad entre los planos separados por una distancia unitaria. Se expresa

en poises: g.cm-1s-1

η = t/(dv/dx)

Viscosidad cinemática (D).- es la velocidad absoluta dividida entre la densidad del

líquido. Se expresa en stocks: cm2.s-1.

D = η/p

Fluidez (tp).- se defina como la inversa de la viscosidad absoluta. Se expresa en rhes: g -

1.cm.s

φ = 1/η

Viscosidad relativa (η rel). Se defina como la relación entre la viscosidad de la

sustancia y un líquido de referencia (Agua). No tiene unidades.

ηrel = ηsust./ηref

DETALLES EXPERIMENTALES.

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MATERIALES.

Viscosímetro de Ostwald

Recipiente para baño de temperatura(Termostato)

Una pipeta de 10 ml

Un vaso de 100ml

Mechero bunsen

Una bombilla de jebe.

REACTIVOS.

Agua

Etanol.

PROCEDIMIENTO:

Medición de la viscosidad de líquidos con el viscosímetro Oswald.

a) Lave el viscosímetro con solución solfucrómica o detergente. Enjuague con agua

de caño y finalmente con agua destilada luego saque en la estufa.

b) Midiendo con una pipeta coloque destilada en el viscosímetro en cantidad

suficiente como para llenar bulbo B1.

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c) Coloque el viscosímetro en un baño de temperatura constante T1ºC y déjalo unos

3 minutos para que adquiera la temperatura del baño. El baño deberá cubrir el

bulbo B2.

d) Coloque una bombilla de jebe en el extremo del viscosímetro para hacer subir el

líquido en el bulbo B2.

e) Mida el tiempo que demora el líquido en el Bulbo B2.

f) Efectué al menos dos mediciones para cada temperatura.

g) Limpie y seque bien el viscosímetro poniéndolo en una estufa a 110ºC.

h) Realice los pasos indicados anteriormente con la muestra problema y/o la solución

dada, empleado volumen de muestra igual al del agua usado en b.

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CALCULOS Y RESULTADOS.

1.-Con los datos teóricos de las densidades de las posibles muestras determine

las densidades de estas a la temperatura de trabajo.

Densidad teórica del H2O.

ρH 5O

20 ºC =0 ,9982323gm1

ρH 5O

30 ºC =0 ,99596756gm1

ρH 5O

40ºC =0 ,9922455gm1

Para hallar las densidades teóricas del C2H5OH.usamos

Densidad teórica del C2H5OH.

1. T = 20ºC

ρC2H 5OH

20 ºC=To =0 ,7893gm1

2. T = 30ºC

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ρC2H 5OH30 ºC =

ρC2H

5OH

20 ºC=To

1−β (To−Tx ) , ρC2H 5OH

20 ºC=To =0 ,7893gm1

Donde:

β : Coeficiente de dilatación cubica del C2H5OH.

β=0 ,00112 ºC−1

ρC2H 5OH30 ºC=To =

(0 ,7893 )1−0 ,00112(20−30 )

→ ρC2H5OH

30 ºC =0 ,7902gm 1

3. T = 40ºC

ρC2H 5OH40ºC =

ρC2H

5OH

30 ºC=To

1−β (To−Tx )

ρC2H 5OH40ºC=To =

(0 ,7902 )1−0 ,00112(20−40 )

ρC2H 5OH

40ºC =0 ,7910gm1

2.-Usando la ecuación respectiva determine la viscosidad (cp) de la muestra

problema a todas las temperaturas. Usando las viscosidades teóricos del

agua como referencia.

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1. 1-Por definición, se sabe.

ηC2H 5OH20 ºC

ηH5O20ºC =

ρC2H5OH20 ºC ¿ tC2H5OH

ρH5O20ºC ¿ tH2O

Luego:

ηH 5O

20 ºC =1 ,002cp

ρC2H 5OH

20 ºC=To =0 ,7893gm1

tC2H 5OH

=318 ,00

tH 2O

=385 ,20

ηC2H 5OH20 ºC =

(0 ,7893 )(318 )(1 ,002)(0 ,9982323 )(385 ,20 )

ηC2H 5OH

20 ºC =0 . 654062cp

1.2- Por definición, se sabe.

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ηC2H 5OH30 ºC

ηH2OH30ºC =


ρH2OH30 ºC ¿ tH2O

Luego:

ηH 2OH

30 ºC =0 ,8007 cp

tC2H 5OH

=250 ,20 s

tH 2O

=331,80 s

ρH 2OH

30 ºC =0 ,99596756gm 1

ηC2H 5OH

30 ºC =(0 ,7902)(250 ,20 )(0 ,8007)

(0 ,99596756 )(331 ,80)

→ηC2H5OH30 ºC =0 ,479041cp

1. 3-Por definición, se sabe.

