6to informe fisica ii

FACULTAD DE INGENIERIA INDUSTRIALEAP.INGENIERIA INDUSTRIAL

2014

Realizado por:

Romero Rojas, Helmont 10170055

Palomino Sulca Diana 13170122

Laurencio Melgarejo Lucero 13170030

Henríquez Alfaro Mario 13170027

Profesor:

Miguel Castillo

Ciudad Universitaria, 27 de Mayo del 2014

VISCOSIDADVISCOSIDAD

VISCOSIDAD

Laboratorio de Física II - FCFUNMSM - Facultad de Ingeniería Industrial Página 2

1. OBJETIVO

Determinar el coeficiente de viscosidad de distintos líquidos, utilizando elviscómetro de Ostwald.

2. EQUIPOS / MATERIALES

1 Soporte Universal 1 Clamp 1 Pinza de agarradera

1 Viscosímetro de Ostwald 1 Termómetro analógico 1 probeta graduada

1 cronómetro1 Vaso de precipitados1500ml

Líquidos: agua, alcohol, ron

VISCOSIDAD


3. FUNDAMENTO TEORICO

La viscosidad es la resistencia que presentan las capas de los líquidos paradeslizarse unas sobre otras. El coeficiente de viscosidad es el parámetro quecaracteriza la viscosidad.La figura muestra dos capas de fluido de superficie S separadas una distancia L.Estas capas experimentan una fuerza de rozamiento FR cuando se desplazan a unavelocidad relativa v.

El coeficiente de viscosidad se define como:

LEY DE POISEUILLE:El caudal que circula por una tubería en régimen laminar viene dado por la ecuaciónde Poiseuille:

Donde es el coeficiente de viscosidad, r el radio de la tubería, h la distancia entre lospuntos A y B, y p la diferencia de presión entre A y B.El coeficiente de viscosidad de un líquido problema se puede determinar a partir delcoeficiente de viscosidad 0 de un líquido patrón que se conoce. Para ellocomparamos el tiempo de vaciado de un viscosímetro, que contiene un volumendeterminado del líquido problema, con el tiempo de vaciado del mismo volumen delíquido patrón.Para ello, soplamos por C para subir el líquido hasta el ensanchamiento superior, ydespués lo dejamos caer libremente, midiendo el tiempo que tarda la superficie libreen pasar desde A hasta B.Supongamos que t es el tiempo de vaciado del líquido problema y ݐ el del vaciadodel mismo volumen de líquido patrón.

VISCOSIDAD


El volumen de fluido que circula a lo largo del tiempo de vaciado es = .ݐComo los volúmenes son iguales:

De la expresión anterior se tiene:

El coeficiente de viscosidad del agua a 20ºC:

VISCOSIDAD


4. PROCEDIMIENTO

MONTAJE1. Vierta agua destilada en el viscosímetro hasta que llene el bulbo C:

2. Insufle aire por la rama ancha hasta que el líquido ascienda por el capilarllenando el bulbo hasta el punto A. Cubra la rama ancha con un dedo; evitará asíque el líquido descienda por gravedad.

3. Destape la rama ancha a fin de que el agua corra, y con el cronómetro tome eltiempo que tarda el líquido en pasar del punto A al punto B, realice este paso 5veces y anote los valores en la Tabla 1.

4. Repita los pasos anteriores para el alcohol y para el ron/mezcla, asegúrese queel viscosímetro se encuentre limpio antes de verter el líquido.

1 2

3 4

VISCOSIDAD


5. Seguidamente realice este mismo procedimiento para cada líquido a latemperatura de 50°C, para ello caliente agua en un vaso de precipitado de 1litrohasta que tenga la temperatura de 50°C, sumerja el viscosímetro con el líquido atrabajar en su interior y mida el tiempo que demora en pasar el líquido desde elpunto A al punto B y regístrelo en la tabla 1.

Caliente el agua en baño María a la temperatura de 50°C (utilice el vaso deprecipitados grande casi lleno con agua), y repita los pasos anteriores. Anote losvalores en la Tabla 1.

