INFORME VISCOSIDAD Y TENSION SUPERFICIAL

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES
FACULTAD DE INGENIERÍA
PRÁCTICA Nª 5
INFORME DE LABORATORIO
“VISCOSIDAD Y TENSION SUPERFICIAL”
DOCENTE:
AUXILIAR:
INFORME DE LABORATORIO
“SOLUCIONES Y CURVAS DE
TITULACIÓN”
ESTUDIANTE:
GRUPO:
CARRERA:
FECHA:
LA PAZ –BOLIVIA
VISCOSIDAD Y TENSIÓN SUPERFICIAL
Objetivo
Objetivo general
 Calcular la viscosidad absoluta de diversos fluidos de manera experimental y comparar, los
valores obtenidos, con los suministrados por los fabricantes.
Objetivos específicos
 Medir la tensión superficial de diferentes líquidos mediante el método del ascenso capilar.
 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
Fundamento teórico
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) 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

3mg  4 r 3  g t

18 r
x
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 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
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
2.1. 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:
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.
Tensión superficial
Cálculos
Viscosidad
Cálculo de la viscosidad
𝝁=
𝟑𝒎𝒈 − 𝟒𝝅𝒓𝟑 𝝆𝒈 ∆𝒕
∙
𝟏𝟖𝝅𝒓
∆𝒙
Para la viscosidad del aceite
Medición
Masa (g)
1
2
3
4
5
0.455
0.455
0.45
0.455
0.45
Distancia
(cm)
48.22
48.22
48.22
48.22
48.22
Tiempo (s)
3.344
3.344
3.333
3.291
3.255
Densidad
(g/ml)
0.885
0.885
0.885
0.885
0.885
Diametro
(cm)
0.471
0.470
0.474
0.470
0.476
0.47 3
[3 ∙ 0.45 − 4 ∙ 𝜋 ∙ (
) ∙ 0.88] ∙ 977.5
2
3.34
𝜇1 =
∙
= 𝟓. 𝟗𝟕 𝒑𝒐𝒊𝒔𝒆𝒔
0.47
48.2
18 ∙ 𝜋 ∙ ( 2 )
𝝁𝟏 = 𝟓𝟗𝟕. 𝟒𝟖 𝒄𝒑𝒔
0.47 3
[3 ∙ 0.45 − 4 ∙ 𝜋 ∙ ( 2 ) ∙ 0.88] ∙ 977.5
3.34
𝜇2 =
∙
= 𝟓. 𝟗𝟕 𝒑𝒐𝒊𝒔𝒆𝒔
0.47
48.2
18 ∙ 𝜋 ∙ ( 2 )
𝝁𝟐 = 𝟓𝟗𝟕. 𝟒𝟖 𝒄𝒑𝒔
0.47 3
[3 ∙ 0.45 − 4 ∙ 𝜋 ∙ (
) ∙ 0.88] ∙ 977.5
2
3.33
𝜇3 =
∙
= 𝟓. 𝟗𝟔 𝒑𝒐𝒊𝒔𝒆𝒔
0.47
48.2
18 ∙ 𝜋 ∙ ( 2 )
𝝁𝟑 = 𝟓𝟗𝟓. 𝟔𝟗 𝒄𝒑𝒔
0.47 3
[3 ∙ 0.45 − 4 ∙ 𝜋 ∙ (
) ∙ 0.88] ∙ 977.5
2
3.29
𝜇4 =
∙
= 5.88 𝒑𝒐𝒊𝒔𝒆𝒔
0.47
48.2
18 ∙ 𝜋 ∙ (
)
2
𝝁𝟒 = 𝟓𝟖𝟖. 𝟓𝟑 𝒄𝒑𝒔
0.47 3
[3 ∙ 0.45 − 4 ∙ 𝜋 ∙ (
) ∙ 0.88] ∙ 977.5
2
3.25
𝜇5 =
∙
= 𝟓. 𝟖𝟏 𝒑𝒐𝒊𝒔𝒆𝒔
0.47
48.2
18 ∙ 𝜋 ∙ (
)
2
𝝁𝟓 = 𝟓𝟖𝟏. 𝟑𝟖 𝒄𝒑𝒔
Cuadro resumen de viscosidad experimental
Medición
1
2
3
4
5
Promedio
Viscosidad
cps
597.48
597.48
595.69
388.53
581.38
595.112
Medición
Masa (g)
1
2
3
4
5
0.70
0.70
0.70
0.70
Distancia
(cm)
48.2
48.2
48.2
48.2
Tiempo (s)
2.49
2.42
2.44
2.36
Densidad
(g/ml)
0.9
0.9
0.9
0.9
Diametro
(cm)
0.55
0.55
0.55
0.55
0.55 3
[3 ∙ 0.70 − 4 ∙ 𝜋 ∙ ( 2 ) ∙ 0.9] ∙ 977.5
2.49
𝜇1 =
∙
= 𝟓. 𝟗𝟎𝟓 𝒑𝒐𝒊𝒔𝒆𝒔
0.55
48.2
18 ∙ 𝜋 ∙ ( 2 )
𝝁𝟏 = 𝟓𝟗𝟎. 𝟓 𝒄𝒑𝒔
0.55 3
[3 ∙ 0.70 − 4 ∙ 𝜋 ∙ ( 2 ) ∙ 0.9] ∙ 977.5
2.42
𝜇2 =
∙
