Informe 6 - Viscosidad

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFundada en 1551

FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA

“Viscosidad”

Informe grupalE.A.P. INGENIERIA QUIMICA 0.72

Curso:

Laboratorio de Física II

Integrantes:

Aguilar Corral Giulianna Zoraida

Camahualí Privat Marx Edison

Dominguez Remigio Diego Armando

Maihua Huillca Edie Mayko

Fecha de realización: 24/05/2012

Fecha de entrega: 31/05/2012

Lima – Perú

2012

Universidad Nacional Mayor de San MarcosViscosidad

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Índice

INTRODUCCIÓN 3

OBJETIVO 4

PRINCIPIOS TEÓRICOS 4

EQUIPOS Y MATERIALES 6

DESARROLLO EXPERIMENTAL 7

CONCLUSIONES 14

RECOMENDACIONES 14

BIBLIOGRAFÍA 14

APÉNDICE 15


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INTRODUCCIÓN

La viscosidad y la consistencia son términos que se aplican a los fluidos y que representan la resistencia que ofrecen al flujo o a la deformación cuando están sometidos a un esfuerzo cortante, cuanto mayor es la viscosidad, más lenta es su velocidad de flujo.

La viscosidad de un líquido está relacionada con la forma de las moléculas que lo componen y las fuerzas entre esas moléculas (fuerzas intermoleculares). Los líquidos que tienen baja viscosidad (los que fluyen con facilidad) están constituidos, por lo general, por moléculas pequeñas y fuerzas intermoleculares débiles.

Esta experiencia es muy importante en el sentido industrial debido a que esta se fundamenta mucho en leyes físicas y químicas que nos permite entender porque tal compuesto es más espeso que otro, o porque un compuesto es utilizado como lubricante, etc.

El conocimiento de la viscosidad de un líquido nos ayuda en el área de mecánica de fluidos ya que podemos saber qué tipo de líquido es importante y porque usarlo en tal máquina para que esta funcione en óptimas condiciones. O porque usar tal lubricante para carro a tal temperatura y porque no usar otro. O tal vez en las bebidas como las cervezas, ya que la viscosidad influye mucho en el gusto de la persona, etc. En fin el conocimiento de la viscosidad trae consigo muchas conclusiones que pueden llevar al éxito de una empresa.


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OBJETIVO

Determinar el coeficiente de viscosidad de distintos líquidos y el efecto de la temperatura sobre este.

PRINCIPIOS TEÓRICOS

Una propiedad general de un fluido es que a la aplicación de una fuerza tangencial que produce un flujo en el mismo, se le opone una fuerza proporcional al gradiente en la velocidad de flujo. Este fenómeno se conoce como viscosidad. Consideremos dos placas paralelas de área A separadas por una distancia D. es conveniente imaginar que D es pequeña en comparación con cualquier dimensión de las placas para evitar el efecto de borde. Entre las placas hay sustancia fluida uniforme. Si una de las placas se deja en reposo mientras la otra se mueve con velocidad uniforme V0en una dirección paralela a su propio plano, en condiciones ideales el fluido sufre un movimiento deslizante puro y se crea un gradiente de velocidad de flujo de magnitud V0/D en el mismo.

Este es el ejemplo más sencillo de flujo laminar o flujo viscoso puro, en el que la inercia del fluido no juega un papel significativo en determinar la naturaleza de su movimiento. Para que se alcance un flujo laminar, la condición más importante que se debe cumplir es que la velocidad del flujo sea lenta. En el flujo laminar en un sistema con límites sólidos estacionarios, las trayectorias de cada elemento del fluido con masa infinitesimal no atraviesan ninguna de las superficies laminares estacionarias de la familia infinita de ellas que puede definirse en el sistema. En el ejemplo sencillo dado antes, estas superficies laminares son los infinitos planos paralelos a las placas. Cuando la velocidad del fluido crece, el flujo se hace turbulento y su momento lo lleva a través de esas superficies laminares en forma que se producen vórtices o remolinos.

En el ejemplo anterior, con flujo laminar, la fuerza F que resiste el movimiento relativo de las placas es proporcional al área A y al gradiente de velocidad

La constante de proporcionalidad ɳ se llama coeficiente de viscosidad del fluido, o sencillamente la viscosidad del mismo. La unidad c.g.s. de la viscosidad es el Poise.


