Viscosidad de un líquido o fluido

Líquidos y fluidos newtonianos. Ostwald. Temperatura. Poiseuille. Stockes

  • Enviado por: Andrés Restrepo
  • Idioma: castellano
  • País: Colombia Colombia
  • 19 páginas

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OBJETIVOS

  • Conocer algunos métodos y equipos apra hacer mediciones de la viscosidad en líquidos newtonianos.

  • Reconocer la diferencia en el comportamiento de los fluídos newtonianos y los no newtonianos.

  • Identificar los factores determinantes de la viscosidad, y su nivel de incidencia según el estado y demás características del fluído.

  • Familiarizarnos con el uso del viscosímetro de Ostwald.

  • Determinar la influencia que tiene la temperatura y sus variaciones sobre la viscosidad de un fluído.

  • Aprender a manejar las unidades de medida de la viscosidad.

  • DATOS

    FLUÍDO

    MEDICIÓN

    NO

    TIEMPO

    min

    TEMPERA-

    TURA0C

    AGUA

    1

    0.2484

    22

    2

    0.2503

    22

    3

    0.2484

    0.0.

    22

    ETANOL

    1

    0.4675

    22

    2

    0.4446

    44.

    46s.

    22

    3

    0.4301

    3.01s

    22

    CLOROFORMO

    1

    0.1270

    23

    2

    0.1277

    0.0.

    23

    3

    0.1230

    23

    ISOPROPANOL

    1

    1.0936

    22

    2

    1.0892

    22

    3

    1.0851

    22

    ETER DE P. PETROLEO

    1

    0.1267

    0.1298

    22

    2

    0.1275

    22

    3

    0.1298

    22

    Peso del picnómetro seco: 23.7553 gr

    Peso del picnómetro con:

    Agua: 48.7614 gr

    Etanol: 44.1837 gr

    Isopropanol: 43.6225 gr

    Cloroformo: 60.7043 gr

    Eter de petróleo: 39.8343 gr

    Altura del capilar en el picnómetro: 7.5 cm.

    Radio del capilar: 0.5 mm

    Viscosidad teórica del agua a 220C: 0.9548

    Densidad del agua: 1gr/ml

    CÁLCULOS Y RESULTADOS

    Pesos de los líquidos:

    Agua: 48.7614 gr - 23.7553 gr = 25.0061 gr

    Etanol: 44.1837 gr - 23.7553 gr = 20.4284 gr

    Isopropanol: 43.6225 gr - 23.7553 gr = 19.8672 gr

    Cloroformo: 60.7043 gr - 23.7553 gr = 36.9490 gr

    Eter de petróleo: 39.8343 gr - 23.7553 gr = 16.0790 gr

    Tiempos promedio:

    Agua: 0.2500min

    Etanol: 0.4474 min

    Cloroformo: 0.1259 min

    Isopropanol: 1.0893 min

    Eter de petróleo: 0.1280 min

    Volumen en el picnómetro:

    V = masa(H2O) . = 25.0061gr = 25.0061ml

    (H2O) 1gr/ml

    Densidad de los líquidos:

     = masa del fluído .

    Volumen en el picn.

    Etanol  = 20.4284 gr = 0.8169 gr/ml

    25.0061 ml

    Propanol  = 19.8672 gr = 0.945 gr/ml

    25.0061 ml

    Cloroformo  = 36.9490 gr = 1.4776 gr/ml

    25.0061 ml

    Eter de petróleo  = 16.0790 gr= 0.6430 gr/ml

    25.0061 ml

    Viscosidad del agua: dsto teórico a 220C

     = 0.9548 cP

    Viscosidades relativas de los demás fluídos:

    ð ðððð ð ρðt1ðρðt2

    Líquido 1: H2O

    ððð 0.9548cP

    ρðð 1 gr/cm3

    t1= 0.2500 min= 25 s (promedio)

    ððð ρðt2 ð ðð ρðt1 ð ρðt2 * 0.9548 cP/ (1gr/cm3)(0.2500min)

    =3.8192 cPcm3/gr.min

    Etanol ð ð 0.4474min*0.8169 gr/cm3ð3.8192cPcm3/gr.min

    = 1.3958 cP

    Isopropanol ð ð 1.0893min*0.7945 gr/cm3*3.8192cPcm3/gr.min

    = 3.3062 cP

    Cloroformo ð ð 0.1259mni*1.4776 gr/cm3ð3.8192cPcm3/gr.min

    =0.7105 cP

    Eter de petróleo ð = 0.1280min*0.6430 gr/cm3*3.8192cPcm3/gr.min

    =0.3143 cP

    FLUÍDO

    DENSIDAD

    (g/ml)

