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Calcular la viscosidad absoluta de diversos fluidos de manera experimental y comparar, los
valores obtenidos, con los suministrados por los fabricantes.
Medir la tensión superficial de diferentes líquidos mediante el método del ascenso capilar.
2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
• Determinar la viscosidad absoluta de tres aceites multigrados mediante la relación que existe
entre el tiempo empleado por una esfera en recorrer una cierta distancia al ser introducida en el
fluido (Método de Stokes).
• Comparar valores experimentales de viscosidad, con los aportados por el fabricante para
evaluar el error porcentual.
• Determinar la tensión superficial de tres líquidos diferentes
3. FUNDAMENTO TEORICO
Viscosidad
De todas las propiedades de los fluidos, la viscosidad requiere la mayor consideración en el estudio del flujo de los fluidos. La viscosidad expresa la facilidad que tiene un fluido para fluir cuando se la aplica una fuerza externa: El coeficiente de viscosidad absoluta, o simplemente la viscosidad absoluta de un fluido, es una medida de resistencia, al deslizamiento o a sufrir deformaciones internas. La melaza es un fluido muy viscoso en comparación con el agua.
La viscosidad es una manifestación del movimiento molecular dentro del fluido. Las moléculas de regiones con alta velocidad global chocan con las moléculas que se mueven con una velocidad global menor, y viceversa, estos choques permiten transportar cantidad de movimiento de una región de fluido a otra.
Los fluidos presentan diferentes propiedades que los distinguen, como la viscosidad, densidad, peso específico, volumen específico, presión, etc. Al analizar las distintas propiedades que poseen los fluidos, la viscosidad requiere la mayor consideración para el estudio de estos materiales; su naturaleza y características, así como las dimensiones y factores de conversión.
Todo fluido tiene una viscosidad específica bajo ciertas condiciones cuando se mueve alrededor de un cuerpo o cuando un cuerpo se mueve dentro del fluido, se produce una fuerza de arrastre (Fa)
Yoshi Carvajal Viscosidad
sobre este. Si el cuerpo en estudio es una esfera, está fuerza de arrastre viene dada por la
expresión según la ley de Stokes: Fa=6⋅π⋅μ⋅r⋅v
Donde μ es la viscosidad absoluta del fluido; r esa el radio de la esfera; v la velocidad de la esfera con respecto al fluido.
Considerando lo anterior si se deja caer una esfera en un recipiente con un fluido, debe existir una relación entre el tiempo empleado en recorrer una determinada distancia y la viscosidad de dicho fluido. Construyendo el diagrama de cuerpo libre de una esfera se tiene:
E: Empuje hidrostático
P: Peso de la esfera
Fa: Fuerza de arrastre
Aplicando la segunda Ley de Newton:
∑ f=m .a⇒−P+E+Fa=m .a
Expresando en función de los parámetros cinemáticos nos queda:
P−E−6 .π . μ .r .v=m .dvdt Pero
a=dvdt
=0 v=ctte .
Nos queda,mg−E−6 . π . μ .r .v=0
Yoshi Carvajal Viscosidad
Fa
E
p
Dividiendo todo entre la masa,
−( 6 πμrm ) v+(mg−Em )=0
Se puede designar dos constantes para abreviar la ecuación diferencial:
A=(mg−E )
m B=6 .π .μ . r
m
Por lo tanto:
−Bv+A=0 si v=ctte
v= ΔxΔt
Entonces:
B= AΔtΔx (Experimental)
Sustituyendo los valores
6πrμm
=mg−Em
× ΔtΔx
Despejamos la viscosidad sabiendo que
E=43πr3 ρ g
nos queda:
μ=3mg−4 πr3 ρ g
18 πr× ΔtΔx
Viscosidad Experimental en el cual utilizaremos esta deducción para los cálculos de esta práctica.
Viscosidad absoluta o dinámica
Es la fuerza tangencial por unidad de área, de los planos paralelos por una unidad de distancia, cuando el espacio que los separa está lleno con un fluido y uno de los planos se traslada con velocidad unidad en su propio plano con respecto al otro también denominado viscosidad dinámica; coeficiente de viscosidad
Yoshi Carvajal Viscosidad
La unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal segundo (Pa.s) o también newton segundo por metro cuadrado (N.s/m2), o sea kilogramo por metro segundo (kg/ms): Esta unidad se conoce también con el nombre de poiseuille(Pl) en Francia, pero debe tenerse en cuenta que no es la misma que el poise (P) descrita a continuación:
El poise es la unidad correspondiente en el sistema CGS de unidades y tiene dimensiones de dina segundo por centímetro cuadrado o de gramos por centímetro cuadrado. El submúltiplo el centipoise (cP), 10-2 poises, es la unidad más utilizada para expresar la viscosidad dinámica dado que la mayoría de los fluidos poseen baja viscosidad. La relación entre el pascal segundo y el centipoise es:
Es la razón de viscosidad a densidad de masa. En el sistema internacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado por segundo (m2/s). La unidad CGS correspondiente es el stoke (St), con dimensiones de centímetro cuadrado por segundo y el centistoke (cSt), 10 -2
stokes, que es el submúltiplo más utilizado.
