Práctica 1 Medición de Viscosidades

Breve borrador de descripción de experimento realizado en la clase de Laboratorio Integral I.

1. 1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química
PRÁCTICA #1
“Medición de Viscosidades”


OBJETIVO GENERAL:
Determinar experimentalmente las viscosidades de diferentes sustancias a diversas
temperaturas utilizando tres diferentes viscosímetros.

Objetivos Específicos:
- Realizar mediciones de la viscosidad de glicerina, aceite de oliva y aceite para
bebé.
- Comparar los valores de viscosidad obtenidos utilizando diferentes viscosímetros
(Stormer, Zahn y Brookfield).
- Comparar los valores de viscosidad obtenidos a diferentes temperaturas.

MARCO TEÓRICO:
La viscosidad es la propiedad que representa la resistencia interna de un fluido al
movimiento o su “fluidez”. Responde a las pérdidas de energía asociadas con el transporte
de fluidos en ductos, canales y tuberías. Además, la viscosidad desempeña un papel
primordial en la generación de turbulencia. En la bibliografía, podemos encontrarnos con
dos definiciones de viscosidad, la viscosidad dinámica y la viscosidad cinemática.
 Viscosidad dinámica:
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.
En fluidos como el agua, el alcohol u otros líquidos comunes, la magnitud del esfuerzo
cortante es directamente proporcional al cambio de velocidad entre las posiciones
diferentes del fluido. El hecho de que el esfuerzo cortante sea directamente proporcional
al gradiente de velocidad se enuncia en forma matemática así:
??????= ??????(
Δ??????
Δ??????
)
Donde a la constante de proporcionalidad ?????? se le denomina viscosidad dinámica del
fluido. En ocasiones se emplea el término viscosidad absoluta. Las unidades para la
viscosidad dinámica en el Sistema Internacional son Pa∙s o kg/(m∙s). En el Sistema Inglés
son lb∙s/pie
2
o slug/(pie∙s). En el Sistema CGS son Poises (1 poise = dina∙s/cm
2
= g/(cm∙s)
= 0.1Pa∙s)
 Viscosidad cinemática:
Muchos cálculos de dinámica de fluidos involucran la razón (o cociente) de la
viscosidad dinámica en la densidad del fluido. Pon conveniencia, la viscosidad cinemática
?????? se define como:
??????=
??????
??????

Donde ?????? es la viscosidad dinámica del fluido y ?????? la densidad del mismo. Debido a que
éstas son propiedades del fluido, la viscosidad cinemática también lo es. Las unidades
para la viscosidad cinemática en el Sistema Internacional son m
2
/s. En el Sistema Inglés
son pie
2
/s. Y en el Sistema CGS son Stokes (1 stoke = 1 cm
2
/s = 1x10
-4
m
2
/s)
Las variables más importantes que afectan a la viscosidad son:
a) Velocidad de Deformación.
El estudio de la deformación y las características del flujo de las sustancias se
denomina reología (que estudia la viscosidad de los fluidos). Es importante saber si un

2. 2 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MEXICALI, Equipo Rojo, Ing. Química
fluido es newtoniano o no newtoniano. A cualquier fluido que se comporte de acuerdo
con la ecuación
??????= ??????(
Δ??????
Δ??????
)
se le llama fluido newtoniano. En este tipo de fluidos la viscosidad sólo es función de la
condición del fluido, en particular de su temperatura; la magnitud del gradiente de
velocidad no tiene ningún efecto sobre la magnitud de la viscosidad. A los fluidos más
comunes como el agua, aceite, gasolina, alcohol, keroseno, benceno y glicerina, se les
clasifica como newtonianos. A la inversa, a un fluido que no se comporte de acuerdo con
la ecuación anterior se le denomina fluido no newtoniano. La viscosidad del fluido no
newtoniano depende del gradiente de velocidad, además de la condición del fluido.
b) Temperatura.
La viscosidad es fuertemente dependiente de la temperatura. La mayoría de los
materiales disminuyen su viscosidad con la temperatura. Para líquidos más viscosos esta
dependencia es mayor, y ha de tomarse mayores precauciones en el control de la
temperatura. El propósito de aumentar la temperatura es disminuir la viscosidad mediante
el incremento de la velocidad de las moléculas y, por ende, tanto la disminución de sus
fuerzas de cohesión como también la disminución de la resistencia
c) Presión.
Si el incremento de presión se efectúa por medios mecánicos, sin adición de gas, el
aumento de presión resulta en un aumento de la viscosidad. Este comportamiento obedece
a que está disminuyendo la distancia entre moléculas y, en consecuencia, se está
aumentando la resistencia de las moléculas a desplazarse. La viscosidad de los líquidos
aumenta exponencialmente con la presión. Para presiones que difieren poco de la
atmosférica, del orden de un bar, los cambios son bastante pequeños. Por esta razón en
los usos de la mayoría de los fluidos este factor apenas se toma en consideración; pero
hay casos, como en la industria de lubricantes, donde las medidas de viscosidad han de
tomarse a elevadas presiones.
Existe una amplia variedad de viscosímetros para la medición de la viscosidad, como
viscosímetros por capilaridad, rotacionales, de orificio, de caída de una bala y
oscilatorios. En varios de los viscosímetros comerciales comunes se determina la
viscosidad cinemática a partir del tiempo de derrame (segundos) de un volumen fijo de
líquido por un tubo capilar o un orificio. En este tipo de instrumentos, los efectos cinético
y de admisión constituyen una parte básica de la resistencia al flujo.