     (Cp)

    AGUA

    1

    0.8169

    0.9548

    ETANOL

    0.8169

    1.3958

    CLOROFORMO

    1.4776

    0.7105

    ISOPROPANOL

    0.7945

    3.3062

    ETER DE P. PETROLEO

    0.6430

    0.3143

    RESPUESTAS AL CUESTIONARIO

  • Cómo se definen un fluído newtoniano y uno no newtoniano?

  • Los fluídos newtonianos son aquellos que fluyen como divididos en capas paralelas entre sí, que corren independientemente una de la otra pero que ejercen entre ellas una fricción o resistencia al movimiento, Estos obedecen la ley de Newton de la viscosidad.

    En los fluídos newtonianos existe una relación lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de deformación resultante. De esto podemos deducir que si consideramos un fluído determinado para el cual tomamos datos del tiempo de deformación bajo diferentes esfuerzos aplicados, deducimos las velocidades de deformación resultante y hacemos la gráfica que determinan dichos puntos, obtendremos una línea recta.

    En los fluídos no newtonianos en cambio, esa relación no es lineal. Estos no cumplen la ley de Newton; su viscosidad se ve afectada por deformación del fluído cuando este es batido, vertido po esparcido.

    Algunos otros fluidos se comportan de una manera conocida como plástica, no empiezan a fluir hasta que se haya aplicado un cierto esfuerzo (esfuerzo de cedencia). También existen las sustancias tixotrópicas cuya viscosidad depende de la deformación angular inmediatamente anterior de la sustancia y tiende a solidificarse cuando se encuentra en reposo.

    2. Cual es la espresión matemática de la ley de Newton?

    La ley de Newton para la viscosidad de un fluído newtoniano se expresa como:

     =  .

    du/dy

    Donde, du/dy se puede interpretar como la rapidez con que una capa de fluido se mueve respecto a otra capa adyacente,  es la viscosidad del fluido y  es el esfuerzo cortante.

    3. Explicar como la temperatura, el peso molecular y/o la estructura afectan la viscosidad de un líquido.

    La viscosidad depende de las fuerzas de cohesión y la rapidez de la transferencia de cantidad de movimiento entre moléculas. En un liquido las fuerzas de cohesión son mas grandes que en un gas debido a que las moléculas se encuentran más próximas entre sí.

    Al incrementarse la temperatura a un líquido, la cohesión disminuye y por lo tanto, también lo hace la viscosidad. En los gases es diferente, pues, en estos las moléculas están más separadas entre sí, por lo cual la viscosidad depende en mayor grado de la rapidez de transferencia de cantidad de movimiento, la cual, al aumentar temperatura también aumenta, es decir aumenta la viscosidad. los liquidos que tienen moleculas grandesy de formas irregulares son genralmente mas viscosos que los que tienen moleculas pequeñas y simetricas.

    4. Consultar una ecuación que exprese la variación de la viscosidad con la temperatura en un líquido. Cual es el significado de cada término?

     = AeE/RT

    : Viscosidad

    A: constante de activación.

    E: Energía de activación.

    T: Temperatura.

  • Como medir la viscosidad de un fluído no newtoniano, por ejemplo, la de un coloide.

  • Según algunos modelos acerca del comportamiento de los fluídos no newtonianos , se han obtenido algunas relaciones que expresan la viscosidad.

    Plásticos de Bingham: En estos, una vez se supera e esfuerzo de cedencia, el comportamiento es newtoniano.

    (t-tc)=-ðdu/dy

    tc: Viscosidad o rigidez plástica t>tc

    Pseudoplásticos: En estos, la viscosidad aparente, definida mediante

    ða=t/du/dy, disminuye al aumentar la tasa de corte o deformación.

    Se pueden modelar mediante una ley de potencia de la forma

    t=K(du/dy)n

    K: Coeficiente de consistencia.

    n: Indice de la ley de potencia o de comportamiento del fluído n<1

    Plásticos delatantes: La viscosidad aparemteaumenta con la tasa de corte. Se modelan con ley de potencia

    t=K(du/dy)n

    K: Coeficiente de consistencia.

    n: Indice de la ley de potencia o de comportamiento del fluído n>1

    Para coloides semisólidos se usa, a menudo, una forma de aparato que fuerza al material a atravesar un orificio o tubo capolar mediante una presión hidrostática conocida.

