Practica 1. DETERMINACIÓN DE VISCOSIDADES

I. OBJETIVO GENERALDefinir Experimentalmente los valores de viscosidad de tres sustancias.

Objetivos específicos1. Comparar la precisión del viscosímetro Zahn con respecto al dispositivo

Brookfield utilizando tres sustancias (Aceite de Ricino, Aceite de Almendras y Glicerina).

2. Comparar la precisión del viscosímetro Stormer con Brookfield.3. Graficar el comportamiento de la viscosidad de una sustancia (glicerina) al

disminuir la temperatura, utilizando para ello el dispositivo Stormer.

II. MARCO TEÓRICO

La viscosidad de un fluido se define como la resistencia de un líquido a fluir, puede decir que es equivalente a la fricción entre dos sólidos en movimiento relativo. Conforme un fluido se mueve, dentro de él se desarrolla un esfuerzo cortante cuya magnitud depende de la viscosidad del fluido. Se define al esfuerzo cortante como la fuerza que se requiere para que una unidad de área de una sustancia se deslice sobre otra.

La medida de esa resistencia a fluir, es el Poise, (sistema CGM) que es definido como la fuerza necesaria para mover un centímetro cuadrado sobre una superficie paralela a la primera a la velocidad de 1 cm por segundo, con las superficies separadas por una película lubricante de 1 cm de espesor . En la práctica, es medida por tubos capilares.

La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales y se debe a las fuerzas de cohesión moleculares. Todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal.

La viscosidad solo se manifiesta en líquidos en movimiento. Se ha definido la viscosidad como la relación existente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad. Esta viscosidad recibe el nombre de viscosidad absoluta o viscosidad dinámica. Generalmente se representa por la letra griega μ.

La medida más común es la mecánica y se conoce como viscosidad cinemática, o “centistock” abreviada cSt y se representa por V. Para calcular la viscosidad cinemática basta con dividir la viscosidad dinámica por la densidad del fluido.

Cuando un laboratorio mide la viscosidad, mide esta resistencia y cruza con una tabla (manual o automática) para reportar la viscosidad cSt.

γ= μρ

La viscosidad varía inversamente proporcional con la temperatura. Por eso su valor no tiene utilidad si no se relaciona con la temperatura a la que el resultado es reportado.

1. Viscosímetro Stormer.

Un viscosímetro es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos otros parámetros de flujo de un fluido.

El viscosímetro Stormer es un dispositivo rotatorio empleado para determinar la viscosidad de las sustancias, es muy usado en las industrias de elaboración de pintura. Consiste en un cilindro que puede girar en el interior de un recipiente de la misma forma. Mediante un sistema de pesos y poleas de muy baja fricción, se ejerce una torca constante sobre el cilindro interior, que lo hace girar a una velocidad angular constante a partir de la cual se puede determinar la viscosidad del líquido.

La viscosidad se determina por medio de tablas que relacionan los pesos y el tiempo que tarda en alcanzar 100 revoluciones por minuto.

Fig. 1 Grafica de viscosidad contra tiempo para viscosímetro Stormer.

Ecuación para determinación de viscosidad.

Utilizando la tabla anterior y aplicando el método numérico de regresión lineal a los datos de la misma, se determinó una ecuación lineal para encontrar la viscosidad de las sustancias agregando teniendo el tiempo como variable independiente.

V=1.5 t−25

Dónde: V: Viscosidad en centipoises (cP)t: tiempo en segundos que tarda en completar 100 rpm

2. Viscosímetro Zahn

Las copas de inmersión de viscosidad tipo Zhan, marca Byk Gardner están diseñadas para cumplir con los parámetros de la norma ATM 04212. Están constituidas de acero inoxidable y resistentes a la corrosión, consiste en una copa en forma de bala que puede contener hasta aproximadamente 48 ml.

El rango de viscosidad de la copa está determinado por un orificio perforado con precisión en la parte inferior de la copa. Un asa de 12 pulgadas permite a la copa a ser sumergida en un recipiente de líquido. En el centro de la parte superior de la manija del lazo es una placa de identificación.

Cada copa Zahn viene con diferente diámetro del orificio, a continuación se detallan las características de cada una:

N° de Copa Diámetro del orificio (pulgadas)

1 0.08

2 0.11

3 0.15

La copa de inmersión de viscosidad tipo Zahn son instrumentos robustos que son baratos y fáciles de operar. Pueden ser utilizados en cualquier lugar para poner a prueba la viscosidad de una amplia variedad de fluidos de acuerdo con métodos de prueba estándar ASTM 0816, DI084, o D4212.

