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INFORME 001-2017 A: ING. VICTOR BENIGNO ASCUÑA RIVERA DE: HUANCA PARQUI, CHRISTIAN JEAN ASUNTO: INFORME DE PRACTICAS FECHA: 11/03/17

TITULO:

“MEDICION DE VISCOSIDAD EN DIFERENTES FLUIDOS (AGUA, ALCOHOL, KEROSENE, ACEITE)” MARCO TEÓRICO: En este marco podemos recalcar la viscosidad de algunos fluidos en la cual a continuación especificamos que: 

La viscosidad de un fluido es una medida de su resistencia a las deformaciones graduales producidas por tensiones cortantes o tensiones de tracción. La viscosidad se corresponde con el concepto informal de "espesor". Por ejemplo, la miel tiene una viscosidad mucho mayor que el agua.

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La viscosidad es una propiedad física característica de todos los fluidos, el cual emerge de las colisiones entre las partículas del fluido que se mueven a diferentes velocidades, provocando una resistencia a su movimiento. Cuando un fluido se mueve forzado por un tubo, las partículas que componen el fluido se mueven más rápido cerca del eje longitudinal del tubo, y más lentas cerca de las paredes. Por lo tanto, es necesario que exista una tensión cortante (como una diferencia de presión) para sobrepasar la resistencia de fricción entre las capas del líquido, y que el fluido se siga moviendo por el tubo.

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Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. La viscosidad nula solamente aparece en superfluidos a temperaturas muy bajas. El resto de fluidos conocidos presentan algo de viscosidad. Sin embargo, el modelo de viscosidad nula es una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones.

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La viscosidad de algunos fluidos se mide experimentalmente con viscosímetros y reómetros. La parte de la física que estudia las propiedades viscosas de los fluidos es la reología.

EXPLICACIÓN DE LA VISCOSIDAD Imaginemos un bloque sólido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial (por ejemplo: una goma de borrar sobre la que se sitúa la palma de la mano que empuja en dirección paralela a la mesa.) En este caso (a), el material sólido opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma (b), tanto más cuanto menor sea su rigidez. Si imaginamos que la goma de borrar está formada por delgadas capas unas sobre otras, el resultado de la deformación es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las adyacentes, tal como muestra la figura (c). 1

En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad. Es su pequeña magnitud la que le confiere al fluido sus peculiares características; así, por ejemplo, si arrastramos la superficie de un líquido con la palma de la mano como hacíamos con la goma de borrar, las capas inferiores no se moverán o lo harán mucho más lentamente que la superficie ya que son arrastradas por efecto de la pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con facilidad. Igualmente si revolvemos con una cuchara un recipiente grande con agua en el que hemos depositado pequeños trozos de corcho, observaremos que al revolver en el centro también se mueve la periferia y al revolver en la periferia también dan vueltas los trocitos de corcho del centro; de nuevo, las capas cilíndricas de agua se mueven por efecto de la viscosidad, disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos de la cuchara. La viscosidad es característica de todos los fluidos, tanto líquidos como gases, si bien, en este último caso su efecto suele ser despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales. EXPRESIONES CUANTITATIVAS Existen diversos modelos de viscosidad aplicables a sustancias que presentan comportamientos viscosos de diferente tipo. El modelo o tipo de fluido viscoso más sencillo de caracterizar es el fluido newtoniano, que es un modelo lineal (entre el gradiente de velocidades y las tensiones tangenciales) pero también existen modelos no lineales con adelgazamiento o espesamiento por cortante o como los plásticos de Bingham. FLUIDO NEWTONIANO En un fluido newtoniano la fuerza de resistencia experimentada por una placa que se mueve, a velocidad constante por la superficie de un fluido viene dada por:

Donde: , fuerza cortante (paralela a la velocidad). , área de la superficie del sólido en contacto con el fluido. , coeficiente de viscosidad dinámica. , altura del nivel de fluido o distancia entre la placa horizontal y el fondo del recipiente que contiene al fluido. Esta expresión se puede reescribir en términos de tensiones tangenciales sobre la placa como:

Donde

es la velocidad del fluido.

