UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA
CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA
VISCOSIDAD
VISCOSIDAD
1. INTRODUCCION
1. INTRODUCCION
La viscosidad es una propiedad de los fluidos que es de gran importancia en múltiples 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 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 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.
de nuevos productos, facilitando la reproducción de la consistencia de un lote a otro.
Durante la práctica de laboratorio se realizó pruebas experimentales de la viscosidad del Durante la práctica de laboratorio se realizó pruebas experimentales de la viscosidad del aceite vegetal,
aceite vegetal, con dos con dos tipos de tipos de viscosímetroviscosímetros, el s, el viscosímetro de viscosímetro de hoppler y hoppler y elel viscosímetro de copa, además que se estudiaran otros tipos de viscosímetros
viscosímetro de copa, además que se estudiaran otros tipos de viscosímetros ..
2. OBJETIVOS
2. OBJETIVOS
2.1. General
2.1. General
Determinar experimentalmente la viscosidad del aceite vegetal de cusi con dos tipos de Determinar experimentalmente la viscosidad del aceite vegetal de cusi con dos tipos de viscosímetros: el viscosímetro de Hoppler y el viscosímetro de copa.
viscosímetros: el viscosímetro de Hoppler y el viscosímetro de copa.
2.2. Específicos
2.2. Específicos
Verificar los datos técnicos de ambos viscosímetros.Verificar los datos técnicos de ambos viscosímetros.
Medir diferentes tiempos de caída de la esfera en el viscosímetro de hoppler.Medir diferentes tiempos de caída de la esfera en el viscosímetro de hoppler.
Medir diferentes tiempos del flujo del aceite en el viscosímetro de copa.Medir diferentes tiempos del flujo del aceite en el viscosímetro de copa.
Aplicar los datos técnicos proporcionados para el cálculo de viscosidad del aceiteAplicar los datos técnicos proporcionados para el cálculo de viscosidad del aceite vegetal.
vegetal.
Realizar una comparación entre ambos viscosímetros.Realizar una comparación entre ambos viscosímetros.
Aprender la técnica de medición indirecta de la viscosidad con el viscosímetro deAprender la técnica de medición indirecta de la viscosidad con el viscosímetro de capilar de vidrio utilizando como fluido el agua.
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3. FUNDAMENTO TEORICO
Fluidos.-Se definen como aquellas sustancias que son incapaces de resistir esfuerzos cortantes. Cuando sometemos un cuerpo sólido a la acción de un sistema de esfuerzos cortantes, experimenta una deformación bien definida; por el contrario, los fluidos se deforman continuamente bajo la acción de los esfuerzos cortantes. De una forma muy general, podemos clasificar los fluidos de acuerdo con la relación existente entre el esfuerzo cortante aplicado y la velocidad de deformación que se produce en el fluido en: newtonianos y no newtonianos (los cuales son explicados más adelante).
Fluidos
Reales.-Se distinguen de los ideales en que poseen una cierta viscosidad, es decir, un rozamiento interior que origina tensiones tangenciales entre los filetes fluidos. Cuando un elemento de fluido se mueve respecto a los elementos contiguos, este movimiento es obstaculizado por la existencia de esfuerzos tangenciales o cortantes que tienden a disminuir la velocidad relativa del elemento considerado con respecto a los elementos contiguos. Entonces se dice que el fluido es viscoso, y el fenómeno recibe el nombre de viscosidad.
Viscosidad.-Es el rozamiento interno existente en los fluidos, en virtud del cual aparecen esfuerzos cortantes sobre la superficie de un elemento de fluido en movimiento relativo respecto al resto del fluido. Tanto los líquidos como los gases presentan viscosidad, aunque los primeros son mucho más viscosos que los segundos.
Ley de Newton de la
Viscosidad.-Tiene su origen en la existencia de un gradiente de velocidad en un fluido. Cuando mayor es el valor del gradiente de velocidad mayor será el módulo de τ.
Por lo tanto, existe una vinculación entre τ y el gradiente de velocida d. Newton propuso un modelo que supone que existe una relación lineal entre ambos.
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Fig. 1 Perfil de Velocidad
Supongamos un fluido contenido entre dos grandes láminas planas y paralelas de área A separadas entre si por una pequeña distancia “Y”. Al tiempo t<0 el sistema está en reposo, para t=0 a la lámina inferior se le imprime un movimiento de dirección “x” con una velocidad constante V
x.
Las capas de fluido en contacto con la placa inferior adquieren un movimiento de dirección “x” y lo propagan a las capas superiores en la dirección “y”. Se transfiere cantidad de movimiento de dirección “x” en la dirección “y”. O sea que el τ que aparece puede interpretarse como un flujo de cantidad de movimiento de dirección “x” en la dirección “y”.