    ANÁLISIS DE RESULTADOS

    Aunque para encontrar la viscosidad absoluta uno de los factores es la densidad del fluído, los reultados obtenidos, comprobaron la afirmación de que no existe una relación de dependencia entre la viscosidad y la densidad o el volumen específico del fluído.

    Al comparar los datos obtenidos en el laboratorio con algunos datos teóricos de densidades absolutas, observamos que entre nuestros datos existe la misma relación o proporcionalidad que se presenta entre los datos teóricos, Siendo la mayor viscosidad, por ejemplo, la del Isopropanol, y la más pequeña la del éter de petróleo.

    Como trabajamos a una temperatura constante, no pudimos observar el efecto de este parámetro sobre la viscosidad del fluído, además observamos que no se incluye su efecto en la definición de viscosidad absoluta.

    Los tiempos de flujo medidos, nos dieron desde el principio una idea de cual sería el líquido más viscoso, y cual el más fluído. Después de la realización de los cálculos, pudimos comprobar que la viscosidad es directamente proporcional a este tiempo.

    CONCLUSIONES

    -La viscosidad es una propiedad física perfectamente medible y cuantizable de todos los fluídos.

    -Nos familiarizamos con el uso del viscosímetro de ostwald, valoramos su importancia en la medición de viscosidades relativas.

    -La temperatura influye de manera diferente en la viscosidad de los líquidos y en la de los sólidos, debido a que en los líquidos esta está determinada por la fueza de cohesión entre las moléculas, mientras que en los gasees, esta se debe en su mayor parte a la cantidad de movimiento entre las moléculas.

    -Los elementos polares, son más viscosos que los no polares.

    -Pudimos conocer el uso del picnómetro, y su utilidad para comprobar o medir densidades.

    -El viscosímetro de Ostwald es un instrumento adecuado para la medición de densidades relativas, sin embargo para coloides y otros fluído no newtonianos, se utilizan otros equipos que trabajan con presiones diferentes la atmosférica.

    -El menisco o curvatura que podemos observar cuando un líquido fluye por un capilar, se debe a su viscosidad.

    BIBLIOGRAFÍA

    WHITE, Frank M. Mecánica de fluídos, México,1983. McGraw-Hill.

    Pgs 27-32.

    STREETER, Victor L.,Mecánica de los fluídos. España 1968

    McGrawHill.

    CASTELLAN,Gilbert W. Fisicoquímica, Addison Wesley

    Iberoamericana, USA, 1987. Pgs 798-802.

    FLUIDO:

    Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente bajo la acción de una fuerza cortante o esfuerzo.

    Toda la materia en la naturaleza existe en dos estados: solido o fluido. Los fluidos comprenden tanto a los líquidos los cuales cambian fácilmente de forma, pero no de volumen, como a los gases los cuales cambian fácilmente de forma y volumen.

    Las propiedades de los fluidos caracterizan el estado o condición de un fluido, y representan de forma macroscópica la estructura microscópica (molecular) y el movimiento. Alguna de estas propiedades son:

    • Densidad

    • Volumen especifico

    • Peso específico

    • Densidad relativa

    • Presión

    • Temperatura

    • Viscosidad

    Los fluidos pueden clasificarse como newtonianos y no newtonianos. En los primeros existe una relación lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de deformación resultante. De esto podemos deducir que si consideramos un fluído determinado para el cual tomamos datos del tiempo de deformación bajo diferentes esfuerzos aplicados, deducimos las velocidades de deformación resultante y hacemos la gráfica que determinan dichos puntos, obtendremos una línea recta.

    En los fluidos no newtonianos esa relación no es lineal. Algunos otros fluidos se comportan de una manera conocida como plástica, no empiezan a fluir hasta que se haya aplicado un cierto esfuerzo (esfuerzo de cedencia). También existen las sustancias tixotrópicas cuya viscosidad depende de la deformación angular inmediatamente anterior de la sustancia y tiende a solidificarse cuando se encuentra en reposo.

    Muchos fluidos tales como el aire y otros gases, el agua y la mayoría de las soluciones simples son newtonianos, así como la mayoría de los productos derivados del petróleo. Las soluciones que contienen cadenas largas de polímero así como lodos y suspensiones, generalmente son no newtonianos.