VISCOSÍMETROS Tipos de viscosímetros Viscosímetro de tubo capilar: 2

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Viscosímetro de Ostwald Viscosímetro Ubbelohde Viscosímetro de Cannon-Fenske

Viscosímetros rotacionales     

Viscosímetro de Stormer Viscosímetro de Cono-Placa Viscosímetro de Cilindro Concéntrico Viscosímetro de Brookfield Viscosímetro de Tambor Giratorio

Viscosímetros empíricos   

Viscosímetro de Saybolt o Universal o Furol Viscosímetro Engler Viscosímetro Redwood

Viscosímetro de Hoppler 

Viscosímetro de caída de bola (Este viscosímetro únicamente sirve para fluidos transparentes)

VISCOSÍMETROS EMPÍRICOS

VISCOSÍMETRO DE SAYBOLT La facilidad con que un fluido fluye a través de un orificio de diámetro pequeño es una indicación de su viscosidad. Éste es el principio sobre el cual está basado el viscosímetro de Saybolt. Viscosidad Saybolt Universal.El tiempo correcto en segundos para dejar fluir 60 ml a través de un orificio Universal calibrado en condiciones específicas. Los valores de la viscosidad se dan en Segundos Saybolt Universal, abreviado SSU, a temperaturas específicas Estos viscosímetros se basan en el tiempo que requiere un determinado volumen de fluido en pasar libremente a través de un orificio normalizado. 180 𝑣 = ( 0,22 𝑥 𝑆𝑆𝑈) − 𝑆𝑆𝑈 En la actualidad el viscosímetro de Saybolt universal es uno de los más confiables debido a su excelente precisión, pero los antecedentes de este maravilloso invento, datan de finales del siglo XIX, en 1885 el Químico Inglés George M. Saybolt desarrolló un sistema para obtener la viscosidad de un líquido, la cual se obtiene midiendo el tiempo en segundos que tarda en escurrir, a través de un orificio calibrado. 3

Nos concentraremos en el viscosímetro de Saybolt, que será usado para medir derivados del petróleo, este nos ayuda a obtener una lectura de datos experimentales muy buena, y además arroja datos en SSU. La facilidad con que un fluido fluye a través de un orificio de diámetro pequeño es una indicación de su viscosidad. Éste es el principio sobre el cual está basado el viscosímetro de Saybolt. La muestra de fluido se coloca en un aparato parecido al que se muestra en la figura. Puesto que la medición no está basada en la definición fundamental de viscosidad, los resultados son solamente relativos. Sin embargo, sirven para comparar las viscosidades de diferentes fluidos. La ventaja de este procedimiento es que es sencillo y requiere un equipo relativamente simple. Se puede hacer una conversión aproximada de SSU a viscosidad cinemática. El uso del viscosímetro de Saybolt fue cubierto anteriormente por la norma ASTM D88. Sin embargo, dicha norma ya no es apoyada por la ASTM. Se le da preferencia ahora al uso de los viscosímetros capilares de vidrio descritos en las normas ASTM D445 D446 que son los métodos estándar de prueba para viscosidad cinemática de líquidos transparentes y opacos, y las especificaciones estándar e instrucciones de operación para viscosímetros cinemáticas capilares de vidrio, respectivamente. El viscosímetro Saybolt consiste esencialmente de un tubo cilíndrico de bronce en cuyo fondo está un orificio de dimensiones específicas. El tubo de bronce es rodeado por un baño a temperatura constante. Cuando la muestra en el tubo alcanza la temperatura de la prueba, se mide el tiempo requerido para que 60ml del líquido pasen a través del orificio. La muestra se recoge en un frasco estándar calibrado. La unidad de medida es el tiempo en segundos requeridos para que 60 ml de un fluido fluyan a través del orificio a una temperatura dada. Esto es reportado como segundos Saybolt universal (sus).