A mayores t el perfil de velocidad se va modificando hasta alcanzar el estado estacionario (no existen mas variaciones con el tiempo).
En estas condiciones la fuerza F
x necesaria para mover la placa inferior con velocidad constante V
xserá, de acuerdo con el modelo de Newton:
La constante de proporcionalidad μ se denomina viscosidad del fluido.
Esta ecuación es válida para flujo laminar y no todos los fluidos la cumplen. Aquellos que si la cumplen reciben el nombre de fluidos newtonianos.
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Si la expresión anterior se aplica a un elemento de volumen de fluido de espesor dy y de área δA:
La aparición de este esfuerzo de corte debido a la presencia de un gradiente de velocidad existe en cada plano del fluido y es el responsable de la deformación continua del fluido haciendo que el fluido fluya.
Existen fluidos cuyo comportamiento puede ser representado con bastante exactitud por el modelo de Stokes y se los denomina fluidos newtonianos. Son fluidos newtonianos (cumplen con el modelo) todos los gases, la mayoría de los líquidos simples y los metales fundidos.
Los fluidos que no cumplen la ley de Newton de la viscosidad se denominan no-newtonianos y su estudio es el objetivo de una ciencia llamada reología.
La expresión matemática que representa la relación que existe entre el gradiente de velocidad en un fluido y el tensor esfuerzo viscoso originado se denomina ecuación constitutiva de ese fluido.
En forma generalizada se escribe como:
Otros comportamientos reológicos distintos al newtoniano corresponden a: I) fluidos pseudoplásticos: η disminuye al aumentar el gradiente de velocidad. II) fluidos dilatantes: η aumenta al aumentar el gradiente de velocidad.
III) plásticos de Bingham: es necesario superar un cierto valor “umbral” de esfuerzos de corte para que el sistema comience a fluir.
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Viscosímetro.-Es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos otros parámetros de flujo de un fluido. Fue Isaac Newton el primero en sugerir una fórmula para medir la viscosidad de los fluidos. En 1884 Poiseuille mejoró la técnica estudiando el movimiento de líquidos en tuberías.
Los viscosímetros más conocidos y utilizados son: Viscosímetro de Pipeta Capilar
Consistía en la medida del intervalo de tiempo de paso de un fluido a través de un tubo capilar. Este primigenio aparato de medida fue posteriormente refinado por Cannon, Ubbelohde y otros, no obstante el método maestro es la determinación de la viscosidad del agua mediante una pipeta de cristal. La viscosidad del agua varía con la temperatura, es de unos 0,890 mPa·s a 25 grados Celsius y 1,002 mPa·s a 20 grados Celsius.Las pipetas de cristal pueden llegar a tener una reproducibilidad de un 0,1% bajo condiciones ideales, lo que significa que puede sumergirse en un baño no diseñado inicialmente para la medida de la viscosidad, con altos contenidos de sólidos, o muy viscosos.
Es imposible emplearlos con precisión en la determinación de la viscosidad de los fluidos no-newtonianos, lo cual es un problema ya que la mayoría de los líquidos interesantes tienden a comportarse como fluidos no-newtonianos. Hay métodos estándares internacionales para realizar medidas con un instrumento capilar, tales como el ASTM D445.
Fig. 3 Viscosímetros de pipeta capilar Viscosímetro de Tambor
giratorio.-Este aparato mide la viscosidad utilizando la definición de la viscosidad dinámica:
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El procedimiento consiste en hacer girar el tambor exterior a una velocidad angular constante W, mientras que el tambor interior se mantiene estacionario. Por consiguiente el fluido que queda en contacto con el tambor giratorio tiene una velocidad v conocida; si conocemos ∆ y y de la muestra del fluido podemos calcular la relación ∆V/∆y.
Debido a la viscosidad del fluido, se presenta una fuerza de arrastre sobre la superficie del tambor interior que ocasiona el desarrollo, cuya magnitud es una medida de tensión de corte T y así se podrá calcular la viscosidad.
Fig. 4 Viscosímetro de tambor giratorio Viscosímetro de tubo capilar
Consiste en 2 recipientes conectados por un tubo largo de diámetro pequeño conocido como tubo capilar. Conforme al fluido fluye a través del tubo con una velocidad cte. El sistema pierde energía, ocasionando una caída de presión. La magnitud de la caída de presión está relacionada con la viscosidad del fluido mediante la siguiente ecuación:
Viscosímetro universal de Saybolt
La facilidad con que un fluido fluye a través de un orificio de diámetro pequeño es una indicación de su viscosidad, este es el principio por el cual está basado el viscosímetro universal.
La muestra del fluido se coloca en el aparato después de que se establece el flujo se mide el tiempo requerido para colectar 60 ml. de fluido. El tiempo resultante se reparta como la velocidad del fluido en segundos universales de Saybolt.