1m2/s = 106 cSt 1cSt = 10-6 m2/s
ν=ηρ
Viscosidad de los aceites
Los aceites presentan notables diferencias en su grado de viscosidad o fluidez, influyendo mucho estas diferencias en algunas de sus aplicaciones. El grado de viscosidad de los aceites tiene importancia en los aceites destinados a arder y los utilizados como lubricantes. En los primeros influye la viscosidad de modo que los aceites fluidos ascienden fácilmente por capilaridad en las mechas de las lámparas, mientras que los muy viscoso o poco fluidos requieren disposiciones especiales para conseguir que llegue a la llama en la unidad de tiempo suficiente cantidad de combustible. Cuando se emplea aceites como lubricantes, la materia grasa debe tener consistencia apropiada para impedir el contacto inmediato de las superficies que frotan entre sí impidiendo con ello se desgaste; para lograr esto conviene que la materia grasa no sea demasiado fluida ni tampoco demasiado viscosa.
Sistemas Unidades
S.I.: N.s / m2 = Kg / m.sC.G.S.: g /cm.s = Poise
S.B.G.: slug / ft.seg
Yoshi Carvajal Viscosidad
S.I.I.: lb.seg / ft2
CLASIFICACIÒN DE LOS ACEITES
La clasificación de los aceites atendiendo a su velocidad, generan en la etiqueta de los envases una serie de siglas, acompañados por unos dígitos, identificando el grado de viscosidad del lubricante, qué se refiere a su temperatura sin añadir datos alguno de sobre atrás apreciaciones o condiciones. El índice de viscosidad representa la tendencia más o menos que se espera a medida que se enfría o se calienta. Los aceites multigrados con base sintéticos se obtienen haciendo una mezcla de aceites de síntesis de baja graduación SAE y de aceites mineral de altas viscosidad.
La Organización de Estandarización Internacional ISO , estableció su ordenación para los lubricantes de aplicación industrial , o a la Sociedad de Ingenieros de Automoción –Society of Automotive Engineers- (SAE) de los Estados Unidos , creo su escala de denominación para definir rangos de viscosidad en lo lubricantes de automóviles.
Clasificación SAE:
La Sociedad de Ingenieros de Automotores de EE.UU.(SAE) clasificó a los aceites según su viscosidad adoptando como temperatura de referencia 100 grado centígrado y manteniendo la viscosidad en centistoke (cst). Se dividió el rango total de viscosidades de los aceites en grupos arbitrarios designados por los siguientes números: 20, 30, 40 y 50, originalmente existió un grado 60 que luego fue suprimido.
Esta clasificación no tuvo en cuenta que un aceite SAE 20 en condiciones de baja temperatura aumentaba considerablemente su viscosidad no siendo apto para una operación correcta en climas fríos. Surgen así los aceites tipo W (winter: invierno) que cubrirían esta deficiencia. Se amplió entonces la clasificación incorporando los grados SAE 5W, SAE 10W, SAE 20W a los ya existentes.
Estas primeras clasificaciones sólo tomaron en cuenta la viscosidad del aceite, posteriormente con el advenimiento de los aditivos mejoradores se incorporan siglas que caracterizan al aceite también por sus propiedades especificas (ejemplo: HD SAE 30, SAE 20 S1, etc.) como tener capacidad detergente-dispersante, propiedades antidesgaste, propiedades anticorrosivas, etc.
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Clasificación SAE de viscosidad de aceites para motor (SAE J306, DIC 96)
Grado SAE
Viscosidad Max. (cP) Arranque en frío a la temperatura indicada
en ºC
Viscosidad Max. (cP) Bombeo a baja temp.
s/esfuerzo de fluencia a la Temp. indicada en ºC
Viscosidad en
cSt @ 100ºC
Viscosidad alta temperatura alta tasa de corte (cP) a 150ºC
y 106sMin. Max.
