Practica_Nro5 - departamento de curso basico

VISCOSIDAD Y TENSION SUPERFICIAL
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS
FACULTAD DE INGENIERÍA
CURSO BASICO
LABORATORIO QUIMICA GENERAL
QMC 100 - L
SEM I/2011
PRÁCTICA Nº 5
VISCOSIDAD Y TENSION SUPERFICIAL
1 OBJETIVO GENERAL


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.
1.1 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
2. FUNDAMENTO TEORICO
2.1. 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.
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VISCOSIDAD Y TENSION SUPERFICIAL
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) 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      r  v
Donde  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:
Fa
E
p
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. . .r.v 
a
dv
0
dt
m.dv
dt
Pero
v  ctte.
Nos queda,
mg  E  6. ..r.v  0
Dividiendo todo entre la masa,
 6r   m g  E 

v  
0
 m   m 
se puede designar dos constantes para abreviar la ecuación diferencial:
A
( mg  E )
m
B
6. . .r
m
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Por lo tanto:
 Bv  A  0
x
v
t
si v  ctte
Entonces:
B
At
x
(Experimental)
Sustituyendo los valores
6 r mg  E t


m
m
x
Despejamos la viscosidad sabiendo que E 

4 3
 r  g nos queda:
3
3m g  4 r 3  g t

18 r
x
Viscosidad Experimental en el cual utilizaremos esta deducción para los cálculos de esta
practica.
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 esta 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
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:
1Pa.s = 1 N.s/m2 = 1 kg/(m.s) = 103 cP
1cP = 10-3 Pa.s
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Viscosidad cinemática
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



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.s
C.G.S.: g /cm.s = Poise
S.B.G.: slug / ft.seg
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 multigrado
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
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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.
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
0W
5W
10W
15W
20W
25W
3250 a -30
3500 a –25
3500 a –20
3500 a –15
4500 a –10
6000 a –5
60000 a –40
60000 a –35
60000 a –25
60000 a –25
60000 a –20
60000 a –15
20
-
-
30
-
-
40
-
-
40
-
-
50
-
-
60
-
-
Viscosidad
Viscosidad alta temperatura
en
alta tasa de corte (cP) a
cSt @ 100ºC
150ºC y 106s
Min.
Max.
3,8
3,8
4,1
5,6
5,6
9,3
5,6 menor que
2,6
9,3
9,3 menor que
2,9
12,5
12,5 menor
2,9 (*)
que 16,3
12,5 menor
3,7 (**)
que 16,3
16,3 menor
3,7
que 21,9
21,9 menor
3,7
que 26,1
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
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 mas 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.
Grado de
viscosidad
Viscosidad
Cinemática
media
ISO VG 2
ISO VG 3
ISO VG 5
ISO VG 7
ISO VG 10
ISO VG 15
ISO VG 22
ISO VG 32
ISO VG 46
ISO VG 68
ISO VG 100
ISO VG 150
ISO VG 220
ISO VG 320
ISO VG 460
ISO VG 680
ISO VG 1.000
ISO VG 1.500
2,2
3,2
4,6
6,8
10,0
15,0
22,0
32,0
46,0
68,0
100,0
150,0
220,0
320,0
460,0
680,0
1.000,0
1.500,0
Límites de
Viscosidad
Cinemática en cSt
@ 40 ºC
Mínima
1.98
2,88
4,14
6,12
9,00
13,50
19,80
28,80
41,40
61,20
90,00
135,00
198,00
288,00
414,00
612,00
900,00
1.350,00
Máxima
2,42
3,52
5,03
7,48
11,00
16,50
24,20
35,20
0,60
74,80
110,00
165,00
242,00
352,00
506,00
748,00
1100,00
1650,00
Cada viscosidad cinemática media es aproximadamente 50% mayor a la correspondiente
al grado anterior.
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Sistema de clasificación API
Motores 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
Descripción de
los fabricantes
Clasificación
Servicio
de equipos y
de servicio Gasolina
API
especificaciones
API
previo
militares
relacionadas
Aceite mineral
SA
ML
puro
Aceite inhibido
SB
MM
(1930)
Garantía de
servicio para
MS
SC
motores a
(1964)
gasolina (19641967)
Garantía de
servicio para
MS
SD
motores a
(1968)
gasolina (19681971)
Garantía de
servicio para
motores a
SE
gasolina (19721980)/MIL-L46152 y MILL46152A
Garantía de
servicio para
Gasolina
motores a
SF
gasolina (19801988)/MIL-L46152B
Garantía de
servicio para
motores a
SG
gasolina (19891992)/ MIL-L46152D
Garantía de
servicio para
SH
motores a
gasolina (199319996)
Garantía de
servicio para
SJ
motores a
gasolina (19962000)
Garantía de
servicio para
SL
motores a
gasolina (2001)
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VISCOSIDAD Y TENSION SUPERFICIAL
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:

D 4
128LQ
H
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:
  0.002t 
1.80
t
 se expresa en stokes y t en segundos.
Viscosímetro de Oswald- Cannon-Fenske:
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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 procedimientos exactos para llevar acabo estas pruebas estándar
dado en los estándar de la American Society For Testing and Materials.
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 esta dada por 2r2N/60. Con una separación entre cilindro y cilindro
du 2r2N

dy
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:

