LABORATORIO DE INGENIERIA QUIMICA.
PRÁCTICA
“VISCOSIDAD DE LIQUIDOS NEWTONIANOS Y NO
NEWTONIANOS.”
INTEGRANTES: FECHA DE ENTREGA: 28/10/13 Viscosidad fluidos newtonianos
Problema. Para cada uno de los líquidos suministrados, describa el comportamiento de la viscosidad en un reograma e indique de qué tipos de fluidos se trata.
Viscosímetro 25mm
Viscosímetro 50mm
Datos experimentales . Capilar #25
Líquido
Temperatura [°C]
Tiempo1[s]
Tiempo 1 [s]
Tiempo 1 [s]
Tiempo promedio [s]
Acetona
24
207.96
210.5
205.78
208.08
Agua
24
506.9
511
512.03
509.98
Capilar #50
Líquido
Temperatura [°C]
Tiempo1[s]
Tiempo 1 [s]
Tiempo 1 [s]
Tiempo promedio [s]
Etanol
24
407.6
404
405
405.53
Agua
24
248.6
252.8
252
251.13
Cuestionario. 1.- ¿El tiempo de escurrimiento de los líquidos 1 y 2 en el capilar # 25 es el mismo? ¿Qué líquido fluye más rápido? ¿Se aprecia el mismo comportamiento al emplear el capilar # 50? No, el tiempo en el cual los líquidos bajan por el capilar es diferente, la acetona fluye más rápidamente que el agua y el agua más rápido que el etanol. 2.- Como la constante gravitacional en el escurrimiento de los líquidos 1 y 2 es constante, ¿Diga cuáles son las fuerzas causantes de la diferencia en los tiempos de escurrimiento? La viscosidad de cada líquido es la principal causa en la diferencia de tiempos de escurrimiento, es decir, la resistencia específica de cada uno de los fluidos al movimiento. Así como la geometría de los capilares, es decir, el tamaño del radio. 3.- ¿En qué líquido considera que se presentan con mayor magnitud estas fuerzas para el capilar # 25? ¿Y para el capilar # 50? En ambos casos el agua presenta una resistencia a fluir mucho mayor que en la acetona y el etanol, la viscosidad no depende del capilar en el que fluyen, sino de la temperatura del capilar. 4.- Obtenga la ec. (1) a partir de la ecuación de Hagen-Poiseuille y evalúe el coeficiente K para cada uno de los capilares. La distribución de la densidad de flujo de l a cantidad de movimiento para el flujo laminar en un tubo circular se analiza por medio de un balance de cantidad de movimiento.
K [cm2/s2] Líquido
Capilar #25
Capilar #50
Agua
1.96087E-05
3.98195E-05
Donde ν es la viscosidad dinámica, ρ la densidad del fluido y θ el tiempo de escurrimiento. 5.- ¿Si con el agua líquida que fue empleada como líquido de referencia en los capilares # 25 y 50 se obtienen valores diferentes de las constantes K25 y K50, ¿diga de qué propiedades dependen éstas? Al observar la siguiente ecuación:
Podemos observar que la densidad y la viscosidad permanecen constantes, al utilizar el agua como líquido de referencia, el tiempo se convierte en nuestra única variable. 6.- Empleando la misma ecuación (1) y con el conocimiento de K25 y K50, calcule las viscosidades para el líquido 1 (acetona y etanol) en ambos capilares a la temperatura dada.