 Viscosímetro Stormer:
Es un dispositivo rotatorio empleado
para determinar la viscosidad de las
pinturas, es muy usado en las industrias de
elaboración de pintura. Consiste en una
especie de rotor con paletas que se sumerge
en un líquido y se pone a girar a 100
revoluciones por minuto, se mide la carga
del motor para hacer esta operación. La
viscosidad se determina mediante el uso de
tablas.




Figura 1 Viscosímetro Stormer

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 Viscosímetro Zahn:
El paso de flujo a través de un orificio puede
utilizarse a menudo como una medida y clasificación
relativa de la viscosidad. La copa se sumerge en el
producto que se quiere medir y, a continuación, se vacía
por el orificio. Cada copa tiene una manija de 12
pulgadas enlazada para permitir que la copa sea
sumergida manualmente dentro de un envase
conteniendo líquido. En el centro de esta manija se
encuentra un anillo para sostener la copa en posición
vertical durante la prueba. Los resultados obtenidos se
expresan en Zahn-Segundos a temperatura específica
para cada taza en particular y se pueden convertir a
centistokes.

 Viscosímetro Brookfield:
Es el más común de los viscosímetros de rotación. Se basa en
el principio de la viscosimetría rotacional; mide la viscosidad
captando el par de torsión necesario para hacer girar a velocidad
constante un husillo inmerso en la muestra de fluido a estudiar. El
par de torsión es proporcional a la resistencia viscosa sobre el eje
sumergido, y en consecuencia, a la viscosidad del fluido. Los
viscosímetros Brookfield son de fácil instalación y gran
versatilidad y para su manejo no se necesitan grandes
conocimientos operativos.


MATERIALES:
- Glicerina.
- Aceite de Oliva.
- Aceite para Bebé (Aceite Mineral con fragancia).
- Parrilla eléctrica.
- 2 vasos de precipitados de 100 ml.
- 2 vasos de precipitados de 250ml.
- 1 vaso de precipitados de 600 ml.
- Termómetro.
- Cronómetro.
- Piseta.
- Guantes de protección.
- 7 lentes de seguridad.
- Viscosímetro Stormer.
- Viscosímetro Zahn.
- Viscosímetro Brookfield.

PROCEDIMIENTO:
Viscosímetro Stormer:
1. Poner a calentar agua en una parrilla hasta los 100°C.
2. Agregar el agua al equipo.
3. Agregar la sustancia a utilizar (aceite de oliva) y esperar 5 minutos.
Figura 2 Viscosímetros de orificio
Figura 3 Viscosímetro
Brookfield

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4. Colocar el termómetro y tomar la temperatura.
5. Acomodar el viscosímetro y realizar la primer medición, dejando caer la pesa y
tomando el tiempo en el que tarda en girar 100 revoluciones.
6. Tomar temperatura después de la lectura.
7. Repetir los pasos 5 y 6 de 10 a 15 veces.
8. Obtener una gráfica y ecuación para determinar las viscosidades con los datos
obtenidos y realizar comparaciones.
9. Retirar el agua y aceite, limpiar adecuadamente el equipo.

