Instrumentacion Practica 3.docx

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

PRACTICA EN CLASE: VISCOSIDAD

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Contenido OBJETIVOS........................................................................................................................................... 3 MARCO TEORICO ................................................................................................................................ 3 VISCOSIDAD EN ALGUNAS SUSTANCIAS ............................................................................................ 5 UNIDAD DE MEDIDA ........................................................................................................................... 5 VISCOSIDAD DINÁMICA ...................................................................................................................... 5 VISCOSIDAD CINEMÁTICA .................................................................................................................. 6 IMPORTANCIA..................................................................................................................................... 6 PROCEDIMIENTO. ............................................................................................................................... 6 DESARROLLO ....................................................................................................................................... 7 RESULTADOS. .................................................................................................................................... 10 CONCLUSIONES ................................................................................................................................. 12

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OBJETIVOS. 

Determinación de la viscosidad de ciertos líquidos.



Verificación de la viscosidad con respecto a los cambios de temperatura.

MARCO TEORICO La viscosidad de un líquido es la oposición que este presenta ante el flujo. Causada por grandes fuerzas intermoleculares que hacen que las moléculas ejerzan grandes fuerzas de rozamiento unas sobre otras. Tal como en la tensión superficial la fuerza intermolecular se ven afectadas por la inducción de energía térmica, sin embargo, hay líquidos que escapan a esta regla por la utilización de aditivos o por sus propiedades naturales. Entre más cerca del centro superficial del líquido se encuentren las moléculas estás fluirán con una relativamente menor viscosidad (fluirán con mayor facilidad). Notación: la densidad de un fluido cualquiera viscoso o no, es la explicación de sus fuerzas intermoleculares y no al revés. Las fuerzas intermoleculares determinan el volumen ocupado por cierta cantidad de masa de sustancia, y este volumen a su vez determina o condiciona el valor de la densidad Los líquidos a diferencia de los sólidos tienen la capacidad de poder fluir, es decir, si se pone en movimiento a un líquido, éste al moverse trata de permanecer todo junto, y es precisamente atribuido su virtud de ser viscosos. La Viscosidad es la resistencia que tienen las moléculas que conforman un líquido para separarse unas de otras, es decir, es la oposición de un fluido a deformarse y esta oposición es debida a las fuerzas de adherencia que tienen unas moléculas de un líquido o fluido con respecto a las otras moléculas del mismo líquido. Es importante resaltar que la viscosidad es una característica que está presente en los líquidos que se encuentran en movimiento, no se puede ver reflejada en un líquido que se encuentre estático debido a que si el líquido permanece fijo las moléculas que lo componen no tendrán la necesidad de interactuar entre sí para tratar de permanecer unidas. Cuan se muestra la viscosidad en un fluido el mismo está intentando oposición a su movimiento, que es dado ante la aplicación de una fuerza.

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Ilustración 1: Efecto de aumento de temperatura

Mientras más grandes sean las moléculas de un líquido mayor resistencia pondrán a su desplazamiento, por lo tanto en este caso se dice que estos fluidos son más viscosos debido a que el desplazamiento que pueden presentar sus moléculas se da de una manera más lenta (la razón es que las fuerzas intermoleculares que están presente en este líquido son más fuertes), en caso el contrario, cuando las moléculas que lo conforman son más pequeñas tendrán menor fuerza de oposición por lo que su movimiento será más rápido (presentan fuerzas intermoleculares débiles). El hecho de que un fluido sea más viscoso que otro quiere decir que tiene mayor oposición a su deformación, sin embargo, con la sola acción de aplicarle energía calórica (aumento de temperatura) a un fluido, ocasiona que disminuya su viscosidad, lo que provoca este pueda moverse de una manera mucho más rápida. A parte de los líquidos los gases también poseen la característica de la viscosidad debido a que estos también son fluidos o se pueden poner en movimiento, sin embargo, en este caso sus efectos suelen ser despreciables en vista que son tomados en cuenta como fluidos ideales.

Ilustración 2: Estructura molecular de fluidos comunes

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VISCOSIDAD EN ALGUNAS SUSTANCIAS Los coloides por lo general poseen una viscosidad elevada, entre ellos podemos mencionar la gelatina y el agar sustancias que mientras están calientes poseen una viscosidad determinada, y que al enfriarse forman geles en forma de masa elástica no fluida. Otros ejemplos de coloides: La leche, la pectina y la sangre.