= 𝟓. 𝟕𝟑𝟗 𝒑𝒐𝒊𝒔𝒆𝒔
0.55
48.2
18 ∙ 𝜋 ∙ ( 2 )
𝝁𝟐 = 𝟓𝟕𝟑. 𝟗𝟔 𝒄𝒑𝒔
0.55 3
[3 ∙ 0.70 − 4 ∙ 𝜋 ∙ ( 2 ) ∙ 0.9] ∙ 977.5
2.44
𝜇3 =
∙
= 𝟓, 𝟕𝟖𝟕 𝒑𝒐𝒊𝒔𝒆𝒔
0.55
48.2
18 ∙ 𝜋 ∙ ( 2 )
𝝁𝟑 = 𝟓𝟕𝟖. 𝟕𝟎 𝒄𝒑𝒔
0.55 3
[3 ∙ 0.70 − 4 ∙ 𝜋 ∙ ( 2 ) ∙ 0.9] ∙ 977.5
2.36
𝜇4 =
∙
= 𝟓. 𝟓𝟗𝟖 𝒑𝒐𝒊𝒔𝒆𝒔
0.55
48.2
18 ∙ 𝜋 ∙ ( 2 )
𝝁𝟒 = 𝟓𝟓𝟗. 𝟕𝟑𝟎 𝒄𝒑𝒔
Cuadro resumen de viscosidad experimental
Medición
1
2
3
4
Viscosidad
cps
590.5
590.5
573.96
578.70
559.730
Promedio
575.723
Tensión superficial
a) Agua destilada
Masa del
Capilar vacío
0.113
Masa del
Capilar lleno
0.22
longitud del
capilar (cm)
7.43
Densidad del
liquido (g/ml)
1
Cálculo del radio del capilar:
𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 𝑙𝑙𝑒𝑛𝑜 − 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜
𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0.22 − 0.113
𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 0.107 𝑔
𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎 =
𝑉𝑎𝑔𝑢𝑎 =
𝑚
𝜌
0.107
= 𝟎. 𝟏𝟎𝟕 𝒄𝒄
1
𝑉𝑐 = 𝜋 ∙ 𝑟 2 ∙ ℎ
𝑉𝑐
0.107
𝑟𝑐 = √
=√
𝜋∙ℎ
𝜋 ∙ 7.43
𝒓𝒄 = 𝟎. 𝟎𝟔𝟖𝒄𝒎
Cálculo de la tensión superficial:
Altura alcanzada= 1.1 cm
Densidad= 1 g/ml
𝛾=
𝛾𝑎𝑔𝑢𝑎 =
1
∙ 𝑟ℎ𝜌𝑔
2
1
∙ 0.068 ∙ 1.1 ∙ 1 ∙ 977.5
2
𝜸𝒂𝒈𝒖𝒂 = 𝟑𝟔. 𝟓𝟔 𝒅𝒊𝒏𝒂⁄𝒄𝒎
Calculo de la diferencia porcentual de la tensión superficial experimental del aceite, respecto al
teórico:
𝑑𝑖𝑓% =
|𝛾𝑒𝑥𝑝 − 𝛾𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 |
∙ 100%
𝛾𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜
𝑑𝑖𝑓% =
|36.56 − 28.57|
∙ 100%
28.57
𝒅𝒊𝒇% = 𝟐𝟕. 𝟗𝟕%
b) Eter
Masa del
capilar vacio
0.113
Masa del
capilar lleno
0.22
longitud del
capilar (cm)
7..43
Densidad del
liquido (g/ml)
0.71
Cálculo del radio del capilar:
𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 𝑙𝑙𝑒𝑛𝑜 − 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜
𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 = 0.22 − 0.113
𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 = 0.107 𝑔
𝑉𝑒𝑡𝑒𝑟 =
𝑉𝑒𝑡𝑒𝑟 =
𝑚
𝜌
0.107
= 𝟎. 𝟏𝟓𝟏 𝒄𝒄
0.71
𝑉𝑐 = 𝜋 ∙ 𝑟 2 ∙ ℎ
𝑉𝑐
0.151
𝑟𝑐 = √
=√
𝜋∙ℎ
𝜋 ∙ 7.43
𝒓𝒄 = 𝟎. 𝟎𝟖𝟎 𝒄𝒎
Cálculo de la tensión superficial:
Altura alcanzada= 0.5 cm
Densidad= 0.71 g/ml
𝛾=
𝛾𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡 =
1
∙ 𝑟ℎ𝜌𝑔
2
1
∙ 0.080 ∙ 0.5 ∙ 0.71 ∙ 977.5
2
𝜸𝒂𝒄𝒆𝒊𝒕𝒆 = 𝟏𝟑. 𝟖𝟖 𝒅𝒊𝒏𝒂⁄𝒄𝒎
Calculo de la diferencia porcentual de la tensión superficial experimental del aceite, respecto al
teórico:
𝑑𝑖𝑓% =
|𝛾𝑒𝑥𝑝 − 𝛾𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 |
∙ 100%
𝛾𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜
𝑑𝑖𝑓% =
|13.88 − 17.01|
∙ 100%
17.01
𝒅𝒊𝒇% = 𝟏𝟖. 𝟒%
c) Alcohol etílico
Masa del
capilar vasio
0.113
Masa del
capilar lleno
0.22
longitud del