Los rangos de viscosidad de aproximadamente 20 a 1800 centistokes (cSt) para los diferentes materiales pueden ser evaluados con un conjunto de cinco copas diferentes, como se muestra a continuación:

N°de copa Rango de Viscosidad (cSt) Aplicación (Material)

1 60 Max. Líquidos muy finos.

2 20 - 230Aceites finos, pinturas y barnices mixtos

3 150 - 850Aceites medios, pinturas y esmaltes mixtos.

Se debe tener en cuenta la superposición de rangos de viscosidad entre diferentes copas. Si la espera del alcance de su aplicación es susceptible de sobrepasar el rango de una copa determinada, se utiliza la copa N° 3 en vez de la N° 2.

Para hacer el cálculo de la viscosidad cinemática a partir del tiempo registrado en el experimento se tiene la siguiente ecuación:

γ=k (t−c )

Dónde: γ :viscosidad cinematicak , c :constantes quedependende lacopa Zahnt : tiempo en segundos

3. Viscosímetro Brookfield

Instrumentos de medición y control de viscosidad, indispensables en el control de calidad de innumerables productos. todos se suministran con certificado de fábrica, juego de agujas, instructivo, estuche y soporte. Todos los viscosímetros Brookfield utilizan el conocido principio de la viscosimetría rotacional; miden la viscosidad captando el par de torsión necesario para hacer girar a velocidad constante un husillo inmerso en la muestra de fluido. El par de torsión es proporcional a la resistencia viscosa sobre el eje sumergido, y en consecuencia, a la viscosidad del fluido.

Son de fácil manejo e instalación, sin necesidad de un alto grado de conocimientos operativos.

De gran versatilidad, cuentan con una amplia gama de viscosidades.

Este instrumento ofrece características sofisticadas: su pantalla digital de fácil lectura permite disponer cómodamente de datos en % (Brookfield), convertible fácilmente en unidades cP’s y en una señal de salida de 0 a 10 mV o de 0 a 1V para su conexión a un registrador de papel continuo. La capacidad de realizar un registro constante de la viscosidad potencia enormemente la función del viscosímetro cuando se analizan los procesos reológicos que tienen lugar

rápidamente o durante un largo periodo de tiempo. Además, posibilita la elaboración de perfil reológico de un fluido, elemento que resulta de gran valor en los procesos de control de calidad.

III. MATERIAL

Material Descripción Cantidad

Vaso de Precipitado 500 ml 2Probeta 100 ml 2

Termómetro - 1Cronometro - 1

Plancha - 1Vaso de Precipitado 100 ml 1

Balanza analítica

IV. PROCEDIMIENTO

1. Calibrar el equipo (dependiendo del instrumento en caso de ser necesario)2. Tener listas las muestras a medir.3. Tomar el tiempo para cada uno de los equipos.4. Realizar cálculos dependiendo de la manera en que se maneja el

instrumento.5. Hacer la comparación entre cada uno de los dispositivos.

V. CÁLCULOS Y RESULTADOS

1. Viscosímetro Stormer

GLICERINA

Tiempo TEMPERATURA (°C)Viscosidad Dinámica

cP Pa∙ s43.62 60-59 40.43 0.0404337.99 54-54 31.985 0.03198539.28 54-54 33.92 0.0339241.55 53-53 37.325 0.037325

46 51-50 44 0.04450.15 49-49 50.225 0.05022556.4 47-47 59.6 0.0596

167.49 37-33 226.235 0.226235193.43 30-28 265.145 0.265145

59.554545350.5494735290

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

Glicerina

Temperatura (°C)

Vis

cosi

dad

(P

a*s)

ACEITE DE RICINO a temperatura de aprox. 28°C

TIEMPO (s)Viscosidad Dinámica

cP Pa∙ s313.25 444.875 0.444875

2. Viscosímetro Zahn

ACEITE DE ALMENDRAS

No. Copa K C Tiempo (s) V. Cinemática (cSt) Densidad G. E V. Dinámica (cP)

Zahn #1 1.1 29 63.16 37.576 887.4230.887423

33.34580665

Zahn #2 3.5 14 25.71 40.985 D. Agua 36.37103166

Zahn #4 14.8 5 6.93 28.564 1000 25.34835057

ACEITE DE RICINO

No. Copa K C Tiempo (s) V. Cinemática (cSt) Densidad G. E V. Dinámica (cP)

Zahn #1 1.129 158.17 142.087 947.293

0.947293134.5980205

Zahn #2 3.514 179.54 579.39 D. Agua 548.8520913

Zahn #4 14.8 5 44.44 583.712 1000 552.9462916

GLICERINA

No. Copa K C Tiempo (s) V. Cinemática (cS) Densidad G. E V. Dinámica (cP)