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Viscosímetro de Ostwald

El método más sencillo para medir viscosidades es mediante un viscosímetro de Ostwald (figura de la derecha). En este tipo de viscosímetros, se determina la viscosidad de un líquido midiendo el tiempo de flujo de un volumen dado V del líquido en un tubo capilar bajo la influencia de la gravedad. Para un fluido virtualmente incompresible, como un líquido, este flujo está gobernado por la ley de Poiseuille de la forma:

Vt=

Π (P2−P1) R2

8ɳL(1)

Donde, V es el volumen del líquido de viscosidad ɳ escurriéndose a lo largo de un tubo cilíndrico de radio R y de longitud L, y (p1 - p2) es la diferencia de presiones entre los dos extremos del tubo en un tiempo ten que el menisco superior cae de la marca superior del viscosímetro a la inferior (de A a B).

Despejando el coeficiente de viscosidad ɳ de (1) se tiene,

ɳ=Π (P2−P1)R2t

8VL(2)

Considerando dos líquidos de igual volumen y temperatura, midiendo los tiempos t1 y t2

que emplean en atravesar una sección transversal del capilar del viscosímetro y recordando que la diferencia de presiones (P1-P2) es proporcional a la densidad ρ del líquido, se establece que,

ɳ1ɳ2

=ρ1 t1ρ2 t2

(3)

Donde: ɳ1 y ɳ2 son las viscosidades de los líquidos desconocidos y conocidos respectivamente.

ρ1 y ρ2 son las densidades y t1, t2 son los tiempos respectivos.


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EQUIPOS Y MATERIALES

1 Soporte universal 1 Clamp 1 Pinza de agarradera 1 viscosímetro de Ostwald 1 Termómetro de analógico / digital 1 Vaso precipitado, 1500 ml 1 Picnómetro 1 Balanza tres brazos 1 Probeta graduada de 10 ml 1 Cronometro

Líquidos: Agua destilada, alcohol, ron.


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DESARROLLO EXPERIMENTAL

1. Determine las densidades del agua, alcohol y ron con el picnómetro.

Se procedió a hallar de la siguiente forma:

1. Peso del picnómetro + Peso del líquido = Wg2. Peso del picnómetro = W’g3. Peso del líquido = W-W’ g= Mg4. Volumen del líquido = Volumen del picnómetro = V ml

Para el agua:1. Peso del picnómetro + Peso del agua = 48.3g2. Peso del picnómetro =22.9g3. Peso del agua =25.4 g4. Volumen del agua = 24.904ml

ρagua = 1.0199g/ml

Para el alcohol:1. Peso del picnómetro + Peso del alcohol = 47.332. Peso del picnómetro = 22.9g3. Peso del alcohol = 24.43 g4. Volumen del alcohol = 24.904ml

ρalcohol = 0.9801 g/ml

Para el ron: 1. Peso del picnómetro + Peso del ron = 45.42g2. Peso del picnómetro = 22.9g3. Peso del ron = 22.52 g4. Volumen del ron = 24.904ml

ρron = 0.9043 g/ml

Estos datos fueron evaluados a través de valores tomados en la tablas 1.1 y 1.2 Hallando las densidades de los respectivos a temperatura ambiente y a una temperatura de 50 C 0.


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Tabla 1.1

Densidades de los líquidos a temperatura ambiente (22.5 °C)

H2O Alcohol Ronm(g) Vol(ml) m(g) Vol(ml) m(g) Vol(ml)

1 25.4 24.904 24.5 24.904 22.3 24.9042 25.3 24.904 24.4 24.904 22.55 24.9043 25.5 24.904 24.4 24.904 22.70 24.904

Promedio 25.4 24.904 24.4333 24.904 22.52 24.904Densidad 1.0199 (g/ml) 0.9801 (g/ml) 0.9043 (g/ml)

Tabla 1.2

Densidades de los líquidos a 50 °C

H2O Alcohol Ronm(g) Vol(ml) m(g) Vol(ml) m(g) Vol(ml)

1 25 24.904 20.05 24.904 22.65 24.9042 24.9 24.904 20.6 24.904 22.70 24.9043 24.5 24.904 20.05 24.904 22.70 24.9044 25.4 24.904 20.6 24.904 22.65 24.904

