Física

Viscosímetro Saybolt

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INSTITUTO TECNOLOGICO

DE LEON

Departamento: Metal-Mecánica

Especialidad: Ingeniería Electromecánica

Materia:

Mecánica de fluidos

Tarea:

Viscosímetro Saybolt y determinación experimental de las propiedades de los fluidos

Fecha de entrega:

14 de febrero de 2005

INDICE

OBJETIVO

INTRODUCCION

CONTENIDO

VISCOSÍMETRO UNIVERSAL SAYBOLT

DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSÍMETRO SAYBOLT

DETERMINACION DE LA DENSIDAD DE UN LÍQUIDO

CÁLCULO DE LA DENSIDAD EN LOS SÓLIDOS:

PRUEBA DE VISCOSIDAD

ÍNDICE DE VISCOSIDAD

DETERMINACION DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA

MEDICIÓN DE LA TENSION SUPERFICIAL

TENSIOMETRO DE DUNOÜY

METODOS DEL VOLUMEN Y DEL PESO DE GOTA

ESTALAGNOMETRO

ASCENSO CAPILAR

BIBLIOGRAFIA

OBJETIVO

Conocer los métodos de obtención de las propiedades de los fluidos así como la operación y características del viscosímetro Saybolt.

INTRODUCCION

En la mecánica de fluidos es de vital importancia el conocimiento de las propiedades de los fluidos a estudiar ya que de ellos depende de manera directa la obtención de datos imprescindibles para el cálculo en un problema como lo es la viscosidad de un aceite o la densidad de una sustancia.

Esta es una de las razones por la cual es necesario el conocer de donde se obtienen estos datos de gran valor para el estudio de los fluidos ya que estos fueron obtenidos por experimentación ordenada. Por ejemplo para la obtención de la viscosidad de una sustancia se utiliza un instrumento conocido como viscosímetro y uno de ellos es el viscosímetro Saybolt del cual hablaremos más adelante.

En este trabajo se trata de definir lo que es el viscosímetro Saybolt y algunas de las propiedades de los fluidos.

CONTENIDO

VISCOSÍMETRO UNIVERSAL SAYBOLT

La facilidad con que un fluido fluye a través de un orificio de diámetro pequeño es una indicación de su viscosidad. Éste es el principio sobre el cual está basado el viscosímetro de Saybolt. La muestra de fluido se coloca en un aparato parecido al que se muestra en la figura.

Después de que se establece el flujo, se mide el tiempo requerido para colectar 60 mL del fluido. El tiempo resultante se reporta como la viscosidad del fluido en Segundos Universales Saybolt (SSU o. en ocasiones, SUS).

Puesto que la medición no está basada en la definición fundamental de viscosidad, los resultados son solamente relativos. Sin embargo, sirven para comparar las viscosidades de diferentes fluidos.

La ventaja de este procedimiento es que es sencillo y requiere un equipo relativamente simple. Se puede hacer una conversión aproximada de SSU a viscosidad cinemática. En las figuras siguientes se muestran el viscosímetro de Saybolt disponible comercialmente y la botella de 60 mL que se utiliza para colectar la muestra.

El uso del viscosímetro de Saybolt fue cubierto anteriormente por la norma ASTM D88. Sin embargo, dicha norma ya no es apoyada por la ASTM.. Se le da preferencia ahora al uso de los viscosímetros capilares de vidrio descritos en las normas ASTM D445 D446 que son los métodos estándar de prueba para viscosidad cinemática de líquidos transparentes y opacos, y las especificaciones estándar e instrucciones de operación para viscosímetros cinemáticas capilares de vidrio, respectivamente.

'Viscosímetro Saybolt'

DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON UN VISCOSÍMETRO SAYBOLT

El viscosímetro Saybolt consiste esencialmente de un tubo cilíndrico de bronce en cuyo fondo esta un orificio de dimensiones especificas.

El tubo de bronce es rodeado por un baño a temperatura constante. Cuando la muestra en el tubo alcanza la temperatura de la prueba, se mide el tiempo requerido para que 60ml del líquido pasen a través del orificio.

La muestra se recoge en un frasco estándar calibrado.

La unidad de medida es el tiempo en segundos requeridos para que 60 ml de un fluido fluyan a través del orificio a una temperatura dada. Esto es reportado como segundos Saybolt universal (sus).

Por ejemplo: 350 sus a 100ºf.

El viscosímetro Saybolt Furol:

Utiliza el mismo principio que el universal, excepto que es diseñado con un orificio más grande para adaptarse a fluidos más viscosos.

