Guia de viscosidad

1. Autor

Nombre:        Eduardo Castro Barrios Perfil profesional:        Ingeniero Civil

Programa:        Tecnología en Gestión Ambiental Industrial Correo:        fluidosfitco@gmail.com

Teléfono:        3013776212

1. Generalidades

La densidad de una sustancia homogénea es una propiedad física que la caracteriza y está definida como el cociente entre la masa y el volumen de la sustancia que contenga dicha masa. Es una propiedad que depende de la temperatura, por lo que al medir la densidad de una sustancia se debe considerar la temperatura a la cual se realiza la medición.

Por otro lado la viscosidad de un fluido está relacionada con la rapidez con que se deforma éste cuando se le aplican esfuerzos cortantes, en resumen, se puede decir que la viscosidad es una medida de la resistencia a fluir de un fluido. Aquellos fluidos cuya viscosidad es constante a diferentes ratas de deformación y esfuerzos cortantes, se les denomina Newtonianos.

1. Objetivo de la práctica

• Determinar la densidad de diferentes líquidos a partir de la medición del volumen que ocupe en un recipiente y su respectiva masa.

• Determinar la viscosidad de cada uno de los líquidos mediante la aplicación de la ley de Stokes y un viscosímetro de bola.

1. Marco teórico

Se le pidió a los estudiantes previamente que investigaran sobre:

1. Densidad de líquidos
2. Viscosidad de fluidos

1. Densidad de Fluidos

La densidad de un fluido se define como la relación entre la masa y el volumen que ocupa dentro de un recipiente.

Donde:

m: Masa (kg)

∀ : Volumen (m3)

ρ = m

∀[pic 1]

(kg/m3)

Es importante anotar que las densidades de los líquidos son en esencia constantes y la mayoría de las veces se pueden tomar de madera aproximada como si fueran sustancias incompresibles, mientras que para los gases no es así ya que dependen de la presión y temperatura a la que se encuentren. Por eso es importante recordar la dependencia de la temperatura.

1. Viscosidad de un fluido

La viscosidad de un fluido es una medida de su resistencia a la deformación, es decir que la viscosidad se debe a la fuerza de fricción interna que se desarrolla entre las diferentes capas de los fluidos a medida que se obligan a moverse una con relación a las otras. En los líquidos, la viscosidad se origina por las fuerzas de cohesión entre las moléculas, mientras que en los gases por las colisiones moleculares, además de que ésta varía mucho con la temperatura.

Por otro lado, para número de Reynolds muy bajos, la fuerza de arrastre que actúa sobre un objeto esférico es proporcional al diámetro, la velocidad y la viscosidad del fluido.

El movimiento de un cuerpo en un medio viscoso es influenciado por la acción de una fuerza viscosa, Fv, proporcional a la velocidad, V, es definida por la relación Fv = bV, conocida como Ley de Stokes. En el caso de esferas en velocidades bajas Fv = 3πµRV, siendo R el radio de la esfera y µ el coeficiente de viscosidad del medio.

Se puede verificar que la velocidad aumenta no uniformemente con el tiempo pero alcanza un valor límite, que ocurre cuando la fuerza resultante fuese nula. Las tres fuerzas que actúan sobre la esfera son además de la fuerza viscosa, el peso de la

esfera, y el empuje. Igualando la resultante de esas tres fuerzas a cero obtenemos la velocidad límite VL.

D2 (ρ  − ρ )g

V        = e        s         L                18μ

(Ecuación 1)

Donde:

D: Diámetro de la esfera en m.

ρe : Densidad de la esfera en kg/m3.

ρ s : Densidad de la sustancia en kg/m3.

g: aceleración de la gravedad en m/s2.

μ : Viscosidad de la sustancia en kg/m*s.

De esta manera es posible determinar la viscosidad del fluido, conociendo la velocidad límite, la densidad de la esfera y del líquido y el diámetro de la esfera.

1. Metodología

1. Materiales, equipos y/ o reactivos

1. 500 ml de líquidos de diferentes viscosidades (agua, aceite, shampoo, miel, alcohol, etc.)
2. Un vaso de precipitados graduado.
3. Un Picnómetro
4. Una probeta graduada.
5. Balanza
6. Termómetro
7. Regla o fluxómetro
8. Vernier
9. esfera metálica y/o de cristal

1. Procedimiento

Parte I. Determinar la densidad de la esfera y el líquido.

En la balanza y con ayuda de un recipiente determine la masa de la esfera y del líquido a emplear.

Para la esfera

En cada paso vaya anotando los datos en el cuadro 1.

1. Coloque el recipiente vacío sobre la balanza y determine su masa.
2. Coloque dentro del recipiente la esfera y determine la masa total.
3. Para calcular la masa de la esfera, reste de la masa total la masa del recipiente.
4. Mida el diámetro de la esfera con un Vernier, Palmer en su defecto con una regla. Realizar tres medidas rotando la esfera y determinando un valor promedio del diámetro.

1. Determine el volumen de la esfera con la fórmula geométrica.
2. Determine la densidad de la esfera.

Cuadro 1. Densidad de la esfera

Para el líquido

En cada paso vaya anotando los datos en el cuadro 2.

1. Coloque el vaso de precipitados vacío (o picnómetro) sobre la balanza y determine su masa.
2. Vierta en el vaso de precipitados lo más exactamente posible de acuerdo a las marcas de graduación (por ejemplo 100 ml) la cantidad de fluido necesaria o use el picnómetro de un volumen conocido (por ejemplo 5 ml), del fluido a estudiar y determine la masa total en la balanza.
3. Para calcular la masa del líquido, reste de la masa total la masa del vaso de precipitados.
4. Como el volumen es conocido (100 ml = 100 cm3), y la masa también, la densidad se puede determinar.

Cuadro 2. Densidad del líquido

Parte II. Determinar la viscosidad del líquido.

1. Llene la probeta con el líquido a estudiar hasta una altura máxima sin que se vaya a derramar cuando se introduzca la esfera. Mida su temperatura y anótela. (ver figura 1)
2. Haga dos marcas sobre la probeta separadas a una distancia d determinada, entera si es posible. (ver figura 1). Si la probeta no es suficientemente grande, tome toda la longitud de la misma para calcular la velocidad de caída.
3. Prepare el cronómetro. Deje caer la esfera en la probeta y mida el tiempo que emplea en pasar por las dos marcas.
4. Vacíe la probeta para sacar la esfera y repita este proceso tres (3) veces. Halle el promedio de los tiempos medidos y determine la velocidad de caída de la esfera con d/tprom.
5. Cambie de líquido y repita los pasos de a) a d).
6. Asumiendo que la velocidad de caída es igual a la velocidad límite, determine un valor aproximado de la viscosidad del líquido de la ecuación 1.
7. Determine en cada caso el número de Reynolds y verifique que la ecuación es aplicable al experimento.

Marcas[pic 2][pic 3][pic 4]

d[pic 5]

Figura 1. Esquema del Montaje

Fuente: Tomado y modificado de http://www.estalista.cl/product_info.php?products_id=6430

Recuerden que el número de Reynolds se calcula con la siguiente ecuación:

          [pic 6]

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