Viscosímetros de Rotación
Emplean la idea de que la fuerza requerida para rotar un objeto inmerso en un fluido puede indicar la viscosidad del fluido. Algunos de ellos son:
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.
El viscosímetro de 'Cup and bob' que funcionan determinando el torque requerido para lograr una cierta rotación. Hay dos geometrías clasicas en este tipo de viscosímetro de rotación, conocidos como sistemas: "Couette" o "Searle".
'Cono y plato' los viscosímetros emplean un cono que se introduce en el fluido a una muy poca profundidad en contacto con el plato.
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Viscosímetro de Caida de Esfera
El viscosímetro de caída de bola se basa en la caída de una bola esférica caiga libremente a través del fluido y midiendo el tiempo requerido para que este recorra una distancia conocida. Así pues, la velocidad puede calcularse.
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 ASTM D 562, que determinan la viscosidad en unidades Krebs. El método se aplica a pinturas tanto de cepillo como de rollo.
Viscosimetro de hoppler
Está basado en una modificación del Viscosímetro de esfera, en donde una esfera rueda en el interior de un tubo que puede inclinarse un ángulo determinado.
Fig. 5 Viscosímetro de Hoppler
Las esferas son relativamente grandes con relación al diámetro interior del tubo, lo que hace que el diámetro de la esfera sea de gran precisión.
Las medidas de la viscosidad deben hacerse a diferentes temperaturas del fluido, donde se cumple que:
K t * * 2 1 (2.4) Donde: Viscosidad absoluta (). Densidad de la esfera (1) Densidad del aceite (2) Tiempo de caída (t)8
El valor de la constante K depende del tipo de esfera a utilizar: Esfera # Material Diámetro
(mm) Peso (g) Densidad (g/cm3) Constante K (mPas/cm3 /g) Rango de mPa.s 1 Vidrio 15.812 4.5983 2.221 0.00792 0.6-10 2 Vidrio 15.598 4.4073 2.218 0.09601 7-130 3 Hierro 15.606 16.1923 8.136 0.09042 30-700 4 Hierro 15.203 14.9622 8.132 0.65407 200-4800 5 Acero 14.286 11.6771 7.649 4.66080 800-10000 6 Acero 11.112 5.5351 7.705 33.82923 6000-75000
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 metros de la viscosidad son convenientes para medir estorbando los líquidos flúidos y de gran viscosidad (hasta 1.000.000 cP). Actualmente, muchas industrias consideran estos viscosímetros como el sistema más eficiente para medir la viscosidad, puesta en contraste con los viscosímetros rotatorios, que requieren más mantenimiento, inhabilidad de medir el estorbar del líquido, y calibración frecuente después de uso intensivo. Vibrar viscosímetros no tiene ninguna pieza móvil, ningunas piezas débiles y las piezas sensibles son muy pequeñas.
Viscosímetro Versátil Digital Programable
Optimo para obtener datos de viscosidad de forma rápida y precisa; automáticamente calcula y presenta, con solo apretar un botón, el parámetro necesario. Compatible con computadora para el procesado rápido de datos de viscosidad y posibilidad de tener una copia impresa conectándolo a un registrador, una impresora o computadora (no incluidos). Además de sus características tradicionales, es programable por el usuario para el cálculo
de las condiciones de contorno de cualquier husillo, puesta automática a cero y establecimiento automático de rango, mantiene la información en pantalla y en la salida, las condiciones por encima o debajo del rango.
BROOK-LVDV-II+ con 4 agujas BROOK-RVDV-II+ con 6 agujas
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Fig. 6 Viscosímetro Versátil Digital Programable Viscosímetro de Lectura Dial
Instrumento de medida robusto. Las lecturas pueden transformarse en unidades centipoise (cps) mediante una tabla de conversión. Se pueden realizar determinaciones reproducibles de viscosidad en 30 segundos. Ahora con nuevo diseño con impulso electrónico que elimina el mecanismo de transmisión de inducción sistemática. Además al tener menor movimiento de partes, proporciona una segura operación silenciosa.
Modelos disponibles:
BROOK-LVT Con 4 agujas de 100 a 2000000 cP BROOK-RVT Con 6 agujas de 100 a 8000000 cP BROOK-HBT Con 6 agujas de 800 a 64000000 cP
Fig. 7 Viscosímetro de Lectura Dial
4. MATERIALES
Viscosímetro cinético de capilar. Viscosímetro de copa de Ford. Viscosímetro de Hoppler. Cronómetros.
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5. PROCEDIMIENTO
Visc os ím etro de Co pa
Para realizar la medición de la viscosidad con el viscosímetro de copa primero se seleccionó la boquilla más adecuada para el fluido (aceite de cusi), esta fue la Nº 3 que es para un rango de 40 a 220 centistokes (revisar datos técnicos del viscosímetro).