Acetona Capilar #25 Etanol Capilar #50
ν
µ
% Error
0.00408
0.00323
10.2
ν
µ
% Error
0.01615
0.01274
18.6
7.- ¿Las viscosidades de los líquidos 1 y 2 son las mismas para el capilar # 25? ¿Qué líquido tiene mayor viscosidad? ¿Se presenta el mismo comportamiento para el capilar # 50? No, las viscosidades de los líquidos son distintas, el líquido uno, es decir, el agua, es usado como referencia, los resultados para la acetona indican una viscosidad menor y para el etanol una viscosidad mayor, para ambos capilares. 8.- ¿Cómo está relacionada esta viscosidad con la resistencia a fluir? La viscosidad es proporcional a la relación existente entre el cambio de presión y las propiedades geométricas del viscosímetro, multiplicadas por el tiempo que necesita el líquido para fluir de un punto desde referencia. Dependiendo del tiempo empleado para fluir, establecemos que aquel líquido que necesite más tiempo, es aquel que presenta una mayor resistencia al flujo, es decir, presenta una mayor viscosidad. En conclusión, la viscosidad es directamente proporcional a la resistencia que presenta el líquido a fluir. 9.- ¿Cuál es el error porcentual con respecto al valor de la viscosidad reportado en la literatura
Acetona % Error Capilar #25 10.23589315 Etanol % Error Capilar #50 18.6301059
10.- ¿Tomando en consideración toda la información experimental desarrollada anteriormente, puede decir con sus propias palabras cuál es el significado físico de la viscosidad? La viscosidad es la relación existente entre las propiedades físicas de un fluido y la resistencia que éste presenta a fluir con base en un intervalo de tiempo de referencia. Conclusiones Se pudo observar que la viscosidad está relacionada con la resistencia que presenta un líquido a fluir, siendo el flujo la relación entre la masa del fluido que se mueve en un intervalo de tiempo, al aplicar una fuerza. En este experimento, fue el peso del mismo fluido el encargado de mover su masa en cada intervalo de tiempo. Se observó que el acetona presenta una viscosidad menor que el agua y el etanol una mayor, al observar que el tiempo de escurrimiento fue mayor para el agua que para la acetona y el tiempo para el etanol mayor que para los otros dos, en el mismo capilar y a las mismas condiciones de temperatura y presión.
Viscosidad fluidos no newtonianos. Problema. Para cada uno de los líquidos suministrados, describa el comportamiento de la viscosidad en un reograma e indique de qué tipos de fluidos se trata.
Datos experimentales. Aceite. Ω [RPM]
µ [cP]
%Torque
1
300
0.4
2
150
0.4
4
100
0.3
5
80
0.4
10
50
0.4
20
35
0.7
50
34
1.7
100
42
4.2
Ω [RPM]
µ [cP]
%Torque
1
42000
4.3
2
30500
6.1
4
21750
8.7
5
19600
9.8
10
14200
14.2
20
10900
20.8
50
6920
34.6
100
5060
50.8
Pintura
Usillo 3 r [cm] h [cm]
Área [cm2] Usillo 6 r [cm] h [cm]
Área [cm2]
2.1 0.15 29.68805058
1.2 0.15 10.1787602
Cuestionario 1. Si la velocidad angular Ω aplicada de 1 rpm se duplica, ¿qué respuesta se obtiene del torque % T? Aceite: En este fluido el %T se mantiene constante. Pintura: El %T aumenta, aunque no se duplica. 2. Si la velocidad angular Ω aplicada de 10 rpm se duplica, ¿qué respuesta se obtiene del torque %T? Aceite: Al duplicar a 20 RPM el %T se mantiene constante. Pintura: El %T aumenta, sin duplicarse.
3. Si la velocidad angular Ω aplicada de 50 rpm se duplica, ¿qué respuesta se obtiene del torque % T? Aceite: Al duplicar a 20 RPM el %T se mantiene constante. Pintura: El %T aumenta, sin duplicarse. 4. Dado el comportamiento anterior, ¿cómo se comporta el torque frente a la velocidad angular? Explique con ayuda de una gráfica este comportamiento (gráfica1).
Ω vs %T (Aceite) 4.5 4 3.5 3
] M2.5 P R [ Ω
2
1.5 1 0.5 0 0
20
40
60
80
100
120
%T
Ω vs %T (Pintura) 60 50 40
] M P 30 R [
Ω vs %T
Ω
20
Power (Ω vs %T)
10 0 0
50
100
%T
150
y = 4.1841x 0.5383 R² = 0.9996
5. ¿Qué tendencia seguirá la razón de cambio del %T/ Ω frente a la Ω? Se puede decir que esta razón es constante frente a Ω? ¿Por qué? Repor te gráficamente este comportamiento (gráfica 2). En general en ambos casos cuando la velocidad se incrementa el %T/ Ω disminuye, es decir mantienen una relación inversamente proporcional.