ηC2H 5OH40 ºC

ηH2O40ºC =


ρH2O40ºC ¿ tH2O

Luego:

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ηH 2O40ºC =0 ,6560cp

ρH 2O40ºC =0 ,9922455

gm1

tC2H 5OH=201 ,60 s

tH 2O=327 ,60 s

ηC2H 5OH40ºC =

(0 ,7910 )(201 ,60 )(0 ,6560)(0 ,9922455 )(327 ,60)

→ηC2H5OH40 ºC =0 ,321816cp

3.-Determine analítica o gráficamente las viscosidades teóricas de la muestra

problema.

VISCOSIDAD EXPERIMENTAL

Viscosidad (n) T °C0.654062 200.479041 300.321816 40

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Viscosidad del Etanol (C2H5OH).


VISCOSIDAD

TEORICA

Viscosidad (n)1.2001.0050.839

4.-Grafique (η) abs vs 1/T para la muestra. Analice la gráfica.

T °C T °k 1/T Viscosidad (n) Log(n)

20 293 0.003413 0.654062 0.1843811

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15 20 25 30 35 40 450

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

TºC

Visc

osid

ad (n

)

15 20 25 30 35 40 450.000

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000


30 303 0.003300 0.479041 0.3196273

40 313 0.003195 0.321816 0.4923924

DISCUSION DE RESULTADOS

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0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6Log(n) vs ...

1/T

Log

(n)


La viscosidad experimental del Etanol a 20º C es 0.65 cp se aproxima al

teórico que es 1,200 cp debido al error experimental y condiciones

ambientales de trabajo.

La viscosidad experimental del Etanol a 30º C es 0.479cp se aproxima al



La viscosidad experimental del Etanol a 40º C es 0.3218cp se aproxima al



CONCLUSIÓN

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Densidad del C2H5OH a 20ºC = ρC2H 5OH

20 ºC=To =0 ,7893gm1

Viscosidad del C2H5OH a 20º C = 0.654062cp.

Densidad del C2H5OH a 30º C = ρC2H 5OH

30 ºC =0 ,7902gm1


Densidad del C2H5OH a 40º C = ρC2H 5OH

40ºC =0 ,7910gm1


RECOMENDACIÓN

Al momento de trabajar con el viscosímetro hay que tener mucho cuidado porque

es un material frágil y de un costo muy elevado.

Asegurarse que el viscosímetro este seco antes de trabajar.

Anotar los resultados del experimento.

Trabajar según los procedimientos de la guía del laboratorio.

BIBLIOGRAFIAS.

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SAMUEL H. MARON; fundamentos de fisicoquímica, ed. limusa, pág. 56,

221,283.

REID, Robert C y SHERWOOD, Thomas K. propiedades de los gases y

líquidos. Unión tipográfica editorial hispano-americana. México.1968.

Marrón y Pruton, Fundamentos de Fisicoquímica, decimoquinta reimpresión

1984 Ediciones Limusa México – 1984.

Fárrington Daniels Fisicoquímica Edición: Cuarta Páginas: 146, 167, 193,

709 Editorial: Continental S.A. 980 España.

Pons Muzzo Gastón “Fisicoquímica” 6ta Edición Ed. Universo, Lima, 1985.

Fluid Mechanics, London – Lifahitz. Pergamon Press. Addison – Wesley,

1959.

ANEXOS

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1.-Que limitaciones tiene el método del flujo capilar.

El volumen de un líquido que fluye por el interior de un tubo, en la unidad de tiempo y

bajo una presión dada, varia ampliamente con la naturaleza del líquido, con la

temperatura y con el tipo de flujo, sea en línea recta o turbulenta. Se entiende por flujo

en línea recta, llamado también laminar o viscoso, cuando las moléculas de las capas

líquidas se mueven paralelas a las paredes del tubo. Se presenta en los líquidos que se

trasladan por tubos de diámetros pequeños y a velocidades bajas. En este tipo de flujo

la propiedad del líquido que gobierna su velocidad es la viscosidad es la viscosidad. A

más altas velocidades del flujo cambio otro en remolinos, que se llama flujo turbulento

y el cual es de tratamiento difícil.

2.-Que otros métodos para medir viscosidad conoce usted explique brevemente.

Método:

El método del picnómetro

es uno de los más sencillos y prácticos para determinar densidades. El

picnómetro es un pequeño frasco de vidrio, cerrado por un tubo vertical de

diámetro pequeño, en la que hay marcada una señal de enrase, para disponer

de un volumen constante.

1. Se pesa el picnómetro vacío, asegurándose que este bien limpio y seco.

Obteniéndose m1.