DETERMINACION DE LA DENSIDAD DE UN LÍQUIDO

En este ejemplo, se explica el funcionamiento de un aerómetro mediante un modelo simple, consistente en un cilindro de densidad y altura fijado por el programa interactivo. Este es también un ejercicio sencillo de aplicación del principio de Arquímedes. La figura siguiente muestra un aerómetro:

'Viscosímetro Saybolt'

Fundamentos físicos

Para un cuerpo en equilibrio que flota sobre la superficie de un líquido, tenemos que el peso es igual al empuje

mg=fVg

Conocida la masa del cuerpo y el volumen de la parte sumergida, podemos determinar la densidad del líquido. En esto se basan los aerómetros o flotadores de masa conocida que se sumergen en el líquido de densidad desconocida. Disponen de una escala graduada, que nos proporcionan mediante lectura directa la densidad del líquido. La superficie libre del líquido marca el valor de la densidad en la escala del aerómetro.

Dependiendo de la aplicación concreta los aerómetros reciben nombres específicos: alcohómetros, sacarímetros, etc.

'Viscosímetro Saybolt'

Nuestro aerómetro es un sólido de forma cilíndrica de 25 cm de altura y densidad 0.5 g/cm3 que se sumerge parcialmente en el líquido cuya densidad se quiere determinar.

Midiendo en la escala graduada la parte del cilindro que está sumergida podemos fácilmente determinar la densidad del fluido.

El cuerpo está en equilibrio flotando en el líquido, bajo la acción de dos fuerzas, su peso y el empuje del fluido.

Peso=empuje

sgSh=f·gSx

sh=f x

Donde s es la densidad del cuerpo sólido, S su sección, h su altura. f es la densidad del fluido y x la parte del sólido que está sumergido en el líquido.

Ejemplo:

Sea agua el líquido de densidad desconocida

Observamos que el cilindro se sumerge hasta una altura x=12.5 cm

0.5·25=f 12.5

Se despeja f =1.0 g/cm3

Cuando no se cuenta con un aerómetro lo que se hace es tomar una muestra del líquido en un recipiente y, utilizando una probeta y la balanza electrónica, calcular las masas que tienen diferentes volúmenes del líquido. A continuación, dividimos cada medida de la masa del líquido por el volumen que ocupa.

Puede observarse que los cocientes obtenidos con las medidas del líquido son iguales entre sí.

CÁLCULO DE LA DENSIDAD EN LOS SÓLIDOS:

Para hallar la densidad, utilizaremos la relación:

= m / V

Lo primero que haremos será, determinar la masa del sólido en la balanza.

Para hallar el volumen:

Cuerpos regulares: Aplicaremos la fórmula que nos permite su cálculo. Si es necesario conocer alguna de sus dimensiones las mediremos con el calibre, la regla o el instrumento de medida adecuado.
Cuerpos irregulares: En un recipiente graduado echaremos agua y anotaremos su nivel. Luego, sumergiremos totalmente el objeto y volveremos a anotar el nuevo nivel, La diferencia de niveles será el volumen del sólido.

Todas las medidas las realizaremos, por lo menos, tres veces y calcularemos la media aritmética para reducir errores.

PRUEBA DE VISCOSIDAD

El fluido se coloca en una "viscosímetro" (un tubo capilar calibrado que se utiliza para la medición precisa del flujo entre dos puntos premarcados en el tubo) y precalentado hasta una temperatura determinada en un baño de viscosidad (que a menudo está lleno de aceite). Después de que el aceite alcanza la temperatura de la viscosidad deseada, en el viscosímetro se inicia el flujo del aceite influenciado por la gravedad, y se toma el tiempo entre dos puntos calibrados. Este tiempo determina el resultado.

El corte de los lubricantes se produce cuando sus moléculas se dividen en partes aun más pequeñas. Esto puede producirse por dos procesos básicos: calor y presión del sistema (esto puede afectar aun la base, aunque se aplica más aptamente a cualquier mejorador del índice de viscosidad que pueda haber estado presente), el corte mecánico, como por ejemplo un aro rascaceite contra una pared de cilindro, atrapando las moléculas del lubricante y separándolas.

ÍNDICE DE VISCOSIDAD

Es una medida de la resistencia del lubricante a la dilución a medida que la temperatura aumenta, una propiedad importante, especialmente en climas fríos: se desea una viscosidad Baja para que se pueda bombear, pero luego se desea que el lubricante siga siendo lo suficientemente espeso para brindar una resistencia de la película a temperatura de operación. Los mejoradores VI con base de polímeros, ayudan a lograr esto en los aceites para motores en particular. VI es el título utilizado en el análisis de lubricantes de motores.

ISES ÷ DENSIDAD.

DETERMINACION DE LA GRAVEDAD ESPECÍFICA

La gravedad especifica esta definida como el peso unitario del material dividido por el peso unitario del agua destilada a 4 grados centígrados. Se representa la Gravedad Especifica por Gs, y también se puede calcular utilizando cualquier relación de peso de la sustancia a peso del agua siempre y cuando se consideren volúmenes iguales de material y agua.

