VISCOSIDAD
HABID E. SANTIAGO MÉNDEZ JHONATAN CHAVARRO KILIAM MENA CASTRILLO LAURA QUIROGA YASSIR DOMÍNGUEZ
PROFESORA: ING. ANA GARRIDO LABORATORIO MECÁNICA DE FLUIDOS GRUPO AD
UNIVERSIDAD DE LA COSTA CUC FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL
27 DE FEBRERO DE 2013
ÍNDICE
1. INTRODUCCIÓN
2. OBJETIVOS
3. MARCO TEÓRICO
4. EQUIPO
5. TRABAJO PRE LABORATORIO
6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y MATEMÁTICO
7. DATOS EXPERIMENTALES Y RESULTADOS
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS
9. CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA
1. INTRODUCCIÓN
En la ingeniería una de las ciencias básicas corresponde a la Mecánica de Fluidos, que dispone de una rama de la mecánica y se enfoca en el estudio del comportamiento de los fluidos, ya sean que estén en reposo o en movimiento; aunque de igual forma, para entender el comportamiento de los fluidos como tal es necesario adentrarse en el estudio de sus propiedades físicas, siendo precisamente la viscosidad junto a la densidad las que más sobresalen debido a que son estas, las involucradas cuando los fluidos viajan a través de conductos.
En este sentido se tiene que la experiencia de viscosidad constituye una práctica sumamente importante fundamentada en las propiedades físicas de las sustancias a ensayar, dado a que nos amplía el conocimiento acerca del comportamiento de los fluidos líquidos y nos permite entender el por qué una sustancia es más espesa que otra, o por qué cierto compuesto puede ser utilizado como lubricante y otros no.
En el presente informe liderado por un grupo de estudiantes adscritos a la facultad de Ingeniería de la Universidad De la Costa, mediante el uso del viscosímetro de esfera descendente se determinará la viscosidad para cada una de las sustancias ensayadas, teniendo en cuenta las variables de presión y temperatura ambiente.
2. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Determinar la viscosidad de varios fluidos mediante el empleo del viscosímetro de esfera descendente basados en las variables de presión atmosférica y temperatura ambiente.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar experimentalmente la viscosidad del aceite vegetal, aceite de vehículo, glicerina y miel de abejas.
Determinar la velocidad de caída de la esfera en las sustancias ensayadas.
Caracterizar el significado físico de las propiedades físicas de los fluidos líquidos y su incidencia en su comportamiento.
3. MARCO TEÓRICO
La experiencia como tal se fundamenta en bases relacionadas con la mecánica de fluidos, concretamente lo que se refiere a las propiedades físicas de los fluidos líquidos, específicamente en la viscosidad y su incidencia en el comportamiento de la sustancia.
VISCOSIDAD
Se denomina viscosidad a la resistencia interna al desplazamiento de una porción del líquido respecto a otra. La viscosidad puede ponerse de manifiesto introduciendo en el seno de un líquido una placa fija y disponiendo otra placa móvil paralela a ella: si se mueve esta segunda placa , se engendra una fuerza que tiende a arrastrar la placa en la misma dirección en que se mueve la placa Lo que ocurre es que, debido a las fuerzas de atracción entre las moléculas, las capas moleculares en movimiento tienden a arrastrar a las capas moleculares vecinas, mientras que éstas oponen una resistencia que las frena.
De igual forma, la fuerza tangencial necesaria para mantener una diferencia de velocidad entre dos capas paralelas de sección que se mueven en el mismo sentido y que se encuentran a una distancia una de otra viene dada por la expresión:
La viscosidad corresponde entonces a la resistencia que presenta el fluido al movimiento. Cabe señalar que esta resistencia está ligada a la composición molecular de la sustancia. Existen dos tipos de viscosidad: dinámica o absoluta, representada también por , y viscosidad cinemática . La Ley de Viscosidad de Newton establece:
⁄
⁄
DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD
Para la determinación de la viscosidad de un fluido se emplea el viscosímetro de esfera descendente, el cual dispone de un tubo de cristal representado en la probeta y dispuesto verticalmente. En su interior se vierte el líquido al cual se la quiere determinar su grado de viscosidad y a continuación se deja caer una esfera de material y diámetros previamente determinados. La velocidad de la esfera al caer corresponde a la resistencia que opone el fluido al movimiento;
de tal manera que tienen lugar una serie de fuerzas confinadas en la llamada
, para la determinación de la viscosidad de un fluido.
( )
4. EQUIPO
Para la correcta realización de la experiencia se dispuso de los siguientes equipos e instrumentos:
Viscosímetro de esfera descendente.
Esferas metálicas.
Calibrador Pie de rey.
Cronómetro.
Termómetro.
Figura 1. Montaje para el viscosímetro de esfera descendente.
5. TRABAJO PRE LABORATORIO
Para la práctica de viscosidad es necesario tener en cuenta los conceptos preliminares acerca del comportamiento de los fluidos líquidos y de las propiedades físicas que describen cuando son ensayados en el laboratorio, concretamente la propiedad inherente a la resistencia que opone el fluido al movimiento; al igual que una disposición completa del material bibliográfico de consulta asignado para la temática.