VISCOSIDAD


5. CALCULOS

Montaje

Sustancia Densidad(25°C)

H2O 1 g/cm3

Alcohol 0.789 g/cm3

Marque 1.05 g/cm3

Tabla 1

Ver anexo 3

Para el agua

Tamb T=50°C

5.746 4.054

0.09891410415 0.1076289924

=

−√

=ܧ3 × 0.09891410415

√4 − 1= 0.171324254

ܧ =3 × 0.1076289924

√4 − 1= 0.1864188832

=

=ݏܧ

0.001

2= 0.0005 ݏ =ݏܧ

0.001

2= 0.0005 ݏ

= ඥ + 0.1713249836 0.1864195537

Para el alcohol

Líquido

H2O Alcohol Marque: Ron/MezclaTamb=24°C T=50°C Tamb=24°C T=50°C Tamb=24°C T=50°C

tagua1 (s) tagua2 (s) talcohol1 (s) talcohol2(s)

tron1 (s) tron2 (s)

15.78 4.09 9.66 6.44 11.63 7.56

25.87 3.85 10.28 6.56 11.13 7.66

35.63 4.17 9.85 6.44 11.22 7.28

45.82 4.07 10.16 6.47 11.56 7.16

55.63 4.09 10.13 6.41 11.56 7.16

tPromedio

5.746 4.054 10.016 6.464 11.422 7.364

∆0.17132498 0.18641955 0.39323307 0.08939939 0.3563822 0.3602669

VISCOSIDAD


Tamb T=50°C

10.016 6.464

0.2270330372 0.0516139516

=

−√

ܧ =3 × 0.2270330372

√4 − 1= 0.3932327555

ܧ =3 × 0.0516139516

√4 − 1= 0.08939798655

=

=ݏܧ

0.001

2= 0.0005 ݏ =ݏܧ

0.001

2= 0.0005 ݏ

= ඥ + 0.3932330734 0.08939938479

Para el marque

Tamb T=50°C

11.422 7.364

0.2057571384 0.208

=

−√

ܧ =3 × 0.2057571384

√4 − 1= 0.3563818177

=ܧ3 × 0.208

√4 − 1= 0.360266568

=

=ݏܧ

0.001

2= 0.0005 ݏ =ݏܧ

0.001

2= 0.0005 ݏ

= ඥ + 0.3563821685 0.3602669149

VISCOSIDAD


6. CUESTIONARIO

1. Reemplace los valores en la ecuación

=

, tomando como dato la

viscosidad teórica del agua para la temperatura correspondiente, Tamb y 50°Crespectivamente, escriba sus resultados en la siguiente tabla.

) ( 0.911 ) = °) 0.547

) ( 1.2434 ) = °) 0.6829

/ )ࢠ ( 1.9014 / )ࢠ = °) 1.0433

Viscosidad del agua a temperatura ambiente (24°C): 0,000911 Kg/m-sViscosidad del agua a 50°C de temperatura: 0,000547 Kg/m-s

Calculando

Ahora teniendo estas viscosidades reemplazamos con el tiempo tomado

ƞଵ:ݑܣ ݐݏ

ƞଶ:ܣℎ

Para el alcohol a 25°C

0.000911

ƞଶ=

5.746ݔ1000

10.016ݔ783

ƞଶ = 1.2434

Para el alcohol a 50°C

0,000547

ƞଶ=

4.054ݔ1000

6.464ݔ783

ƞଶ = 0.6829

ƞଵ:ݑܣ ݐݏ

ƞଶ:

Para el ron a 25°C

0.000911

ƞଶ=

5.746ݔ1000

11.422ݔ1050

ƞଶ = 1.9014

Para el ron a 50°C

0,000547

ƞଶ=

4.054ݔ1000

7.364ݔ1050

ƞଶ = 1.0433

VISCOSIDAD


2. Calcule los errores porcentuales para cada caso. Si el resultado sale mayor al10%, Justifique

Teórico Exp. Teórico Exp.

) ( 0.911 0.8096 )௨ߟ = (ܥ50° 0,547 0.5623

) ( 1.105 1.2434 ) = °) 0.702 0.6829/ )ࢠ ( 2.10 1.9014 / )ࢠ = °) 1.10 1.0433

Ver anexo 4

Error del agua a 25° C

(%)ܧ =௧− ௧

௧100ݔ

(%)ܧ = ฬ0.911 − 0.8096

0.911ฬ100ݔ

(%)ܧ = 11.13%El error está un poco más arriba que 10%, pueda que se deba a la propagacióndel error en la toma de tiempos.

Ahora el error del agua a 50° C

(%)ܧ =௧− ௧

௧100ݔ

(%)ܧ = ฬ0.547 − 0.5623

0.547ฬ100ݔ

(%)ܧ = 2.797% Error del alcohol a 25° C

(%)ܧ =−௧ߩ ௧ߩ

௧ߩ100ݔ

(%)ܧ = ฬ1.105 − 1.2434

1.105ฬ100ݔ

(%)ܧ = 12.52%El error está un poco más arriba que 10%, pueda que se deba a la propagacióndel error en la toma de tiempos.