Promedio 24.95 24.904 20.325 24.904 22.675 24.904Densidad 1.0018 (g/ml) 0.816 (g/ml) 0.9105 (g/ml)

Nota: El calentamiento a 50 C0 de los líquidos se hizo en baño maría, por el motivo de pérdida de calor, la temperatura hubiera sido diferente calentar el líquido en un vaso y luego llenarlo el picnómetro que calentar el picnómetro en baño maría. El resultado hubiera sido diferente, es por eso que calentamos el líquido en baño maría para tener un calentamiento uniforme y medirla a una temperatura exacta.

2. Vierta agua destilada en el viscosímetro hasta que llene el bulbo c.

3. Insufle aire por la rama ancha hasta que el líquido ascienda por el capilar llenando el bulbo hasta el punto A. Cubra la rama ancha con un dedo; evitará así que el líquido descienda por gravedad.

4. Destape la rama ancha a fin fe que el agua corra y con el cronómetro tome el tiempo que tarda el líquido en pasar del punto A al punto B, realice este paso 5 veces y anote los valores en la tabla 1.

5. Repita los pasos anteriores para el alcohol y para el ron/mezcla, asegúrese que el viscosímetro se encuentre limpio antes de verter el líquido.


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6. Seguidamente realice este mismo procedimiento para cada líquido a la temperatura de 500C, para ello caliente agua en un vaso de precipitado de 1 litro hasta que tenga la temperatura de 500C, sumerja el viscosímetro con el líquido a trabajar en su interior y mida el tiempo que demore en pasar el líquido desde el punto A al punto B y regístrelo en la tabla 1.

7. Caliente el agua en baño maría a la temperatura de 500C (utilice el vaso de precipitados grande casi lleno con agua), y repita los pasos anteriores. Anote los valores en la tabla 2.

Tabla 2

Agua Alcohol Ron/MezclaTamb = 22,50C T = 500C Tamb = 22,50C T = 500C Tamb = 22,50C T = 500C

tagua1 (s) tagua2 (s) talcohol1 (s) talcohol2 (s) tron1 (s) tron2 (s)1 38.78 32,53 81,25 52,00 109,66 62,162 39,06 32,35 81,41 56,94 110,82 61,373 39,44 33,72 81,82 54,41 110,32 62,63

4 39,95 32,81 81,91 54,20 114,78 62,105 39,18 33,00 81,80 53,91 108,56 61,53t 39,28 32,88 81,64 54,29 110,83 61,96

Δt 0,59 0,71 0,39 3,55 3,17 0,83

Cálculos


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Se determinará

A. Agua

Calculando para Tamb = 22,50C

Calculando para T = 500C


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B. Alcohol



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8. 81,64 ± 0,39



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C. Ron


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CONCLUSIONES

La viscosidad de un líquido es afectada por la variación de temperatura de manera inversamente proporcional.

Las viscosidades de los líquidos se pueden calcular a partir de las densidades que se calculan para cada temperatura.

Con el viscosímetro de Ostwald se pueden determinar adecuadamente los tiempos en los que el líquido va a pasar de un punto A a un punto B.

Los líquidos con viscosidades bajas fluyen fácilmente y cuando la viscosidad es elevada el líquido no fluye con mucha facilidad.

RECOMENDACIONES

Trabajar rápidamente para conseguir mantener la temperatura constante cuando se trabaja con el viscosímetro Ostwald, para la determinación de las viscosidades de las diversas soluciones que se van a estudiar.

Se deben tomar los tiempos de manera exacta cuando el líquido que se estudia pasa de un punto A a un punto B en el viscosímetro.

El picnómetro debe de ser llenado completamente hasta el capilar; luego del baño maría se debe de secar por completo el picnómetro antes de ser pesado.