De la misma forma, se debe disponer para la realización de la experiencia claridad acerca de los registros de los datos a obtener, su organización y su previo significado, con el fin único de contemplar exitosamente la práctica de laboratorio; teniendo siempre en cuenta las recomendaciones por parte del docente y la posterior aclaración de dudas acerca del desarrollo de la práctica.
Por último, el punto importante antes de realizar la experiencia supone la disposición de los estudiantes y la previa concertación de los procedimientos a emplear; añadiendo la disponibilidad de los equipos y de los instrumentos, la guía del docente y la presencia de las sustancias a ensayar para el informe, que en este caso se refiere a la determinación de la viscosidad mediante el viscosímetro de esfera descendente.
6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y MATEMÁTICO
Para la realización de la experiencia de viscosidad se dispuso del siguiente procedimiento en el laboratorio.
1. Medir con el termómetro las temperaturas de los líquidos, para determinar a qué temperatura se esté realizando la práctica y asegurar que éstos se encuentren a temperatura ambiente. 2. Llenar el tubo de descenso del viscosímetro con el primer líquido a ensayar. Medir los diámetros de las esferas con el pie de rey y anotar los datos en la tabla.
3. Medir y marcar en el tubo de descenso la distancia a recorrer por las esferas. 4. Por último dejar caer cada esfera y medir con el cronómetro el tiempo
que tarda en recorrer la distancia marcada. Con estos datos, calcular la velocidad de caída de cada una. Repetir para cada líquido.
PROCEDIMIENTO MATEMÁTICO
El procedimiento matemático asociado a la experiencia de laboratorio sugiere el uso de fórmulas establecidas para la determinación de la viscosidad para cada una de las sustancias ensayadas.
Datos obtenidos a partir de la experiencia de laboratorio:
SUSTANCIA
TEMPERATURA
TIEMPO DE CAÍDA (seg) ESFERA 1
ESFERA 2
ESFERA 3
GLICERINA
28
3,62
2,37
1,35
MIEL DE ABEJA
27
34
23,22
14,08
ACEITE DE CARRO
24
4,64
2,58
1,15
ACEITE VEGETAL
27
0,4
0,34
0,28
ALTURA (cm)
DIÁMETRO (mm)
GLICERINA
ESFERA 1
ESFERA 2
ESFERA 3
4,8
6,5
10,5
30,4
MIEL DE ABEJA
30,3
ACEITE DE CARRO
33,3
ACEITE VEGETAL
30,4
MASA (g) ESFERA 1
ESFERA 2
ESFERA 3
0,45
1,02
3,52
7. DATOS EXPERIMENTALES Y RESULTADOS
Considerando el volumen de la esfera:
VOLUMEN
DENSIDAD Kg/
PESO ESPECÍFICO N/
4,8
0,0048
7771,24
76158,15
ESFERA 2
6,5
0,0065
7093,51
69516,40
ESFERA 3
10,5
0,0105
5807,33
56911,83
DIÁMETRO
DIÁMETRO
ESFERA 1
Líquido GLICERINA MIEL ACEITE DE CARRO ACEITE VEGETAL
Tiempo de Caída (seg)
Temperatura (°C)
Peso Específico
28
Esfera #1
Esfera #2
Esfera #3
12357,8
3.62
2.37
1.35
27
13955,2
34
23.22
14.08
24
8722
4.65
2.58
1.15
27
9044,42
0.4
0.34
0.28
CÁLCULO DE LA VISCOSIDAD MEDIANTE LA LEY DE STOKES
Tiempo (seg.)
Velocidad (mt/seg.)
Viscosidad (kg.seg./mt2)
Líq.
Esfera #1
Esfera #2
Esfera #3
Esfera #1
Esfera #2
Esfera #3
Esfera #1
Esfera #2
Esfera #3
GLICERINA
3,62
2,37
1,35
0,084
0,128
0,225
0,97220
1,04816
1,21286
34
23,22
14,08
0,009
0,013
0,022
8,84664
10,03188
11,95952
4,64
2,58
1,15
0,072
0,129
0,290
1,19886
1,10619
1,01780
0,4
0,34
0.28
0,760
0,894
1,086
0,11303
0,15877
0,26997
MIEL ACEITE DE CARRO ACEITE VEGETAL
Ahora calculamos la viscosidad promedio.
VISCOSIDAD PROMEDIO GLICERINA
VISCOSIDAD PROMEDIO MIEL
VISCOSIDAD PROMEDIO ACEITE CARRO
VISCOSIDAD PROMEDIO ACEITE VEGETAL
8. ANÁLISIS DE RESULTADOS
1. ¿Presentan los líquidos ensayados resistencia al movimiento? ¿Por qué?