Luego se armó el equipo (ver montaje experimental), y se hecho el aceite de cusi dentro de la copa, enrasando con la tapa del viscosímetro, tapando antes el orificio por el cual saldrá el fluido y quitando la tapa superior para evitar un vacío en el interior. Se midió el tiempo que tardó el aceite en caer en forma de chorro hasta antes que empiece a gotear. Se repitió la operación en 5 ensayos.
Visc os ím etro de Ho pp ler
Primero se seleccionó la esfera más adecuada para el tipo de fluido que resulto ser la Nº3 (revisar datos técnicos del viscosímetro).
Se monto el equipo (ver montaje experimental), se le agrego en el centro el aceite de cusi hasta el enrase, se coloco la esfera y se cronometró el tiempo en que tardó en pasar desde la primera marca, hasta la segunda.
Visc os ím etro de pi peta cap ilar
Se introduce agua destilada creando vacio con la ayuda de una pera de succión por parte inferior, con instrumento volteado hasta el aforo de la primera ampolla. Seguidamente se voltea e inmediatamente se mide el tiempo de flujo del agua desde el primer hasta el segundo aforo de la ampolla.
Montaje experimental
Visc os ím etro de Co pa
Fig. 8 Caída del chorro
Fig. 9 Enrasado del aceite de cusi
Fig. 10 Llenado del aceite de cusi
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Visc os ím etro de Ho pp ler
Fig. 11 Viscosímetro de Hoppler
Fig. 12 Esferas de Caída
Visc os ím etro de pi peta cap ilar
Fig. 13 Marcas del aforo en las ampollas
Fig. 14 Viscosímetro de pipeta capilar 2
Fig. 15 Viscosímetro de pipeta capilar 6
Fig. 16 Viscosímetro de copa Fig. 17 Boquillas metálicas
6. DATOS, CALCULOS Y RESULTADOS Datos
Visc os ím etro de Co pa
Tiempos medidos
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Datos técnicos Boquilla Nº3
Visc os ím etro de Ho pp ler
Tiempos medidos en segundos
Datos de esfera
⁄
⁄
(
)
Datos del aceite de cusi:
⁄
Cálculos
Visc os ím etro de Co pa
Nº Tiempo Viscosidad Cinemática 1 40,8 79,211 2 40,8 79,211 3 40,9 79,443 4 40,7 78,980 5 40,7 78,980 Promedio 79,165
Visc os ím etro de Ho pp ler
Nº tiempo viscosidad
13 2 56,0 52,263 3 56,0 52,263 4 55,8 52,076 5 56,0 52,263 6 54,0 50,397 7 54,0 50,397 8 54,0 50,397 Promedio 51,307
7. OBSERVACIONESSe logro realizar la medición con los dos tipos de viscosímetro para el aceite de cusi y en los resultados se nota una variación grande tal vez debido a que los tiempos de caída están sujetos a errores como es la precisión del cronómetro de mano ya que una persona mide el tiempo y otra indicaba el instante de paro del cronómetro.
El viscosímetro de caída de esfera es un instrumento versátil para la medición indirecta de viscosidad, para fluidos con una viscosidad pequeña hasta fluidos muy viscosos debido a que cuenta con elementos de medida (esferas) específicas para distintos rangos de viscosidad (varia su tamaño y peso, desde esferas livianas para líquidos poco viscosos, hasta pesadas para líquidos muy viscosos).
8. CONCLUSIONES
El viscosímetro cinético de capilar de vidrio no fue usado en la práctica con el aceite de cusi debido a que a temperatura ambiente su viscosidad es elevada en relación al agua y no lograba atravesar el capilar de diámetro mayor por lo que se utilizo solamente agua destilada, además que el lavado del instrumento se dificulta por la naturaleza del aceite. La viscosidad es una propiedad muy importante de los fluidos ya que de acuerdo ella y a la temperatura en que esté el fluido son de utilidad en muchas ramas, una de ellas es la industria alimenticia.
9. BIBLIOGRAFIA
Guía de los datos técnicos del viscosímetro de hoppler Normas astm designation d1200- 82 viscosímetro de copa
Mecánica de fluidos aplicada, robert l. mott. prentice-hall. 1994. 4 ed. Transferencia de calor j. p. holman octava edición
Procesos de transporte y operaciones unitarias christie j. geankoplis tercera edición méxico, 1998
http://www.mitecnologico.com/iem/main/viscosidadabsolutayviscosidadcinematica http://www.efn.unc.edu.ar/departamentos/aero/asignaturas/mecfluid/material/viscos
imetro%20curvas%20flujo.pdf