Ahora el error del alcohol a 50° C

(%)ܧ =௧− ௧

௧100ݔ

(%)ܧ = ฬ0.702 − 0.6829

0.702ฬ100ݔ

(%)ܧ = 2.72% Error del ron a 25° C

(%)ܧ =−௧ߩ ௧ߩ

௧ߩ100ݔ

(%)ܧ = ฬ2.10 − 1.9014

2.10ฬ100ݔ

(%)ܧ = 9.45% Ahora el error del ron a 50° C

(%)ܧ =௧− ௧

௧100ݔ

(%)ܧ = ฬ1.10 − 1.0433

1.10ฬ100ݔ

(%)ܧ = 5.15%

VISCOSIDAD


3. Investigue acerca de los tipos de lubricante utilizado en autos y la relación de loslubricantes con temperatura.

Los lubricantes utilizados en los autos para motores:

Sintéticos: Gran protección en altas y bajas temperaturas. Laprincipal ventaja en el desempeño de los aceites sintéticos essu aplicación en un amplio rango de temperaturas de servicio.Los sintéticos tienen una mayor resistencia de película—másprotección—y gran estabilidad térmica bajo una gran variedadde temperaturas de operación.Semi-sintéticos: Los lubricantes semi-sintéticos, tambiénllamados en parte sintéticos, o parcialmente sintéticos son resultantes de la combinaciónde un lubricante mineral con un 30% como máximo de un lubricante sintético. El lubricantesemi-sintético esta formulado para tener muchas de las características beneficiosas de loslubricantes sintéticos pero sin tener el elevado precio de los mismos.

Minerales: Estos proceden de la destilación del petróleo por eso su origen es 100%natural. Los aceites base de tipo mineral están constituidos por tres tipos de compuestos:parafínicos, nafténicos y aromáticos, siendo los primeros los que se encuentran en mayorproporción (60 a 70%), por tener las mejores propiedades lubricantes, pero siempre haycompuestos naftalénicos y aromáticos que aportan propiedades que no tienen lasparafinas como el buen comportamiento a bajas temperaturas y el poder disolvente, entreotros.

Monogrados: El aceite mono grado solo tiene un grado de viscosidad como base, seusaba en motores carburados, los cuales por sus bajas revoluciones solo llegaban atemperaturas no mayores a 85 grados centígrados. Ej. SAE 40 (solo un gradotérmico).Este aceite es un lubricante que cumple un solo grado SAE, puede ser un gradode VERANO, o bien de INVIERNO, en el cual el número de SAE va acompañado de laletra “W” por Winter, invierno en idioma inglés.

Trasmisiones:Los cojinetes, sincronizadores y engranajes de las transmisiones tambiénson diseñados para operar con una viscosidad específica. Ésta es una tareamucho más difícil, ya que la transmisión, por estar debajo del vehículo, esenfriada por el viento y a veces una bomba de aceite. Se calienta por el rocede los sincronizadores y la fricción entre piezas en movimiento. Latransmisión tiene que sincronizar a 0° C o menos, y tiene que proteger a100° C o más. El tipo de aditivo EP también afecta la temperatura, y todo loque afecta la temperatura afecta la viscosidad del aceite. En este gráficopodemos ver que el aceite SAE 140 se espesa demasiado en el frío para serútil en la lubricación de la transmisión o el diferencial.La influencia de la temperatura en la viscosidad de un lubricante es inversaya que si la temperatura aumenta la viscosidad disminuye.

VISCOSIDAD


7. CONCLUSIONES

A mayor temperatura el valor de la viscosidad va a disminuir.

Las viscosidades de los líquidos se pueden calcular a partir de las densidades

que se calculan para cada temperatura.

Con el viscosímetro de Ostwald se pueden determinar adecuadamente los

tiempos en los que el líquido va a pasar de un punto A a un punto B.

El método del picnómetro resulta ser más exacto para la determinación de la

densidad de los líquidos.

Los líquidos con viscosidades bajas fluyen fácilmente y cuando la viscosidad

es elevada el líquido no fluye con mucha facilidad.

La viscosidad y la densidad de las soluciones que se estudian van a depender

de las concentraciones que tengan dichas soluciones.

La viscosidad es una propiedad muy importante de los fluidos ya que de

acuerdo ella y a la temperatura en que esté el fluido son de utilidad en

muchas ramas, una de ellas es la de mecánica automotriz.

Los tiempos de caída están sujetos a errores como es la precisión del

cronómetro de mano ya que una persona media el tiempo y otra indicaba el

instante de paro del cronómetro.

8. SUGERENCIAS

Tratar de mantener la temperatura constante cuando se trabaja con el

viscosímetro Ostwald, para la determinación de las viscosidades de las

diversas soluciones que se van a estudiar.