Tc
2r12h
De esta manera la ecuación para la viscosidad nos queda:

15Tcb
2r12r2hN
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Viscosímetro de caída libre
Consiste en varios tubos llenos con líquido “estandares” 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.
2.2. Tensión 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:
 
1
rhg
2
Donde:
r es el radio interno del tubo capilar
h es la altura alcanzada por el 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.
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2 MATERIALES Y REACTIVOS
2.1 Materiales
ITEM
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
MATERIAL
Tubo de vidrio
Embudo
Perdigón de acero
Cronometro
Imán
Flexo metro
Vernier
Vaso de precipitado
Escala milimétrica
Tubo capilar
Matraz aforado
Balanza eléctrica
CARACTERÍSTICA
150 cm
5 mm diam
100 cm
250 cc
10 cm
50 cm3
Hasta 0.001
CANTIDAD
1
1
5
1
1
1
1
1
1
3
4
1
2.2 Reactivos
ITEM
1
2
3
4
REACTIVO
Agua destilada
Aceites
automotrices
Alcohol
etílico
Éter etílico
CARACTERÍSTICA
Diferentes visc.
p.a.
p.a.
CANTIDAD
300 cc
300 cc
200 cc
200 cc
3 Procedimiento
3.1
•
•
•
•
•
•
•
•
Viscosidad
Determinar el diámetro de la esfera y su masa
Determinar la densidad de cada aceite (referencia a practica No1)
Se coloca la esfera en el pasador horizontal del tubo.
Se sumerge cuidadosamente el pasador.
Se deja descender libremente la esfera, cuidando que no roce las paredes del tubo y
cuando la esfera pase por la referencia indicada, se acciona el cronómetro
Una vez que la esfera pase por la segunda referencia indicada, se detiene el
cronómetro y se toma nota del tiempo empleado.
Se repite la operación anterior 5 veces por cada aceite empleado en la práctica.
Compare los valores da las distintas viscosidades experimental con el obtenido
mediante la bibliografía y los respectivo errores porcentuales obtenido.
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3.2 Tensión superficial





Llene el vaso de precipitados de 250 cc con el liquido en estudio
Calibre un capilar pesando el capilar seco y vacío y luego lleno de líquido. Con el peso
del líquido, la densidad del líquido y la longitud del tubo determine el diámetro interno
del tubo capilar.
Introduzca con mucho cuidado el tubo capilar y determine con ayuda de la escala
milimétrica la altura h del ascenso capilar.
Determine la tensión superficial y compare con los valores bibliográficos
Repita el procedimiento para diferentes líquidos
4 Datos Experimentales
4.1 Viscosidad
Medición
1
2
3
4
5
masa
distancia
tiempo
densidad
diámetro
Medición
1
2
3
4
5
masa
distancia
tiempo
densidad
diámetro
Medición
1
2
3
4
5
masa
distancia
tiempo
densidad
diámetro
4.2 Tensión superficial
Medida
Masa
vacío
capilar Masa
lleno
capilar Longitud
capilar
1
2
3
4
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del Densidad
líquido
del
VISCOSIDAD Y TENSION SUPERFICIAL
Medida
1
2
3
4
Altura alcanzada
5 Cálculos
6.1.
Viscosidad
 Calcule la viscosidad de cada aceite


Compare los valores de las distintas viscosidades experimental con el obtenido
mediante la bibliografía.
Calcule los respectivos errores porcentuales obtenidos.
6.2.





Tensión superficial
Determine el diámetro del capilar
Calcule el radio del capilar
Calcule la tensión superficial de cada líquido
Compare con el valor bibliográfico
Calcule el error
6 Cuestionario
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Definir tensión superficial
Definir viscosidad
De que depende la viscosidad
De que depende la tensión superficial
Que factor molecular mide la tensión superficial
Se observa que un líquido cuya densidad es de 0.865 g/cm3, alcanza una altura de
10.4 mm en un tubo capilar de 0.5 mm de radio. Calcular la tensión superficial del
líquido.
7. El tiempo requerido para que 2 cm3 de etanol fluyan a través de un tubo capilar es
de 40 segundos; 2 cm3 de acetona tardan 10 segundos para fluir por el mismo
tubo capilar. ¿Cuál de los dos líquidos tiene mayor viscosidad y porqué?
8. Bibliografía
Eugene A. Avallone, Theodore Bauemeister III, Manual del Ing. Mecánico, Tercera
Edición. Editorial McGraw-Hill, 1999.
Víctor L. Streeter Mecánica de los Fluidos, Editorial Mc Hill, Novena Edición.
Gerhart, R. Groos y J. Hochstein Fundamentos de Mecánica de los Fluidos. (1995)
Wilmington, Delaware, USA. Addison-Wesley Iberoamericano, S.A. Segunda Edición.
Jaime Zapata Guía para laboratorio de Mecánica de Fluidos, Guayana 1989.
Manual del lubricante PDV
Manual de líneas de lubricantes BP.
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