BIBLIOGRAFÍA

Texto: David R. Lide, Handbook of Chemistry and Physics, Advisory Board, 82ND (2001), 6-3, 6-186


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Internet: http://www.metalurgia.uda.cl/apuntes/Valderrama/LAB%204%20VISCOSIDAD.pdf

(29/05/2012) http://lopei.files.wordpress.com/2010/05/practica-2-viscosidad1.pdf (29/05/2012) http://www.elprisma.com/apuntes/ingenieria_mecanica/

aceiteslubricantesmotoresdiesel/ (30/05/2012) http://mobil.com.co/Colombia-Spanish/LCW/Products_Services/

Automotive_Lubricants.asp (30/05/2012)

Sofware: FUNCIONES para Windows v: 2.7.60 – 14/12/1998, autor: Jordi Lagares Roset

APÉNDICE

Evaluación

1. Reemplace los valores en la ecuación (3), tomando como dato la viscosidad teórica del agua para la temperatura correspondiente, Tamb y 50°C respectivamente, escriba sus resultados en la siguiente tabla.

ηagua (T22.5°C) ηagua (T50°C)ηalcohol (T22.5°C) ηalcohol (T50°C)

ηron/mezcla (T22.5°C) ηron/mezcla (T50°C)

En primer lugar, se obtiene las viscosidades teóricas del agua a temperatura ambiente (22.5°C) y a 50°C a partir de una tabla de valores del Handbook y construyendo una gráfica “η vs T” de donde por interpolación se obtendrá la viscosidad a 22.5°C y a 50°C, según:

Tabla de viscosidad del agua (cp)0°C 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C 60°C 70°C 80°C 90°C 100°C

1.793 1.307 1.002 0.798 0.653 0.547 0.467 0.404 0.354 0.315 0.282


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Nota: Este grafica fue realizado en un software matemático (ver pág. 14)

De este grafico se obtiene:

η H2O a 22.5°C = 0.945 cpη H2O a 50.0°C = 0.547 cp

CálculosDe la ecuación (3) se tiene:

Utilizando el agua como sustancia conocida, se obtiene una expresión que permitirá calcular los coeficientes de viscosidad a temperatura ambiente y temperatura de 50°C.

a) Para la temperatura ambiente 22.5°C:


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b) Para la temperatura de 50°C

Por lo tanto, la tabla anterior queda de la siguiente forma:

ηagua (T22.5°C) 0.945 cp ηagua (T50°C) 0.547 cpηalcohol (T22.5°C) 1.8871 cp ηalcohol (T50°C) 0.7357 cp

ηron/mezcla (T22.5°C) 2.3637 cp ηron/mezcla (T50°C) 0.9368 cp

2. Calcule los errores porcentuales para cada caso. Si el resultado sale mayor al 10%, justifique.

Alcohol Ron


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* Se obtuvo para el alcohol un error del 63%, ciertamente elevado, esto se debería a un error en los cálculos en la parte experimental, o si no, ciertamente la sustancia presentaba impurezas, las cuales pudieron alterar los resultados.

3. Investigue acerca de los tipos de lubricante utilizado en autos y la relación de los lubricantes con la temperatura.

CLASIFICACIÓN API DE LOS LUBRICANTES PARA MOTORES DIÉSEL

Identificación Aplicación

CC

Motores Diesel en servicio medio. Típico de motores diésel ligeramente sobrealimentados trabajando en condiciones severas. Aceites introducidos en 1961 y utilizados en muchos camiones, motores industriales y tractores. Unen a la protección de los depósitos a alta temperatura, a las propiedades anticorrosivas y antidesgaste también una buena protección contra las borras en frío.

CD

Motores Diesel en servicio pesado. Típico de los motores sobrealimentados que trabajan a altas velocidades, altas prestaciones de potencia que requieren un riguroso control de desgaste y de los depósitos, y que usan combustibles de varias calidades.

CE Motores Diesel en servicio muy pesado. Típico servicio para satisfacer las exigencias de motores Diesel turbo comprimidos y sobrecargados construidos


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desde 1983 y que funcionan tanto en condiciones de baja velocidad y alta carga como a alta velocidad y alta carga. Supera ampliamente las prestaciones previstas para los servicios CC y CD.

CF

Motores Diesel en servicio muy pesado. Típico de los motores diesel de inyección directa y de los motores diésel en general que funcionan incluso con gasóleos con alto contenido de azufre. Introducida en 1994, supera ampliamente las prestaciones previstas para las categorías CD y CE.