Viscosímetro Zahn:
1. Seleccionar la copa adecuada a utilizar.
2. Limpiar la copa apropiadamente.
3. Colocar la sustancia a utilizar (aceite de oliva o aceite para bebé) en un vaso de
precipitados de 600ml.
4. Sumergir el viscosímetro Zahn en la sustancia de 1 a 5 minutos y elevar suave y
rápidamente hasta que esté lejos de la misma.
5. Tomar el tiempo en el que tarda en escurrir toda la sustancia.
6. Limpiar adecuadamente el material utilizado.

Viscosímetro Brookfield:
1. Conectar el viscosímetro a la corriente eléctrica.
2. Acomodar y nivelar el viscosímetro.
3. Encender y calibrar el viscosímetro con respecto al husillo a utilizar.
4. Elegir el tipo de medición que se realizará (CP, SS o %).
5. Colocar el acople para sostener el envase de la muestra.
6. Colocar el husillo sin aplicar mucha fuerza, tomando ligeramente el rotor con una
mano.
7. Esperar a que la medición regrese a cero.
8. Colocar la sustancia (aceite de oliva o aceite para bebé) en el envase, procurando
que cubra la marca del husillo.
9. Acoplar el envase al viscosímetro.
10. Elegir las revoluciones por minuto.
11. Encender el motor para realizar la medición de viscosidad.
12. Anotar los datos obtenidos.
13. Limpiar el material utilizado.
14. Comparar con los demás resultados.

CÁLCULOS Y RESULTADOS:

 Viscosímetro Stormer:

Sustancia: Aceite de Oliva.
Repetición Temp.
Inicial (°C)
Tiempo (s) Temp. Final
(°C)
Viscosidad
(CP,
gráfica)
Viscosidad
(Pa*s)
1
2
3
4
5

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8
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Ecuación y gráfica de comportamiento:


 Viscosímetro Zahn:

Para obtener la viscosidad se utilizará la siguiente fórmula:
??????=??????(??????−??????)
donde:
k, c = constantes correspondientes
t = tiempo de flujo (s)
?????? = viscosidad cinemática (cst)

Sustancia: Aceite de Oliva
Densidad: 910 kg/m
3

Número de Copa:
Repetición Tiempo (s) Visccin (cst) Visccin (poises) Viscdin (Pa*s)
1
2
3
4
5


Sustancia: Aceite para Bebé
Densidad: 800 kg/m
3

Número de Copa:
Repetición Tiempo (s) Visccin (cst) Visccin (poises) Viscdin (Pa*s)
1
2
3
4
5


 Viscosímetro Brookfield:

Sustancia: Aceite para Bebé
Repetición Viscosidad (CP) Viscosidad (Pa*s)
1
2
3

Sustancia: Glicerina
Repetición Viscosidad (CP) Viscosidad (Pa*s)

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1
2
3


OBSERVACIONES:

ANÁLISIS:

ANEXOS:

Gráficas utilizadas para Viscosímetro Stormer:

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Tablas necesarias para Viscosímetro Zahn:

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FUENTES DE INFORMACIÓN:
Libros:
- Cengel, Yunus A. (2006). Mecánica de Fluidos: Fundamentos y Aplicaciones.
Editorial McGraw-Hill. Primer Edición. México. Págs. 46-50.
- Mott, Robert. (2006). Mecánica de Fluidos. Editorial Pearson Educación. Sexta
Edición. México. Págs. 26-43.
- Perry, Robert. (2001). Manual del Ingeniero Químico: Tomo II. Editorial
McGraw-Hill. Sexta Edición. México. Págs. 5-4, 5-6.
- Potter, Merle & Wiggert, David. (). Mecánica de Fluidos. Editorial Thomson.
Tercera Edición. México.
Internet:
- Empresa Twilight S.A. de C.V. Manual de Operaciones Copas de Viscosidad.
Consultado el Martes 03 de Febrero de 2015 en:
http://www.twilight.mx/pdfs/Viscosimetros/BL-Z1_Manual.pdf
- Empresa Twilight, S.A. de C.V. Instrumentos de Medición Industrial. Consultado
el Martes 03 de Febrero de 2015 en:
http://www.twilight.mx/Viscosimetros/Viscosimetros-Zahn.html
- Empresa Elcometer. Viscosidad. Consultado el Martes 03 de Febrero del 2015 en:
http://www.mli.com.mx/catalogo/Viscocimetros.pdf