El viscosímetro Saybolt Furol: Utiliza el mismo principio que el universal, excepto que es diseñado con un orificio más grande para adaptarse a fluidos más viscosos. Existen dos tipos de diámetro de orificios calibrados de escurrimiento para el Viscosímetro Saybolt:  Punta Universal (SSU), líquidos livianos. Los valor es de viscosidad se dan en segundos Saybolt Universal, abreviado SSU, a temperaturas especificadas que oscilan entre 21 y 99°C (70 y 210°F)  Punta Furol (SSF), líquidos pesados donde los tiempos de caída sean superiores 250 segundos Saybolt Universal. Los valores de viscosidad se dan en segundos Saybolt Furol, abreviado SSF, a temperaturas especificadas, que están entre 120 y 240°C (248 y 464°F) Los equipos utilizados para ambos casos, difieren únicamente en los diámetros de los orificios calibrados de escurrimiento, siendo para Saybolt Universal Ø = 1.77mm ± 0,015mm y para Saybolt Furol (Fuel road oil) Ø = 3.15mm ± 0,020 mm. 4

MATERIALES:     

01 viscosímetro Saybolt 01 vaso de precipitados de 250ml 200ml gasolina Cronometro Trapo pequeño

MARCO EXPERIMENTAL:  

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Medir 200ml de gasolina en un vaso de precipitados de 250 ml. Verificar que el viscosímetro a usar este en buenas condiciones de uso, si es posible echar agua antes de hacer la experimentación para comprobar que el orificio este abierto, también poner un dedo en la boquilla del orificio para comprobar que la válvula de flujo este en buenas condiciones. Echar los 200ml de gasolina en el recipiente del viscosímetro Saybolt. Tomar el tiempo de inicio una vez que se tenga todo listo para iniciar la experimentación (abrir la válvula) Tomar el tiempo en que se vacía completamente el recipiente del viscosímetro. Hacer la misma prueba 10 veces.

RESULTADOS: El fluido se coloca en una "viscosímetro" (un tubo capilar calibrado que se utiliza para la medición precisa del flujo entre dos puntos premarcados en el tubo) y precalentado hasta una temperatura determinada en un baño de viscosidad (que a menudo está lleno de aceite). Después de que el aceite alcanza la temperatura de la viscosidad deseada, en el viscosímetro se inicia el flujo del aceite influenciado por la gravedad, y se toma el tiempo entre dos puntos calibrados. Este tiempo determina el resultado. El corte de los lubricantes se produce cuando sus moléculas se dividen en partes aun más pequeñas. Esto puede producirse por dos procesos básicos: calor y presión del sistema (esto puede afectar aun la base, aunque se aplica más aptamente a cualquier mejorador del índice de viscosidad que pueda haber estado presente), el corte mecánico, como por ejemplo un aro rascaceite contra una pared de cilindro, atrapando las moléculas del lubricante y separándolas. ÍNDICE DE VISCOSIDAD Es una medida de la resistencia del lubricante a la dilución a medida que la temperatura aumenta, una propiedad importante, especialmente en climas fríos: se desea una viscosidad Baja para que se pueda bombear, pero luego se desea que el lubricante siga siendo lo suficientemente espeso para brindar una resistencia de la película a temperatura de operación. Los mejoradores VI con base de polímeros, ayudan a lograr esto en los aceites para motores en particular. VI es el título utilizado en el análisis de lubricantes de motores. ISES ÷ DENSIDAD. La gravedad especifica esta definida como el peso unitario del material dividido por el peso unitario del agua destilada a 4 grados centígrados. Se representa la Gravedad Especifica por Gs, y también se puede calcular utilizando cualquier relación de peso de la sustancia a peso del agua siempre y cuando se consideren volúmenes iguales de material y agua. 5