Zahn #1 1.1 29 109.59 88.649 1210.211.21021

107.2839063

Zahn #2 3.5 14 79.15 228.025 D. Agua 275.9581353

Zahn #4 14.8 5 25.51 303.548 1000 367.3568251

Las fórmulas para obtener viscosidad con el dispositivo Zahn solo están definidas para la viscosidad cinemática (cSt), para encontrar la viscosidad dinámica se debe multiplicar por la gravedad específica, la cual se obtiene por el cociente entre la densidad de la sustancia y la del fluido de referencia que comúnmente es el agua.

Se obtuvieron las densidades empíricamente, los resultados se muestran en la siguiente tabla.

SUSTANCIA Volumen (ml) Masa (gr) DensidadAceite de Ricino 100 94.7293 947.293Aceite de Almendras

96 85.1926 887.423

Glicerina 100 121.0210 1210.21

3. Viscosímetro Brookfield.

SUSTANCIAViscosidad Dinámica

cP Pa∙ sGlicerina 645 0.645Aceite de Ricino 1.26x103 1.26Aceite de Almendras 99 0.099

VI. ANÁLISIS

Al comparar los resultados obtenidos para cada sustancia en cada uno de los dispositivos se puede apreciar que existen notorias diferencias.

SustanciaViscosidad Dinámica (cP)

Zahn Brookfield Stormer

Aceite de Ricino

#1 134.598

1260 444.875#2 548.852#4 552.946

Glicerina #1 107.284

645 265.145

#2 275.958# 367.357

4

Aceite de Almendras

#1 33.346

99 -#2 36.371#4 25.348

Al hacer la comparación entre los resultados de viscosidades obtenidos con el dispositivo Zahn, entre las mismas copas se nota que hay diferencias significativas, aunque en los tres casos dos de los resultados están más cercanos y uno se aleja un poco más del grupo, esto puede ser debido a que, como se explicó con anterioridad, cada copa es válida para un rango de viscosidades establecido, al hacer los experimentos no se tomó en cuenta esta variante, y puede ser que haya afectado a los resultados dando valores diferentes de viscosidad para la misma sustancia.

Si se comparan los resultados, de cualquiera de las sustancias, obtenidos con dispositivo Zahn con y los del Brookfield la diferencia es algo considerable como para pasarla por alto. Es importante destacar que ambos dispositivos coinciden en los rangos de orden numérico, es decir, el aceite de ricino es el de viscosidad más alta, seguido por la glicerina y finalizando con el aceite de almendras.

Comparando el dispositivo Stormer con el Zahn, se puede notar que los resultados no son tan diferentes, como al hacer la comparación con el Brookfield de cualquiera de los dos. Podría considerarse el eliminar los resultados del dispositivo Brookfield por alejarse demasiado de los otros dos resultados, asumiendo que algo fallo en la prueba con este dispositivo, ya sea la calibración del mismo o alguna falla a la hora de operarlo.

VII. OBSERVACIONES

- Conel dispositivo Zahn se tuvieron algunos inconvenientes al realizar la medición, porque no se contaba con exceso de volumen de las sustancias por lo que en algunos casos la copa a penas y podía alcanzar a llenarse.

- Al armar el dispositivo Brookfield hubo algunos contratiempos para calibrarlo y a la hora de colocar la probeta que contenía la sustancia, ya que no cabía bien debajo del rotor, por lo que tuvimos que levantar el dispositivo y eso lo desequilibró.

- Para las comparaciones de los resultados de la glicerina se tomó la última medición con el dispositivo Stormer, que llego a 28°C la temperatura promedio ambiental de ese momento en ese lugar.

- El cálculo de las densidades se realizó empíricamente.

VIII. FUENTES DE INFORMACIÓN

- Mott R. L. Mecánica de Fluidos

- “Propiedades de los fluidos” Recuperado el 08 de Febrero de 2015 de

http://fcm.ens.uabc.mx/~fisica/FISICA_II/APUNTES/VISCOSIDAD.htm

“Viscosímetro de Stormer” Recuperado el 08 de Febrero de 2015 de

http://tecno.cruzfierro.com/cursos/fenomenos1/2013b/lab3

- Viscosidad. Consultado en: http://www.widman.biz/Seleccion/viscosidad.html, el

día 09 de Febrero de 2015

- Viscosimetro Brookfield Recuperado el 09 de Feb de 2015

http://www.instrumentacion.com.mx/HTML/VISCOSIMETROS.htm