    VISCOSIDAD:

    Es la propiedad de un fluido mediante la cual ofrece resistencia al corte. La melaza es un ejemplo de un liquido altamente viscoso, mientras que el agua y el aire tienen viscosidades muy pequeñas.

    La viscosidad depende de las fuerzas de cohesión y la rapidez de la transferencia de cantidad de movimiento entre moléculas. En un liquido las fuerzas de cohesión son mas grandes que en un gas debido a que las moléculas se encuentran más próximas entre sí.

    Al incrementarse la temperatura a un líquido, la cohesión disminuye y por lo tanto, también lo hace la viscosidad. En los gases es diferente, pues, en estos las moléculas están más separadas entre sí, por lo cual la viscosidad depende en mayor grado de la rapidez de transferencia de cantidad de movimiento, la cual, al aumentar temperatura también aumenta, es decir aumenta la viscosidad.

    Los líquidos newtonianos fluyen como si ellos estuvieran separados en capas, deslizándose una sobre la otra

    La ley de Newton para la viscosidad de un fluído newtoniano se expresa como:

     =  .

    du/dy

    donde, du/dy se puede interpretar como la rapidez con que una capa de fluido se mueve respecto a otra capa adyacente,  es la viscosidad del fluido y  es el esfuerzo cortante.

    Dichas capas tienen un espesor dy; la inferior se mueve a una veloscidad v y la superior a una velocidad v+dv . La fuerza cortante entre las dos capas, puede expresarse como esfuerzo cortante o de rozamiento por unidad de área en contacto.

     = FR .

    A*(dv/dy)

    Donde:

    FR: fuerza de rozamiento

    A: área en contacto

    La unidad inglesa de viscosidad es lb.s/pie2 ó slug/pie.s y la unidad en el sistema cgs, es llamada poise (P), es igual a dina.s/cm2 ó g/cm.s.

    En el sistema internacional, la unidad de viscosidad es kg/m.s ó N.s/m2, esta unidad es 10 veces más grande que un poise2.

    La viscosidad , se conoce normalmente con el nombre de viscosidad absoluta o viscosidad dinámica con el fin de diferenciarla de la viscosidad cinemática , que es el cociente de la viscosidad dinámica entre la densidad del fluido.

    La viscosidad proporciona una manera de cuantificar los adjetivos espeso y fluido como se aplica a los líquidos. Los líquidos espesos tienen una alta viscosidad y no fluyen con facilidad; lo contrario pasa con los líquidos fluidos. La densidad de un fluido tiene que ver muy poco con lo espeso. El aceite de un motor generalmente se considera como un líquido espeso, en particular cuando esta frío, pero es menos denso que el agua.

    FORMULA DE POISEUILLE

    la velocidad del flujo de un fluído en un tubo depende de las dimensiones del tubo, de la viscosidad del fluído y de la diferencia de presión entre los extremos del tubo. La ecuación de poiseuille expresa dicha velocidad así:

    V = g r4t .

    8L

    Donde:

    : coeficiente de viscosidad en poises

    V: volumen del líquido que fluye através del capilar en cm3

    L: longitud del capilar en cm

    T: tiempo de flujo en segundos

    g: gravedad 980cm/s2

    r: radio del capilar

    : densidad del líquido en g/cm3

    De la anterior ecuación podemos despejar el coeficiente de viscosidad

     = g r4t .

    8 V L

    Teniendo en cuenta que para un mismo instrumento de medida los únicos parámetros variables entre dos fluídos diferentes serían la densidad y el tiempo de flujo y tomando volúmenes de líquido iguales fluyendo bajo la misma presión de conducción, podemos expresar la razón entre la viscosidad de un líquido y la de otro líquido tomado como referencia, como:

    1/ 2 = 1t1 / 1t2

    LA ECUACIÓN DE STOCKES

    La viscosidad también se puede determinar utilizando un viscosímetro de caída de esfera. Este instrumento emplea la caída de una bola de vidrio o acero através de un tubo de vidrio casi vertical, lleno del líquido problema, a temperatura constante conocida, para determinar las viscosidades de diferentes sustancias. En este caso tomamos la ecuación

     = t(b - r)K

    Donde:

    : viscosidad del líquido en cP

    t: tiempo en segundos que demora la bola en recorrer la bola la distancia entre dos marcas del tubo con el líquido.

    b: densidad de la bola en g/cm3

    r: densidad del líquido a investigar en g/cm3

    K: constante de la bola en cp.cm3/g.s