CF-4

Motores Diesel en servicio muy pesado. Esa categoría fue introducida en 1990 y describe aceites utilizados en motores diésel a alta velocidad. Los aceites CF-4 superan las prestaciones previstas para la categoría CE y garantizan un mejor control sobre el consumo de lubricante y sus depósitos.

CG-4

Motores Diesel en servicio muy pesado. Esta categoría fue introducida en 1994 y describe aceites utilizados en motores diésel de vehículos industriales que funcionan con gasóleos con un contenido mínimo de azufre >0,05%. Los aceites CG-4 superan las prestaciones previstas para los aceites CF-4.

CH-4

Introducida desde el 01/12/98, diseñada para superar las limitaciones de normas de emisión para motores de alta velocidad. Los aceites CH4 están preparados especialmente para ser utilizados con carburantes diésel con un contenido de azufre no superior a 0,5% y pueden ser usados cuando se requieran los lubricantes CD-CE-CF4-CG4.

CLASIFICACIÓN API DE LOS LUBRICANTES PARA MOTORES DE GASOLINA

Identificación Descripción Aplicación

SA - SB - SC - SD - SE

Normas entradas en vigor desde 1930 a 1971

Para motores de 4T de gasolina y diésel que funcionan con bajo nivel de severidad.

SF Norma entrada en vigor en 1980

Para motores de 4T a gasolina. Aceite requerido con mejor estabilidad a la oxidación, mejor poder antidesgaste, antidepósitos, anticorrosión y antióxido. Puede utilizarse cuando se requieran niveles SE, SO, SC.

SG Norma entrada en vigor en 1989

Para motores de 4T a gasolina. Incluye los rendimientos de API, CC y en algunos casos de CD. Aceite requerido con mejor control de los depósitos, mejor estabilidad a la oxidación, mejor poder antidesgaste, anticorrosión y antióxido. Puede ser utilizado cuando se requieran niveles SF, SF/CC, SE, SE/CC.

SHNorma entrada en vigor en 1993

Supera los requisitos de aceites a nivel SG probados según el protocolo CMA previsto para las pruebas de motores (validez estadística) y certificación de los resultados de prueba).

SJNorma entrada en vigor a partir de octubre de 1996

Además de las pruebas de motor previstas por la SH, incluye algunas pruebas adicionales de


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laboratorio.

SL Norma entrada en vigor desde julio de 2001

Aceites con formulación que garantizan una mejor protección sobre depósitos a altas temperaturas. Algunos de estos productos pueden incluso cumplir la norma LSAC y/o ENERGY CONSERVING.

CLASIFICACIÓN API DE LOS LUBRICANTES PARA TRANSMISIONES

Identificación Descripción Aplicación

GL-1 Aceites Minerales PurosTransmisiones Manuales de tractores y vehículos industriales

GL2Aceites que contienen materiales grasos

Transmisiones Industriales para tornillos sin fin

GL-3 Aceites con aditivación antidesgaste

Transmisiones Manuales Engranajes Cónicos poco sometidos a esfuerzo

GL4Aceites con media aditivación EP (Extrema Presión). Equivalente a la Norma MIL-L-21105

Transmisiones Manuales. Engranajes hipoides medianamente sometidos a esfuerzos.

GL-5Aceites con alta aditivación EP (Extrema Presión). Equivalente a la Norma MIL-L-2105 D

Engranajes hipoides muy sometidos a esfuerzos. Puede ser usado para Transmisiones Manuales.

Relación de los lubricantes con la temperatura


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4. Determine el coeficiente de viscosidad para una mezcla que contenga 50% de agua destilada + 50% de ron.

Utilizando la ecuación de Arrhenius:

Donde:

µm=Viscosidad de la mezcla

µL=Viscosidad del componente 1

µG=Viscosidad del componente 2

λL = Fracción Volumétrica

Aplicando

ηagua (T22.5°C) 0.945 cp ηagua (T50°C) 0.547 cpηalcohol (T22.5°C) 1.8871 cp ηalcohol (T50°C) 0.7357 cp

ηron/mezcla (T22.5°C) 2.3637 cp ηron/mezcla (T50°C) 0.9368 cp

Informe 6 - Viscosidad

Documents

velocidad de flujo

flujo laminar

baja viscosidad

coeficiente de viscosidad

flujo viscoso puro

flujo de magnitud v0d

gradiente de velocidad

ms lenta