Escurrimiento de líquidos viscosos

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ESCURRIMIENTO DE LÍQUIDOS VISCOSOS

Integrantes:

• Esteban Franquez Martínez.
• Sebastián González Parada.
• M. Belén Guerrero Oyarzún.
• Katherine San Martín Aguila

INTRODUCCIÓN

En el presente práctico se dará a conocer el fenómeno de fricción en fluidos y se cuantificará la fricción interna de un fluido a través de la viscosidad. Para ello se medirá la viscosidad mediante la caída libre de una esfera.

Además evaluaremos la variación de la viscosidad en función de la temperatura por medio de escurrimiento en capilares con el viscosímetro de Ostwald.

MARCO TEÓRICO

Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente al someterse a una tensión de corte, por muy pequeña sea ésta.

[pic 2] Deformación de un “sólido” por la aplicación de una fuerza tangencial.

Una fuerza de corte es la componente tangente a la superficie de la fuerza y esta fuerza,  dividida por el área de la superficie, es la tensión de cortadura media sobre el área considerada. La tensión de cortadura en un punto, es el límite del cociente de la fuerza cortante por el área cuando el área se reduce a cero en el punto.

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En la figura 1.1 se puede apreciar dos placas paralelas a la cual se le ha colocado una sustancia. En la placa superior se le aplica una fuerza “F” y la placa inferior está inmóvil. El movimiento de la placa superior origina una tención de cortadura F/Área en la sustancia colocada entre las placas y por muy pequeña que sea esta fuerza la lámina superior se moverá a una velocidad constante con lo que se puede concluir que la sustancia situada entre las láminas es un fluido.

El fluido en inmediato contacto con la pared sólida tiene la misma velocidad que la pared, es decir, no hay ningún desplazamiento del fluido sobre la pared superior. El fluido de área “abcd” se mueve hasta ocupar un área “ab’c’d” de manera que cada partícula fluida se mueve paralelamente a la lámina y la velocidad “u” varía uniformemente desde cero en la placa en reposo hasta “U” en la lámina superior. Como se demuestra que las magnitudes son constantes entonces “F” es directamente proporcional a “A” y a “U” e inversamente proporcional a “t”.

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“μ” es el factor de proporcionalidad que hace intervenir el efecto del fluido de que se trate. Como la tensión de cortadura es τ=F/A, entonces la ecuación anterior es

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La relación que existe entre U/t es la velocidad angular de la línea “ab”, o la velocidad angular de la deformación del fluido, así, la disminución del ángulo “bad” en función del tiempo. La velocidad angular se define entonces como la variación de la velocidad dividida por la distancia en la que se produce dicha variación. U/t también se puede escribir como du/dy que Puede ser considerado como el cociente de la velocidad con que una capa de fluido se mueve en relación a la capa adyacente. [pic 6]

        (1)          

Existe una proporcionalidad entre la tensión de cortadura y la velocidad de deformación angular de un movimiento unidimensional de un fluido. El factor de proporcionalidad se llama “VISCOSIDAD DEL FLUIDO” y la ecuación (1) corresponde a la Ley de Newton de la viscosidad. Newton consideraba el movimiento circular de los fluidos como parte de sus estudios de los planetas: “La resistencia que se observa debida  a la falta de lubricación en las partes de un fluido, es, siendo iguales las demás cosas, proporcional a la velocidad con que se separan una de otra las partes de un fluido”.

Los fluidos pueden clasificarse en:

• Fluidos newtonianos: Existe una relación lineal entre la tensión de corte aplicada y la velocidad de deformación resultante.  Por ejemplo, la fuerza de resistencia experimentada por una placa que se mueve, a velocidad constante [pic 7] por la superficie de un fluido viene dada por:

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Donde:

Fr = fuerza cortante (paralela a la velocidad)

A = área superficial del sólido en contacto con el fluido

μ = coeficiente de viscosidad dinámica

h= altura del nivel de fluido o distancia entre la placa horizontal y el fondo del recipiente que contiene al fluido.

• Fluidos no newtonianos: No existe una relación lineal entre la tensión de corte aplicada y la velocidad de deformación resultante.  

[pic 9]

En el diagrama reologico se puede observar las diferencias entre tipos de fluidos en comparación a la velocidad angular de deformación (du/dy) y la tensión de corte (τ). Un plástico ideal tiene una cierta tensión de corte inicial y por encima de ella existe una relación lineal constante entre τ y du/dy. Una sustancia tixotrópica, tal como la tinta de imprenta, tiene una viscosidad que depende de la deformación angular inmediatamente anterior, y tiende a un cierto valor cuando la sustancia está en reposo.

Por ende, los gases y líquidos ligeros se aproximarían a la definición de fluidos newtonianos, mientras que los líquidos pesados y los gases cercanos de su punto críticos corresponderían a fluidos no newtonianos.

Fluido ideal se le llama al fluido con viscosidad nula e incompresible.

La viscosidad dentro de las propiedades de los fluidos es la que requiere mayor atención por su naturaleza y características, así como sus dimensiones y los factores de conversiones de viscosidades absolutas y cinemáticas. La viscosidad es la propiedad del fluido en virtud de la cual éste ofrece resistencia a las tensiones de cortaduras. Para la ley de viscosidad de newton (ecuación 1.) establece que para la velocidad angular de deformación dada del fluido, la tensión de corte es directamente proporcional a la viscosidad.

La viscosidad de un gas aumenta con la temperatura, en cambio, la viscosidad de un líquido disminuye con la temperatura. Este comportamiento puede explicarse examinando las causas de la viscosidad:

        La resistencia de un fluido a la tensión de corte depende de su cohesión y grado de transferencia de cantidades de movimiento de sus moléculas. Así, por ejemplo, un líquido con moléculas mucho más cercanas que un gas, tiene unas fuerzas de cohesión mayor que éste. La cohesión parece ser la causante que predomina en la viscosidad de un líquido, es decir, como la cohesión disminuye con la temperatura, lo mismo pasará con un fluido líquido.

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