Se deben tomar los tiempos de manera exacta cuando el líquido que se

estudia pasa de un punto A a un punto B en el viscosímetro.

Los materiales que se utilizan para las diversas mediciones se deben lavar y

secar por completo.

El volumen que se utiliza de agua debe ser el mismo para las soluciones de

alcohol y ron que se han utilizado.

Al momento de usar la estufa tener cuidado, a pesar de estar la gradilla.

Tener cuidado de ingerir los líquidos estudiados ya que pueden representar

un peligro para la salud si son ingeridos.

Procurar limpiar la boquilla del densímetro antes y después de su uso.

VISCOSIDAD


9. ANEXOS

Anexo 1

En el mundo “real” o macroscópico los peces y el resto de animales acuáticos como lospingüinos, ballenas, delfines… nadan impulsándose con aletas.La pregunta es ¿por qué en el mundo microscópico no hay aletas? Es decir ¿por qué lasbacterias se mueven gracias a la acción deestructuras propias como los cilios y los flagelos yno gracias a la acción de aletas, como los peces?La respuesta se encuentra en la Física, en laMecánica de Fluidos. Un fluido puede tener un flujolaminar o turbulento, en función de variables comola velocidad y el tamaño del objeto que se mueve; yla viscosidad y la densidad del fluido. Existe unnúmero adimensional, el número de Reynolds, quesirve para valorar si un fluido se encuentra enrégimen laminar o turbulento. Si este número es menor que uno, el flujo es laminar;mientras que si es mayor que uno es turbulento.Ahora bien ¿Qué es lo que caracteriza a cada tipo de flujo?El flujo turbulento es el más común a las escalas macroscópicas, y se caracteriza por serirreversible. Por ejemplo, si grabamos un vídeo de un chorro de agua a presión que salede una tubería sumergida en una piscina y luego lo “rebobinamos” viendo las imágenes,éstas no tienen ningún sentido físico porque disminuye el desorden, lo que “viola” elsegundo principio de la termodinámica (en un sistema aislado la entropía nuncadisminuye de forma espontánea). Si dibujamos las líneas de flujo (las líneas querepresentan las trayectorias que siguen las distintas moléculas o grupos de moléculas),vemos que éstas se entremezclan de forma completamente caótica.Sin embargo, en un flujo laminar ocurre exactamente lo contrario: es un flujo ordenado yreversible. Sus líneas de flujo están perfectamente ordenadas, y no se entremezclan,están estratificadas en función de la velocidad (la velocidad de una partícula en un fluidoque circula a través de un tubo varía en función de su posición en el tubo).Un flujo laminar sería, por ejemplo, un vaso con un fluido muy viscoso (glicerina, porejemplo) en el que movemos una varilla. En este fluido ocurre un fenómeno muy curioso:si añadimos una gota de colorante a la punta de la varilla y movemos ésta dibujando uncírculo, dispersamos la mancha.El flujo laminar es el flujo típico a pequeñas escalas: para las bacterias todos los fluidosson viscosos. Por ello, las bacterias siempre se encuentran inmersas en un líquido enrégimen laminar. Esta es la razón de que las bacterias no tengan aletas: el vivir en elinterior de un fluido laminar.Vamos a imaginar que una bacteria tuviera aleta. Si intentan mover una aleta haciaadelante y luego hacia atrás, no avanzaría, porque el movimiento en un fluido laminar esREVERSIBLE. Es decir, al retirar la aleta retrocedería y volvería a su posición inicial,porque hacemos un movimiento cíclico.Para poder moverse han tenido que desarrollar estructuras nuevas: los cilios y losflagelos. Los cilios son una especie de “pelos” que recubren la célula y se mueven deforma no cíclica para evitar el problema de las aletas. Se mueven dando un “latigazo”, yluego vuelven a la posición inicial pegados al cuerpo de la bacteria, consiguiendo así una

VISCOSIDAD


menor “fricción” en el segundo recorrido, lo que hace que retrocedan menos de lo queavanzan.Los flagelos son una auténtica maravilla de la biología y de la evolución, merecen unartículo aparte. Están formados por un tubo hueco, largo y rígido de forma helicoidal, queimpulsa la bacteria gracias al giro de un motor molecular ¡de sólo 45 nanómetros dediámetro! Me parece increíble que un “motor” tan pequeño pueda mover un tubo de másde 2 micrómetros de largo. El flagelo permite a la bacteria moverse porque “empuja” aguahacia atrás, al igual que lo hace un Tornillo de Arquímedes, empleado por los antiguospara subir agua desde los ríos hasta las casas. ¡Espero que Arquímedes no copiara eldiseño de una bacteria y resulte que inventó el microscopio 2.000 años antes queLeuwenhoek!