Tabla 1: Información de ciertos gases y fluidos

Gas (0 °C)

Viscosidad dinámica: [μPa·s]

Líquidos

Viscosidad dinámica: [μPa·s]

Aire

17,4

Agua(20ºC)

1002

Hidrógeno

8,4

Leche(15ºCº en cp 1028 – 1032 centipoise)

Xenón

21,2

Sangre(en Pa.s)

3,5 x 10-3

UNIDAD DE MEDIDA VISCOSIDAD DINÁMICA La viscosidad de un fluido puede determinarse por un coeficiente, el coeficiente de viscosidad (η o μ) que es dependiente de la velocidad, asé tenemos:

En el sistema Internacional de Unidades (μ) = [Pa·s] = [kg·m-1·s1] El pascal-segundo (pa*s).

En el sistema cegesimal de unidades El poise (P), el nombre fue establecido en honor al fisiólogo francés Jean Louis Marie Poiseuille (1799-1869). 1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = [10-1 kg·s-1·m-1]

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VISCOSIDAD CINEMÁTICA Es el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad (ν = μ/ρ). En el sistema Internacional de Unidades Viscosidad cinemática [ν] = [m2.s1] En el sistema cegesimal de unidades Viscosidad cinemática [ν] = (St) St (stokes)

IMPORTANCIA Esta magnitud es muy importante conocerla al diseñar conductos para fluidos, acueductos, oleoductos, en las fábricas para el bombeo y traslado de los materiales que se procesan. Para la lubricación de motores de combustión, con el uso del aceite adecuado se logra una buena lubricación evitando el desgaste de las piezas del motor y logrando su buen funcionamiento.

PROCEDIMIENTO. 1. Se deposita una esfera en la columna de fluido. Se debe conocer el diámetro de la esfera con la ayuda de un hilo y una regla. 2. Cuando la esfera pasa por el punto o la marca de inicio, se activa el cronometro. De igual modo, al terminar el recorrido estipulado se detiene instantáneamente el cronometro. 3. Se anota cada experiencia y se procede a calcular la velocidad límite de la esfera y luego pues la viscosidad respectiva del líquido para las condiciones dadas.

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DESARROLLO 1. Se vierte en un vaso de precipitados un líquido conocido: agua / aceite de oliva con el objetivo de conocer su volumen.

Ilustración 4: Medición del volumen nominal del agua y aceite

2. Se conecta en serie, un circuito el cual contenga la entrada del sensor, un resistor, un led para comprobar su medición y la salida del sensor. Por medio de una tablilla de pruebas al microcontrolador seleccionado.

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3. Se vierte el agua y se comienza a codificar un algoritmo capaz de medir el tiempo, en base a la presencia magnética en un espacio de tiempo. Ilustración 5: Se realiza la conexión en serie con jumpers macho-macho.

4. Una vez el programa hecho, tomar un sólido con volumen conocido y realizar la prueba de tiempo. Tanto realmente, así como también comprobar la exactitud de la medición realizada por el programa, con la ayuda de dos sensores.

Ilustración 6: Agua y conexión listos

Ilustración 7: Corriendo el programa en la tarjeta

5. Dejar caer el sólido en suspensión, midiendo un tiempo cercano a los 5 segundos de recorrido y comprobando el funcionamiento del proyecto con un líquido de referencia.

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6. Una vez que se tiene veracidad del funcionamiento del proceso, el líquido es cambiado por uno menos sencillo de manipular, que a su vez ofrezca una mayor oposición del sólido. Ilustraciónal 8: paso Finalización de la prueba, medición del tiempo

Ilustración 9: Utilización del aceite de oliva en el experimento

Ilustración 10: Finalización de la medición del tiempo de recorrido para cálculo de la viscosidad en el aceite de oliva.”

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RESULTADOS. Cálculos y resultados analíticos de la práctica. Considerando las siguientes formulas: Formula de masa - peso 𝑤 =𝑚∙𝑔 ∴ 𝑚 =

𝑤 𝑔

Formula de viscosidad µ=

2 1 ∙ 𝑟 ∙ 𝑔(ρE − ρL) 9 𝑣

→ 𝑣=

𝑑 𝑡

considerando las siguientes equivalencias: 1 𝑐𝑝 = 0.01 1 𝑆𝑡 = 1

𝑔 𝑐𝑚𝑠

𝑐𝑚2 𝑠

Para los cálculos de la densidad de la esfera. Formula de densidad (esfera) ρ𝑠 =

𝑚 𝑣

=

0.0361𝑔 4.18881𝑐𝑚3

= 8595.98

𝐾𝑔 𝑚3

Formula de masa - peso 𝑤 = 𝑚 ∙ 𝑔 = (0.036𝐾𝑔)(9.81)

4 4 𝑣 = (𝜋)(𝑟 3 ) ∴ 𝑣 = (𝜋)(0.013 ) = 4.188𝑥10−6 𝑚3 3 3

Para los cálculos de la densidad del agua. 2 𝑚 𝐾𝑔 𝐾𝑔 𝑚 µ = (0.01𝑚2 ) (9.81 2 ) [8595.98 3 − 1000 3 ] [0.28 ]−1 9 𝑠 𝑚 𝑚 𝑠