%T/Ω vs Ω (Aceite) 120 100 80 Ω
/ T %
60 %T/Ω vs Ω
40 20 0 0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Ω [RPM]
%T/Ω vs Ω (Pintura) 120 100 80 Ω
/ T %
60 %T/Ω vs Ω
40 20 0 0
1
2
3
4
5
Ω [RPM]
6. Si el torque es función de la velocidad angular aplicada, cómo se relaciona con el esfuerzo cortante que se aplica al fluido? Según sus observaciones experimentales ¿cuál considera que será el área de contacto entre el husillo y el fluido?. ¿Qué esfuerzos cortantes considera qué aparecen? Conforme se incrementa la velocidad aumenta el esfuerzo cortante, siendo éste mínimo en el centro del fluido, donde se aplica la fuerza para iniciar el movimiento angular. El área de contacto es sólo en la parte superior e inferior del husillo así como en el borde de éste. 7. Por comparación de los dos líquidos, ¿diga a qué cree que se deba que los dos fluidos describan al moverse diferentes patrones de flujo? A ciertas propiedades inherentes a cada fluido, principalmente a la viscosidad y densidad de estos.
8. Obtenga la velocidad de corte dVθ /dr (1/s) para cada fluido a partir de la relación del esfuerzo cortante y viscosidad Brookfield.
9. Represente en una gráfica (gráfica 3) la relación que guarda el esfuerzo cortante (Dinas/cm 2) a la velocidad de corte (1/s) para cada fluido. ¿Existe un cambio en la tendencia de los puntos con respecto a la gráfica 1? ¿En esta gráfica 3, qué representa la pendiente de esta línea? Explique.
τ vs Ω 6 5
y = 0.0442x + 0.1645 R² = 0.9745
] 2 4 m c / a 3 n i d [
τ vs Ω
τ 2
Linear (τ vs Ω)
1 0 0
20
40
60
80
100
120
Ω [RPM]
τ vs Ω 350 300
y = 24.619x0.5383 R² = 0.9996
] 250 2 m200 c / a n i 150 d [
τ vs Ω
τ 100
Power (τ vs Ω)
50 0 0
20
40
60 Ω [RPM]
80
100
120
10. Proponga el modelo reológico empírico de cada fluido con base a la gráfica anterior. Según los gráficos, ajustando una línea de tendencia para los datos obtenemos el siguiente modelo: Para el aceite: Γ=0.0442Ω+0.1645 Para la pintura: Γ=24.619 Ω0.5383 11. Demuestre en forma gráfica para cada fluido que la razón de cambio del esfuerzo cortante a la velocidad de corte (gráfica 4) será similar a la obtenida a la gráfica 2. ¿Por qué es esto posible?
Reograma del aceite 6 5 ] 2 4 m c / a 3 n i d [
Reograma del aceite
τ 2
1 0 0
0.05
0.1
0.15
dVθ/dr
Reograma de la pintura 350 300 ] 2
250
m c 200 / a n i 150 d [
τ
Reograma de la pintura
100 50 0 0
0.02
0.04
0.06
0.08
dVθ/dr
12. ¿En cuál de los líquidos no se presenta una dependencia de la viscosidad con la velocidad de corte? En la pintura ya que conforme se incrementa la velocidad la viscosidad disminuye. 13. ¿En cuál de los líquidos se presenta una mayor resistencia a fluir para bajas velocidades de corte?
En el aceite, se observa que para bajas velocidades de corte el comportamiento que presenta es un mayor porcentaje de torque. 14. ¿En cuál de los líquidos el esfuerzo cortante no presentará dependencia con velocidades de corte altas? En la pintura, ya que se observa que conforme se aumenta la velocidad el esfuerzo se incrementa en magnitud mayor respecto a ésta. 15. Dado el comportamiento observado de los líquidos en la gráfica 4, diga de qué tipos de fluidos se trata. La pintura a altas velocidades de corte se comporta como un fluido newtoniano. La pintura según el reograma es un fluido plástico. 16. ¿Cuál líquido elegiría en el caso de querer ahorrar energía para moverlo a altas velocidades de corte? La pintura, sin embargo si el proceso requiere utilizar aceite, no importa si se quiere ahorrar energía es necesario utilizar el fluido que la producción demande. Conclusiones En esta práctica fue posible bajar la teoría abstracta vista en las clases de fenómenos de transporte a algo más tangible con lo que tendremos contacto a lo largo de nuestro desarrollo profesional desempeñándonos en la industria, de este modo se observó el comportamiento de dos fluidos que al principio creímos no newtonianos ambos, sin embargo al aplicar nuestro conocimiento nos dimos cuenta de que no es así, a pesar de que empíricamente pudimos haber creído lo contrario. Encontramos en el reograma elaborado para cada líquido que el aceite es un fluido newtoniano y que la pintura es un fluido plástico.
vcvbdc