0W 3250 a -30 60000 a –40 3,8 - -
5W 3500 a –25 60000 a –35 3,8 - -
10W 3500 a –20 60000 a –25 4,1 - -
15W 3500 a –15 60000 a –25 5,6 - -
20W 4500 a –10 60000 a –20 5,6 - -
25W 6000 a –5 60000 a –15 9,3 - -
20 - -5,6 menor
que 9,32,6
30 - -9,3 menor que 12,5
2,9
40 - -12,5 menor
que 16,32,9 (*)
40 - -12,5 menor
que 16,33,7 (**)
50 - -16,3 menor
que 21,93,7
60 - -21,9 menor
que 26,13,7
Nota: 1 cP = 1 mPa x s; 1cSt = 1 mm2/s
(*) Los Grados 0w/40, 5w/40, 10w/40
(**) Los Grados 15w/40, 20w/40, 25w/40, 40
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Aceites multigrado Con el uso de aditivos mejoradores de índice de viscosidad y partiendo de bases refinadas es posible formular aceites cuya viscosidad a altas y bajas temperaturas le permiten cumplir con los requerimientos del servicio. De esta manera se obtienen aceites de características SAE 30 a 100 ºc y SAE 10W a –20ºc, son los denominados “multigrado” generalmente designados SAE 10W30 o similares.
Las ventajas de usar aceites multigrados son:
Facilidad de arranque en frío. Rápida entrada en régimen térmico del motor. Ahorro de baterías y sistemas de arranque. Adecuada viscosidad en todo el rango de temperatura.
Clasificación de viscosidad ISO para industriales aceites lubricantes
A lo largo del tiempo se ha adoptado diferentes siglas (ASTM, DIN, etc. ) para clasificar los Aceites Lubricantes Industriales por su viscosidad medida en diversas unidades, llevando a la necesidad del uso de tablas de conversión para pasar de un sistema a otro.
Esta situación generó en los Institutos de Normalización de los piases miembros de la Organización Internacional de Estandarización (ISO) el deseo de uniformar criterios para crear un único sistema de clasificación.
Sistema ISO de clasificación según la viscosidad para aceites industriales
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Nota: La clasificación ISO corresponde a la norma COVENIN 1121
Este esfuerzo conjunto permitió el nacimiento de la clasificación ISO para Aceites Lubricantes
Industriales, con las siguientes características:
Posee 18 grados de viscosidad entre 2 y1500 centistokes (cst) a 40 ºc, cubriendo la totalidad del
rango de viscosidad, desde los aceites más livianos a los más pesados.
Cada grupo se designa el número a su viscosidad cinemática media.
Cada grupo representa un intervalo de viscosidad generado apartar de su viscosidad cinemática
media +/- 10% de este valor.
Cada viscosidad cinemática media es aproximadamente 50% mayor a la correspondiente al grado
anterior.
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Grado de viscosidadViscosidad Cinemática
media
Límites de Viscosidad Cinemática en cSt @ 40 ºC
Mínima Máxima
ISO VG 2 2,2 1.98 2,42
ISO VG 3 3,2 2,88 3,52
ISO VG 5 4,6 4,14 5,03
ISO VG 7 6,8 6,12 7,48
ISO VG 10 10,0 9,00 11,00
ISO VG 15 15,0 13,50 16,50
ISO VG 22 22,0 19,80 24,20
ISO VG 32 32,0 28,80 35,20
ISO VG 46 46,0 41,40 0,60
ISO VG 68 68,0 61,20 74,80
ISO VG 100 100,0 90,00 110,00
ISO VG 150 150,0 135,00 165,00
ISO VG 220 220,0 198,00 242,00
ISO VG 320 320,0 288,00 352,00
ISO VG 460 460,0 414,00 506,00
ISO VG 680 680,0 612,00 748,00
ISO VG 1.000 1.000,0 900,00 1100,00
ISO VG 1.500 1.500,0 1.350,00 1650,00
Sistema de clasificación APIMotores a gasolina Algunas designaciones son: SA, SB, SC, SD, SE, SF, SG, SH. El primero usado para motores a gasolina y Diesel.