El experimento de Silverman y Simón quedemostró que los flagelos tienen un movimientorotatorio fue uno de los diseños experimentalesmás ingeniosos de este siglo. Como no se puedever el giro del flagelo por su pequeño tamaño,crearon una bacteria recombinante en la quealteraron los genes de la proteína del flagelo de talforma que crearon un flagelo más corto acabadoen un garfio. Engancharon el garfio a una

estructura y ¡vieron como la bacteria giraba sobre sí misma! Simplemente, alucinante.

Una última perla: los flagelos permiten a las bacterias moverse a 60 micras por segundo.Parece poquito (0,216 mm/h), pero si las bacterias tuviesen 1 metro de longitud en vez deuna micra, se moverían a 60 m/s, o sea… ¡216 km/h! Es increíble que, teniendo másresistencia que nadie por el flujo laminar, sean uno de los organismos más rápidos.

VISCOSIDAD


Anexo 2

El uso de los viscosímetros en la industria textil

Un viscosímetro es un instrumento empleado paramedir la viscosidad y algunos otros parámetros de flujode un fluido, debido a que cuenta con algunas pipetas,éste puede sumergirse en un baño no diseñadoinicialmente para la medida de la viscosidad, con altoscontenidos de sólidos, o muy viscosos.Estos instrumentos operan por medio de la rotación de

un cilindro o disco (husillo) el cual se sumerge en elmaterial a analizar midiendo la resistencia de estasubstancia a una velocidad seleccionada. Laresistencia resultante o par es la medida del flujo deviscosidad, dependiendo de la velocidad y de lascaracterísticas del husillo.Los viscosímetros están equipados con diferentes

tipos de husillos y velocidades que permiten un ampliorango de medidas de viscosidad. El diseño de loshusillos y los principios de medida se rigen por lasNormas ISO 2555 e ISO 1652.Tipos de viscosímetrosExisten diversos tipos de viscosímetros como son:

Viscosímetros de cilindros coaxiales Viscosímetros análogos Viscosímetros rotacionales digitales

Usos y aplicaciones de los viscosímetros en la industria textilLos viscosímetros son utilizados en la industria textil para:

Equipo útil para determinar la viscosidad de soluciones de teñido Determinar la viscosidad de pastas de estampado, aprestos,

lubricantes, acabados y adhesivos. Medir la viscosidad en cent poises (cp.) o en mili pascal-segundo

(mPas). También mide materiales de baja viscosidad como aceites, solventes,

pinturas y recubrimientos.

VISCOSIDAD


Anexo 3

Las líneas moradas se ve la comparación de los tiempos que se demora caer el ron/mezcla, mientras mayores la temperatura menos es el tiempo en que llega al bulbo. Las líneas amarillas se ve la comparación delos tiempos que se demora caer alcohol, mientras mayor es la temperatura menos es el tiempo en que llegaal bulbo. Las líneas verdes se ve la comparación de los tiempos que se demora caer el agua, mientrasmayor es la temperatura menos es el tiempo en que llega al bulbo. Mientras menos es el tiempo, menor esla viscosidad, podemos diferenciar que el agua es menos viscoso que el alcohol y el ron/mezcla.

Anexo 4

En el último gráfico se puede ver que a mayor temperatura la viscosidad es menor.

0123456789

101112

1 2 3 4 5

Tiempos

Agua 24°C Alcohol 24°C Ron/Mezcla 24°C Ron/Mezcla °50C Agua 50°C Alcohol 50°C

0.9111.105

2.1

0.8096

1.2434

1.9014

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Agua Alcohol Ron/Mezcla

Viscosidad a Temperaturaambiente

Teórico Experimental

0.547

0.702

1.1

0.56230.6829

1.0433

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2


Viscosidad a 50°C

Teórico Experimental

0.9111.105

2.1

0.8096

1.2434

1.9014

0.5470.702

1.1

0.56230.6829

1.0433

0

0.5

1

1.5

2

2.5


TeóricoTamb

ExperimentalTamb

Teórico50°C

Experimental50°C

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10.BIBLIOGRAFÍA

Manual de Laboratorio de Física II

Manual de Laboratorio de Física I

http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/viscoh2o.pdf

Pons Muzzo G., "Fisicoquímica", 5ta edición, Ed. Universo SA, Lima, 1981.

Crockford H., Navell J., "Manual de Laboratorio de Química Física", 1ra ed, Ed.

Alambra, Madrid, 1961, pag 70 – 73.

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