Sí presentan resistencia al movimiento debido a que todos los líquidos ensayados presentan viscosidad, sólo que algunos en mayor medida que otros; en este orden de ideas se tiene que si se observa el tiempo con que cada esfera se sumerge en el líquido, se puede apreciar que a mayor viscosidad del fluido, mayor será el tiempo de entrada hasta el fondo de la probeta o el tubo de cristal. En la experiencia se pudo apreciar que el tiempo aumenta para la miel por ser la sustancia más viscosa de los fluidos ensayados, por lo cual es válido afirmar que esta es la sustancia que presenta mayor resistencia al movimiento.
2. ¿Cómo serían los resultados experimentales si la temperatura ambiental fuera mayor a ? ¿Por qué?
Apoyados en que la viscosidad depende considerablemente de la temperatura, dado a que si esta aumenta, la viscosidad disminuye en los líquidos; encontramos entonces que para el caso del aumento de la temperatura ambiente a , la viscosidad con respecto a la calculada experimentalmente disminuiría considerablemente, debido a que las partículas que forman el líquido están más separadas, y por tanto la sustancia es más susceptible a la deformación, significando que la resistencia al movimiento por parte del líquido disminuye.
3. ¿Influye en el experimento el tamaño de las esferas utilizadas? ¿Por qué?
Digamos entonces que sí influye, pero relativamente. Decimos que en cierta forma sí influye debido a que el diámetro de la esfera nos delimita qué tanta masa posee el cuerpo, que en este caso es la esfera; evidenciado en que si la esfera presenta un menor diámetro, lógicamente va a significar que ésta tiene menor masa; y por tanto la viscosidad medida experimentalmente será mayor, dado a que la esfera tarda más tiempo en llegar al fondo de la probeta, al mismo tiempo en que la velocidad disminuye considerablemente; ahora, caso contrario, si la esfera presenta un diámetro mayor, significaría que esta posee mayor masa, por la tanto su tiempo de caída disminuiría y adquiriría mayor velocidad, incidiendo en que la viscosidad calculada sea menor.
Por otra parte, decimos que influye relativamente porque la temperatura es un
factor
más
determinante
en
la
viscosidad
de
los
fluidos,
independientemente de los diámetros de las esferas empleadas en la experiencia de laboratorio.
4. Mencione tres fuerzas que influyen en la esfera mientras esta se encuentra sumergida en el líquido.
Las fuerzas que actúan en la esfera son el peso, que es producto de la masa por la gravedad, el empuje y la fuerza de rozamiento que guarda proporción con la velocidad de la esfera.
5. Investigue y hable brevemente sobre la Ley de Stokes.
La Ley de Stokes corresponde a la fuerza de fricción experimentada por cuerpos u objetos esféricos moviéndose en el seno de un líquido viscoso en un régimen laminar de bajos números de Reynolds, que corresponde a un cociente de fuerzas y es de tipo adimensional. En general la Ley de Stokes es válida en el movimiento de las partículas esféricas pequeñas moviéndose a velocidades relativamente bajas. La Ley de Stokes se expresa como:
Dónde:
6. ¿Qué son los viscosímetros y cuáles son los tipos de viscosímetros?
Un viscosímetro corresponde a un tipo de instrumento empleado para medir la viscosidad y demás propiedades de flujo de un fluido. Un viscosímetro permite ver como varía la viscosidad de un líquido y cómo lo afecta la temperatura y además están diseñados y especializados para realizar la medición del nivel de viscosidad de fluidos. También permiten medir otros parámetros de flujo de los fluidos. Por lo general, los viscosímetros tienen la apariencia de tubos capilares calibrados.
Entre los tipos de viscosímetros tenemos:
Viscosímetros de cilindros coaxiales. Compuesto por dos cilindros, uno interno y otro externo. Permiten realizar la medida de la viscosidad absoluta de un fluido.
Viscosímetros análogos. Formados por un disco o un cilindro que se encuentra suspendido y gira por la acción de un motor sincrónico. La lectura de la medida del nivel de viscosidad se expresa por una serie de medidas grabadas en el disco o en el cilindro que se utilice.
Viscosímetros rotacionales digitales. Proporcionan una medición exacta y están controlados por un microprocesador.
9. CONCLUSIONES
Una vez culminada la experiencia de laboratorio, se tiene que en realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, sumado a que gracias a la experiencia de laboratorio, pudimos evidenciar que la viscosidad sólo se manifiesta en los líquidos en movimiento, ya que cuando un fluido está en reposo adopta una forma tal en la que no actúan las fuerzas de tipo tangencial que no puede resistir.
Por otra parte se tiene que la viscosidad disminuye en los líquidos con el aumento de la temperatura.
En síntesis, la viscosidad es muy importante en muchos productos industriales, tales como pinturas, barnices, tintas de imprenta, entre otras. En particular es una característica esencial de los aceites lubricantes.
BIBLIOGRAFÍA
ASKELAND, Donald R. Ciencia e ingeniería de los materiales. México, Thomson editores, 2005.
BERNSTEIN y otros. Materias primas de la vida. Investigación y Ciencia, septiembre, 1999.
POTTER, Merle C, WIGGERT, David C. Mecánica de fluidos 2da Edición, Editiorial prentice Hall México.