Gs = Ws/v / Ww/v Esta prueba de gravedad específica es llevada a cabo en una muestra de suelo a manera de ejemplo de cómo se realiza en un material. Pesamos un matraz vacío, el cual debe estar limpio y seco, al cual se le agrega una cantidad de agua hasta la línea de aforo, luego se la agrega una cantidad de suelo, aproximadamente 50 gramos, el cual debe pasar por el tamiz 40, y debe estar seco al aire. Luego se saca todo el aire de la mezcla de agua y suelo, lo cual se hace colocando al baño de Maria el matraz con el suelo, y luego colocándolo en una bomba de vacío, repitiendo este ciclo por varias horas, hasta que se determine que el aire del matraz ha salido completamente. Luego se enrasa la cantidad de agua que hace falta, para llegar a la línea de aforo, y se saca el aire nuevamente, si es necesario. El proceso de sacar el aire debe durar de 6 a 8 horas para suelos plásticos, y de 4 a 6 horas para suelos de baja plasticidad. Luego de tener el matraz con la cantidad de agua especificada, se procede a pesar el matraz el cual contiene agua y suelo, al mismo tiempo que se le toma la temperatura al agua que esta dentro del matraz. Luego de haber pesado el matraz, la mezcla de agua suelo, se lleva a una cápsula, en donde se colocara al horno, mínimo por 24 horas, para asegurarnos de que la muestra este totalmente seca, y luego se pesa la cápsula. Hay que tener en cuenta de hallar el peso de la cápsula limpia y seca, para poder hallar luego que peso hay de suelos, restando estos dos pesos. Tenemos que Gs = A Ws / Wma + Ws - Wmas Teniendo en cuenta que A es la corrección por temperatura que se debe hacer a la muestra, y depende de la siguiente tabla. Hallamos el peso del matraz con agua a la temperatura de calibración, según la curva de calibración del matraz, la cual a una temperatura de 26.5 grados centígrados nos dio un valor de 635.3 gramos. El peso del Matraz vacío nos dio un Valor de 136.85 gramos. El peso del Matraz con agua, suelo nos dio un peso de 643.93 gramos, y la corrección por temperatura, A = 0.9986, a 26 grados centígrados. Haciendo los cálculos, de acuerdo a la formula enunciada anteriormente, la gravedad específica nos da un valor de: Gs = 1.041 MUESTRA

MINUTO

SEGUNDO

MICROSEGUNDO

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

4 2 1 2 7 1 4 4 1 0 2.6

32 89 92 38 4 89 5 26 5 87 46.7

PROMEDIO

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CONCLUSIONES:  

La viscosidad de la gasolina es de 2.9 x 10-4 N.s/m2 La principal desventaja de los viscosímetros de tubo capilar es el error que aumenta debido a la perdida de cabeza de presión y otros parámetros. • Los viscosímetros de galerías tienen algunas inexactitudes inherentes. • La medida se hace rápido (5 a 6 min máximo, dependiendo del tipo de emulsión), pero la preparación de la muestra y la limpieza del equipo ocupa más del 90% del tiempo del laboratorista (aproximadamente más de 1h) para determinar la viscosidad de una muestra. • Adicionalmente se requiere el uso de equipo auxiliar como horno o baño de agua para acondicionar la muestra.

BIBLIOGRAFIA:    

Hatschek, Emil (1928). The Viscosity of Liquids. New York: Van Nostrand. Massey, B. S.; A. J. Ward-Smith (2011). Mechanics of Fluids (Ninth edición). London; New York: Spon Press. “Characterization of Emulsified Asphalts: Present and Future”, Delmar Salomon, Pavement Performance Prediction Symposium, 2010 “New Test Method for Viscosity and Development of a Fast Residue Recovery Method for Emulsified Asphalts: Digital Paddle Viscometer (DPV) and Moisture Analyzer Balance (MAB)”, Delmar Salomon, 2013.

SIGNATURA:

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