Gs = Ws/v / Ww/v

Esta prueba de gravedad específica es llevada a cabo en una muestra de suelo a manera de ejemplo de cómo se realiza en un material.

Pesamos un matraz vacío, el cual debe estar limpio y seco, al cual se le agrega una cantidad de agua hasta la línea de aforo, luego se la agrega una cantidad de suelo, aproximadamente 50 gramos, el cual debe pasar por el tamiz 40, y debe estar seco al aire. Luego se saca todo el aire de la mezcla de agua y suelo, lo cual se hace colocando al baño de Maria el matraz con el suelo, y luego colocándolo en una bomba de vacío, repitiendo este ciclo por varias horas, hasta que se determine que el aire del matraz ha salido completamente. Luego se enrasa la cantidad de agua que hace falta, para llegar a la línea de aforo, y se saca el aire nuevamente, si es necesario. El proceso de sacar el aire debe durar de 6 a 8 horas para suelos plásticos, y de 4 a 6 horas para suelos de baja plasticidad.

Luego de tener el matraz con la cantidad de agua especificada, se procede a pesar el matraz el cual contiene agua y suelo, al mismo tiempo que se le toma la temperatura al agua que esta dentro del matraz.

Luego de haber pesado el matraz, la mezcla de agua suelo, se lleva a una cápsula, en donde se colocara al horno, mínimo por 24 horas, para asegurarnos de que la muestra este totalmente seca, y luego se pesa la cápsula. Hay que tener en cuenta de hallar el peso de la cápsula limpia y seca, para poder hallar luego que peso hay de suelos, restando estos dos pesos.

Tenemos que Gs = A Ws / Wma + Ws - Wmas

Teniendo en cuenta que A es la corrección por temperatura que se debe hacer a la muestra, y depende de la siguiente tabla.

Temperatura oC A

16 1.0007

18 1.0004

20 1.0000

22 0.9996

24 0.9991

26 0.9989

Hallamos el peso del matraz con agua a la temperatura de calibración, según la curva de calibración del matraz, la cual a una temperatura de 26.5 grados centígrados nos dio un valor de 635.3 gramos.

El peso del Matraz vacío nos dio un Valor de 136.85 gramos.

El peso del Matraz con agua, suelo nos dio un peso de 643.93 gramos, y la corrección por temperatura, A = 0.9986, a 26 grados centígrados.

Haciendo los cálculos, de acuerdo a la formula enunciada anteriormente, la gravedad específica nos da un valor de:

Gs = 1.041

MEDICIÓN DE LA TENSION SUPERFICIAL

TENSIOMETRO DE DUNOÜY.

En este método se determina la fuerza necesaria para separar un anillo de la superficie, bien suspendido el anillo del brazo de una balanza, o utilizando un sistema de hilo de torsión. La fuerza para despegarlo está relacionada con la tensión superficial o interfacial por la expresión:

'Viscosímetro Saybolt'

Donde f es el empuje aplicado al anillo, en dinas, R el radio medio del anillo y 'Viscosímetro Saybolt'

un factor de corrección.

Para tener un ángulo de contacto cero y, por tanto, constante, se utilizan anillos de platino cuidadosamente limpios con ácidos fuertes o flameándolos. Es esencial que el anillo repose plano en una superficie tranquila. Para medidas en interfases, el líquido inferior debe mojar con preferencia el anillo.

Pasos:

1. Limpiar el anillo con acetona y ponerlo a la llama hasta el rojo vivo.

2. Calibrar el tensiómetro.

3. Colocar la sustancia problema en una caja petri.

4. Sumergir el anillo en la sustancia problema.

5. Subir el anillo, hasta que el anillo se desprenda de la sustancia.

6. Medir en ese momento el valor de la tensión superficial.

METODOS DEL VOLUMEN Y DEL PESO DE GOTA

Consisten en medir el peso o el volumen de las gotas de un líquido que se desprenden lentamente de la punta de un tubo estrecho montado verticalmente. En el momento de desprenderse las gotas

'Viscosímetro Saybolt'

Donde m es la masa de la gota, v el volumen, 'Viscosímetro Saybolt'
la densidad del líquido, r el radio del tubo y
un factor de corrección.

El factor de corrección es preciso porque:

a) la gota formada no se desprende completamente de la punta del tubo y

b) las fuerzas de tensión superficial muy raramente son verticales.

'Viscosímetro Saybolt'
Depende del cociente
.

ESTALAGNOMETRO

Al formarse lentamente una gota del líquido contenido en un capilar, la gota caerá cuando su peso sea mayor que la fuerza debida a la tensión superficial que sostiene a la gota adherida a la superficie. Para esta determinación utilizaremos un estalagnómetro, que no es más que un tubito de vidrio con una punta en capilar. Con el estalagnómetro podemos relacionar las tensiones superficiales de dos líquidos de densidad conocida:

'Viscosímetro Saybolt'