Clasificación API (Instituto de Petróleo Americano) de calidad de los aceites para motor
Clasificación de servicio API
GasolinaServicio API previo
Descripción de los fabricantes de equipos y especificaciones militares relacionadas
Gasolina
SA ML Aceite mineral puro
SB MM Aceite inhibido (1930)
SCMS
(1964)Garantía de servicio para motores a gasolina (1964-1967)
SDMS
(1968)Garantía de servicio para motores a gasolina (1968-1971)
SEGarantía de servicio para motores a gasolina (1972-1980)/MIL-L-
46152 y MIL-L46152A
SFGarantía de servicio para motores a gasolina (1980-1988)/MIL-L-
46152B
SGGarantía de servicio para motores a gasolina (1989-1992)/ MIL-L-
46152D
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SH Garantía de servicio para motores a gasolina (1993-19996)
SJ Garantía de servicio para motores a gasolina (1996-2000)
SL Garantía de servicio para motores a gasolina (2001)
ALGUNOS DE LOS MEDIDORES DE VISCOSIDAD CONOCIDOS
Viscosímetro
Es un instrumento para medir la viscosidad de un fluido
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 ctte. 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:
μ= πγ D4
128 LQΔH
El viscosímetro 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. La expresión aproximada entre viscosidad y segundos Saybolt es:
υ=0 .002 t−1 .80t
Se expresa en stokes y t en segundos.
Viscosímetro de Oswald- Cannon-Fenske:
En esencial el viscosímetro es un tubo “U” una de sus ramas es un tubo capilar fino conectado a un deposito superior. El tubo se mantiene en posición vertical y se coloca una cantidad conocida del fluido él depósito para que luego fluya por gravedad a través de un capilar. Los
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procedimientos exactos para llevar a cabo estas pruebas estándar dado en los estándar de la American Society For Testing and Materiales.
Viscosímetro de cilindro concéntrico
Por medio de un cilindro que gira a una cierta velocidad con respecto a un cilindro interno concéntrico estacionario se determina du/dy al medir el momento de torsión sobre el cilindro estacionario es posible calcular el esfuerzo cortante. El cociente entre el esfuerzo cortante y el cambio de velocidad expresa la viscosidad.
Si la velocidad de rotación es N rpm y el radio es r2, la velocidad del fluido en la superficie del cilindro externo está dada por 2r2N/60. Con una separación entre cilindro y cilindro
dudy
=2πr2N
60b
La ecuación se basa en b<< r2. El momento de torsión Tc sobre el cilindro interno se mide con un alambre de torsión del cual pende el cilindro. Si se ajusta un disco al alambre su rotación es determinada por una aguja fija. Si se desprecia el momento de torsión debido al fluido por abajo del fondo del cilindro interno el esfuerzo cortante es:
τ=T c
2 πr12h
De esta manera la ecuación para la viscosidad nos queda:
μ=15T cb
π2r12r 2hN
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Viscosímetro de caída libre
Consiste en varios tubos llenos con líquido “estándares” de viscosidades conocidas con una esfera de acero en cada tubo. El tiempo necesario para que la esfera recorra la longitud total del tubo depende de la viscosidad del líquido. Si se coloca la muestra en un tubo análogo es posible aproximar el valor de la viscosidad por comparación con los otros tubos.
Para esta práctica utilizaremos el método de STOKES para la obtención de la viscosidad. Sr. Jeorge Grabiel Stokes Matemático y Físico Irlandés Bornat. Skreen 1819. Autor de trabajos en Hidrodinámica, encontró la Ley que rige la caída de sólidos esféricos en el seno de un fluido denominada con su nombre.
Stokes
Símbolo “st”; Es una unidad de la viscosidad cinemática de un fluido que tenga una viscosidad dinámica de 1 poise, y una densidad de 1 gramo por centímetro cúbico.
TENSION SUPERFICIAL
La Tensión superficial ó energía libre superficial es el trabajo necesario para incrementar, a temperatura constante y de modo reversible, el área de la superficie de un líquido en una unidad.
Las unidades de tensión superficial son: erg/cm2, Joules/m2, dinas/cm ó Nt/m.
Para realizar la determinación de la tensión superficial se mide la altura que alcanza un líquido dentro de un tubo capilar abierto en ambos extremos de acuerdo a:
γ=12rh ρg
Dónde:
γ es la tensión superficial r es el radio interno del tubo capilar h es la altura alcanzada por el líquido
ρ es la densidad del líquido g es la aceleración de la gravedad
La tensión superficial es la medida de la potencia de las fuerzas intermoleculares.
La tensión superficial depende de la clase de sustancia y disminuye con un aumento de la temperatura.
4. MATERIALES Y REACTIVOS
Materiales
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ITE MATERIAL CARACTERÍSTICA CANTIDAD1 Tubo de vidrio 150 cm 12 Embudo 13 Perdigón de acero 5 mm diam 54 Cronometro 15 Imán 16 Flexo metro 100 cm 17 Vernier 18 Vaso de precipitado 250 cc 19 Escala milimétrica 10 cm 1