capilar (cm)
7..43
Densidad del
liquido (g/ml)
0.789
Cálculo del radio del capilar:
𝑚𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 𝑙𝑙𝑒𝑛𝑜 − 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑖𝑙𝑎𝑟 𝑣𝑎𝑐𝑖𝑜
𝑚𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 = 0.22 − 0.113
𝑚𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 = 0.107 𝑔
𝑉𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 =
𝑉𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 =
𝑚
𝜌
0.107
= 𝟎. 𝟏𝟑𝟔 𝒄𝒄
0.789
𝑉𝑐 = 𝜋 ∙ 𝑟 2 ∙ ℎ
𝑉𝑐
0.136
𝑟𝑐 = √
=√
𝜋∙ℎ
𝜋 ∙ 7.43
𝒓𝒄 = 𝟎. 𝟎𝟕𝟔 𝒄𝒎
Cálculo de la tensión superficial:
Altura alcanzada= 1.17 cm
Densidad= 0.789 g/ml
𝛾=
𝛾𝑎𝑙𝑐𝑜ℎ𝑜𝑙 =
1
∙ 𝑟ℎ𝜌𝑔
2
1
∙ 0.076 ∙ 1.17 ∙ 0.789 ∙ 977.5
2
𝜸𝒂𝒍𝒄𝒐𝒉𝒐𝒍 = 𝟑𝟒. 𝟐𝟗 𝒅𝒊𝒏𝒂⁄𝒄𝒎
Calculo de la diferencia porcentual de la tensión superficial experimental del alcohol etílico, respecto
al teórico:
𝑑𝑖𝑓% =
|𝛾𝑒𝑥𝑝 − 𝛾𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 |
∙ 100%
𝛾𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜
𝑑𝑖𝑓% =
|34.29 − 22.75|
∙ 100%
22.75
𝒅𝒊𝒇% = 𝟓𝟎. 𝟕𝟓%
Conclusiones y observaciones
El experimento a pesar de su corto desarrollo, tuvo pequeñas fallas que por suerte no intervinieron en
gran parte dentro de los cálculos realizados, estos fueron debidos principalmente a la precisión de los
cronómetros. Si bien hubo errores sistemáticos personales, se puede asegurar que también hubo
errores de precisión en el mecanismo de los cronómetros.
En el experimento se comprueba por lo observado en el recorrido realizado por las esferas, se pudo
ver con claridad la existencia de un arrastre de éstas principalmente al llegar a la parte inferior,
denotándose de esta manera la existencia de la viscosidad del aceite comprobándose las
propiedades y análisis de la teoría. Concluyendo de este modo que la viscosidad es ciertamente una
propiedad muy importante dentro de los fluidos y, la cual puede distinguir uno de otro.
Por otro lado en la parte de tensión superficial de algunos líquidos resulto con mucha diferencia
porcentual respecto al valor bibliográfico. Este error se puede tratar de justificar por malas medidas
tomadas en el laboratorio ya que era muy difícil poder apreciar por las pequeñas medidas que se
tomaban.
Recomendaciones
Se debe tener mucho cuidado con tomar medidas en el tubo capilar se debe tratar de no cometer
errores como el error de paralaje. También se debe hacer con entre varios esto puede ayudar a
determinar con mayor precisión los datos que queremos obtener
Bibliografía
Libro:” COMO RESOLVER PROBLEMAS EN QUIMICA GENERAL” de Leonardo G. Coronel
Rodríguez