2. Se pesa el picnómetro lleno de agua destilada. Obteniéndose m2.

3. Se pesa el picnómetro lleno del líquido problema. Obteniéndose m3.

Cuando se habla de picnómetro lleno, quiere decir que esta enrasado adecuadamente.

Para facilitar el enrase puede utilizar trozos de papel toalla. El picnómetro debe estar

bien seco por fuera.

4. Obtenga la masa del líquido mediante la ecuación: ml = m3 – m1.

5. Obtenga la masa del agua destilada: ma = m2 – m1.

6. Obtenga la densidad relativa del líquido buscado:

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7. Anote la temperatura del agua y considere la densidad del agua para esta

temperatura:

8. Para obtener la densidad del líquido, multiplique la densidad relativa del líquido

problema por la densidad del agua:

Método:

BALANZA DE MOHR-WESTPHAL

La balanza de Mohr-Westphal consta de un pie fijo y dos brazos desiguales que se

apoyan en el eje del pie fijo. En un lado hay un contrapeso y una “aguja” que marcará

el equilibrio posteriormente si se alinea con la envoltura semicilíndrica, en la que hay

otra pequeña punta horizontal. En el lado opuesto hay un gancho para colgar un

inmersor: un tubo cerrado de vidrio que se debe sumergir en agua destilada para

calibrar la balanza. Una vez está completamente hundido, se debe regular el soporte

mediante una tuerca para que la balanza marque el equilibrio (las puntas del lado

izquierdo alineadas), habiendo colocado previamente un reiter S del gancho. El reiter S

contrarresta exactamente el empuje que aparece al sumergir el inmersor en el agua.

Los reiters servirán para ajustar la densidad relativa de otro líquido hasta 4 posiciones

decimales. Uno de los cuatro reiters es igual al S,y los tres restantes pesan 1/10 del

anterior. El método es el siguiente: Los reiters se van colocando a lo largo del brazo de

cuyo extremo pende un reiter S y el inmersor. En dicho brazo hay marcadas 10

muescas separadas un mismo intervalo. Por tanto, se cumple que el momento de las

fuerzas en ambos lados debe ser equivalente en caso de que haya un equilibrio y las

agujas estén alineadas. Para alcanzar este equilibrio se van añadiendo reiters sobre el

brazo con las muescas (numeradas del 1 al 9) y variando la distancia para ir

acercándose cada vez más al equilibrio. Si la densidad del líquido es menor que la del

agua, habrá que quitar el reiter S del gancho e ir situando de igual manera los

restantes. En el equilibrio, por tanto, el par de empuje será igual al par de los jinetillos

(reiters), con lo que el par de empuje: P = A(1+ 0,1a + 0,01b + 0.001c + 0.0001d) = A

´1.abcd [1], siendo A el peso del jinetillo más grande (S), y a, b, c y d las distancias

desde el eje hasta la muesca donde se sitúa cada jinetillo. Por ello, cuanto más

pequeño sea el jinetillo, obtendremos una precisión mayor (posición decimal más a la

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derecha) y la distancia al eje (inscrita en las muescas) nos dirá la cifra en dicha

posición.Como se ha calibrado la báscula para que cuando haya sólo 1A esté

equilibrada, la densidad (relativa) será 1.0000. Esto es válido para el peso del agua

desalojada

por el inmerso. Al cambiar el líquido, el volumen desalojado será el mismo, pero la

densidad variará, con lo que:

que será la densidad relativa del líquido respecto al agua. Para obtener un valor

adecuado de la densidad del agua se deberá medir la temperatura e interpolar en

tablas para obtener el valor más preciso posible. Si el jinetillo A debe quitarse de la

posición en el gancho (en caso de que la densidad relativa sea menor, la fórmula será

la siguiente:

P = A(0,1a + 0,01b + 0.001c + 0.0001d) = A´0.abcd .

La densidad relativa:= A 0.abcd

Hay que señalar que, al sumergir el inmersor, se desprecia el volumen de hilo que está

sumergido. Lo que sí que hay que tener en cuenta es que, en todo momento de la

medida, no haya ninguna parte del inmersor fuera del agua (se descompensarían los

datos). También hay que tener en cuenta que el inmersor no debe tocar la pared ni el

fondo para que no existan fuerzas tangenciales que interfieran en la del empuje.

Es conveniente destacar que la balanza nos permite medir densidades relativas desde

0,0001 hasta 2,1110 al haber dos reiters S y poder situar todos los jinetillos en la

posición del gancho (a,b,c,d=10). Por tanto, esta balanza es útil para todas las

densidades menores que las del agua (teóricamente, si fuesen muy bajas, el método

tendría un error relativo grande), y para densidades hasta algo más de 2 veces la del

agua. Si quisiésemos medir densidades mayores, necesitaríamos más reiters.

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viscosidad de liquidos

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