µ=

0.9521𝐾𝑔 = 952.1 𝑐𝑃 𝑚𝑠 10

𝑣=

𝑑 0.23𝑚 𝑚 = = 0.575 𝑡 0.4𝑠 𝑠

Para los cálculos de la densidad del aceite. µ=

100𝑚𝑙 194𝑔

ρ𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = 800

µ𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 = 0.585 [

ρ𝑠 =

𝑚 𝑣

=

𝐾𝑔 𝑚3

𝐾𝑔 𝑚𝑠

] = 6585 𝑐𝑃

0.0361𝑔 4.18881𝑐𝑚3

= 8595.98

𝐾𝑔 𝑚3

ANALISIS DE RESULTADOS. En nuestra práctica, lo notamos como la facilidad con la que el balín atraviesa las capas del fluido en un rango de tiempo (expresado como velocidad) debido al aumento o disminución de energía cinética de los diferentes fluidos utilizados. La velocidad con que se mueve la esfera en el líquido, resulta determinante para el posterior cálculo de la viscosidad. Por tanto, el error humano debe ser mínimo a la hora de tomar este dato. La velocidad con que se mueve la esfera dentro del líquido, es una expresión de que tan fuerte son ala fuerzas intermoleculares (fuerzas de cohesión). Con base en esto se infiere que la viscosidad de un líquido depende más de sus fuerzas de cohesión que de su densidad.

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CONCLUSIONES González Díaz Luis Jaime

La viscosidad es una característica física importante para la mayoría de líquidos manufacturados y usados en la industria. El desarrollo de la práctica nos permitió entender la forma en que el cambio de esta variable afecta de manera importante todo un proceso, llegando incluso a la perdida de la materia prima. Como ingenieros en control debemos ser capaces de corregir estos errores, y asegurar mediciones confiables que, para el producto, garanticen una calidad óptima y garantizar la productividad. Eduardo Nicolás López Velázquez La determinación de la viscosidad de una substanciaba es imprescindible en el estudio de un sistema, ya que a partir de esta variable se podrá conocer el comportamiento de su flujo a través de una tubería y los cambios que este presentará con la variación de la temperatura. A su vez la viscosidad es una variable monitoreada en la calidad de los productos de grado alimenticio, ya que a partir de esta variable se podrá determinar el estado del producto y podrá observarse de manera indirecta otras variables relacionadas como la temperatura, densidad y peso. Monroy Luna Jessica Por medio de esta práctica pudimos observar la forma en que la velocidad es una variable clave para poder medir la viscosidad de un fluido. Para esta práctica se utilizaron conocimientos previos de fórmulas y sustituciones y la obtención de los resultados se logró a través de un microcontrolador programado para medir y realizar las variables y operaciones necesarias

Olvera Jimeno Juan Eduardo Al estudiar en esta práctica la variable analítica ¨Viscosidad¨ notamos que es imprescindible en muchos procesos industriales como en el alimenticio ya que con este podemos verificar la calidad de algún producto o sustancia, trabajamos con un sistema que nos permitió medir la viscosidad del aceite y la del agua como un punto de referencia, notamos como esta variable está sujeta a la temperatura del fluido ya que los cambios de esta afectan directamente a la viscosidad.

Reyes Amador Javier Abraham En la práctica que se realizó sobre el tema de viscosidad, aprendimos a medir analítica y experimentalmente un fenómeno magnético que excitaba dos sensores, a la salida y entrada de un ciclo basado en la viscosidad de un líquido, y su relativa oposición al paso de un sólido con volumen conocido, generando entonces una diferencia de volúmenes que 12

se consideran factor principal para el cálculo de la viscosidad en el fenómeno. Pudimos observar experimentalmente el valor de la señal medida, medir por medio de dos sensores magnéticos, el tiempo del recorrido de un sólido, dato con el cual se genera un algoritmo que resulte en el tiempo de recorrido.

Rosas Blancarte Mario Daniel La viscosidad de un líquido es afectada por la variación de temperatura, y no logra recuperar su valor inicial. De algún modo las fuerzas intermoleculares de un líquido viscoso se ven afectadas por los cambios de temperatura y no logran recuperarse o la energía cinética que se le induce a las moléculas permanece en ellas, en esta practica pudimos observar como hasta un grado de diferencia del fluido puede dar otros resultados completamente diferentes, inclusive lo que llego a pasar, que hubo ciertos resultados diferentes porque no consideremos que los fluidos estaban a temperaturas diferentes, una vez que entendimos eso pudimos terminar la práctica de una manera satisfactoria logrando lo que se buscaba, poder analizar la viscosidad de esos fluidos y ver que los resultados no son tan alejados.

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