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PRÁCTICA 1: MEDICION DE LA VISCOSIDAD Elena Chavez Hernandez1 , Fabiana Fonseca Parra2 , Rafael Hoyos Mestra3 , Maria Montalvo Salguero4 , Edwin Ortiz5 1,2,3,4,5

Estudiantes de Ingeniería Civil, Universidad Tecnológica de Bolívar

February 11, 2018

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Introducción

El estudio de la viscosidad es necesario para la ingeniería porque se considera una propiedad fundamental dentro de los fluidos cuando se encuentran en movimiento, debemos tener una comprensión desde diferentes puntos de vista de esta propiedad. Al momento de la realización de esta práctica se debe de tener en cuenta que la viscosidad tiene una relación directa con la temperatura, esto nos permitirá entender porque algunas sustancias son más espesas que otras. Dentro del laboratorio estudiamos el aceite de abejas y el aceite SAE 50W que por medio de dos esferas de diferentes tamaños, para cada tipo de fluido, nos permitieron obtener datos para determinar y luego poder comparar la viscosidad de los fluidos en estudio.

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Objetivos

2.1

Objetivo general

• Determinar experimentalmente la viscosidad de un fluido

2.2

Objetivos específicos

• Interpretar los análisis que se hacen para evaluar la viscosidad por el método de: “Caída de la esfera”. • Evaluar la viscosidad de la miel de abeja y del aceite SAE 50W a temperatura ambiente, por el método de “Caída de la esfera”. • Comparar y analizar los resultados obtenidos. • Obtener la curva de temperatura contra viscosidad para el aceite SAE 50W y compararla con la entregada por el fabricante.

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Marco Teórico

La viscosidad es una magnitud que representa la “resistencia a fluir”. A mayor viscosidad, más espeso es el fluido y viceversa. De una manera más específica es la resistencia que tienen las moléculas que conforman un líquido para separarse unas de otras, es decir, es la oposición de un fluido a deformarse y esta oposición es debida a las fuerzas de adherencia que tienen unas moléculas de un líquido o fluido con respecto a las otras moléculas del mismo líquido. Considerada también como una propiedad fundamental de los líquidos la cual define en gran parte las propiedades de este mismo. Los líquidos a diferencia de los sólidos tienen la capacidad de poder fluir. En este laboratorio utilizaremos dos líquidos de viscosidad mediana aceite SAE 50W y miel de abeja.

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Figure 1: Diagráma reológico.

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Actividades de fundamentación teórica

4.1

Clasifica los fluidos según la relación que existe entre el esfuerzo de corte y la relación de deformación (dV/dy)

R/ 1. Fluido newtoniano 2. Fluido no Newtoniano 3. Fluido ideal

4.2

Dibuje un diagrama reológico y explíquelo

Los gases y los líquidos que podemos ver a diario, se les conoce como fluidos newtonianos, y a otro tipos de fluidos como hidrocarburos espesos y de cadenas largas, de les llama fluidos no newtonianos. Si se considera un fluido no viscoso (Ya que tiene un esfuerzo cortante nulo) e incompresible, Entonces, se le conocerá fluido ideal y está representado en la gráfica como la ordenada de la figura 1.

4.3

¿Que es la viscosidad cinemática?

La viscocidad cinemática es el cociente que denota la relación entre la viscosidad absoluta y la densidad, esta es denotada cómo v, dimensionalmente es representado como L2 /T .

4.4

Exprese las unidades de la viscosidad absoluta y de la viscosidad relativa, en el sistema ingles y en el sistema internacional; y otras unidades existentes para cuantificar la viscosidad de un líquido.

1. Viscosidad absoluta (a) Sistema Internacional de Unidades: es [Pascal-Segundo] que es equivalente a (b) Sistema cgs la unidad de la viscosidad es P[Poise]. ∗s (c) Sistema inglés la unidad principal es el Reyn que es equivalente a lbf in2 .

N ∗s m2

2. Viscosidad cinemática (a) Sistema Internacional de unidades: es (b) Sistema inglés

4.5

m2 cm2 s , s .

2 in2 f t s , s .

Indique como varia la viscosidad dependiendo de la temperatura de fluido, y exprese el por qué de tal efecto.

La viscosidad de un líquido disminuye con el aumento de la temperatura, mientras que en un gas su viscosidad aumenta, esto en medida se debe a que los líquidos tienen mayores fuerzas de cohesión que las moléculas de gas, entonces la cohesión es la causa de la viscosidad de un líquido y al disminuir la temperatura, la viscosidad también disminuirá. 2

4.6 Explique en que consiste el método “Caída de la esfera” para evaluar la viscosidad de un liquido y exprese la formula para obtener tal resultado.

Figure 2: Variación del aceite SAE 10W

4.6

Explique en que consiste el método “Caída de la esfera” para evaluar la viscosidad de un liquido y exprese la formula para obtener tal resultado.

En la esfera se da un movimiento que es intervenido por el peso, el empuje que ejerce el fluido y una fuerza debido al rozamiento a la esfera. La fórmula usada para hallar la viscosidad es: 2ρr2 (ρesf era − ρf luido ) 9Vlmite

(1)

donde: kg • µ es la viscosidad del fluido en [ m∗s ]

• g es la gravedad [9.8 sm2 ] kg • ρ representa la densidad [ m 3 ].

• V representa la velocidad de la esfera. • r es el radio de la esfera [m].

4.7

Busque y lleve al laboratorio la grafica de la variación de la viscosidad respecto a la temperatura, del aceite SAE 10W.

Vease Figure 2.

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Procedimiento 1. Se hizo uso de los materiales propuestos en la guía (Báscula, cronómetro, cinta métrica, calibrador, termómetro, probeta, imán, muestras de los fluidos). 2. Se comprobó que la báscula permaneció cerrada. 3. Se tomaron las dimensiones de las esferas, al igual que la longitud de las diferentes probetas. 4. Para el aceite de miel, se dejó caer primero la esfera pequeña en la báscula e inmediatamente se cronometró el tiempo en que demoraba en caer. Este procedimiento se realizó tres veces, para luego sacar un promedio. Así mismo se hizo con la esfera más grande. 5. Para poder sacar las esferas del tubo de vidrio, se utilizó un imán, que con mucho cuidado se iba acercando a las probetas de abajo hasta arriba hasta poder alcanzar las esferas. 6. Se realizó el mismo procedimiento con el aceite SAE 50W.

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Esfera Grande Diametro 0.015m Masa 0.0162kg kg Densidad 7553.6 m 3 Volumen 0.0000021m3 Table 1: Esfera Grande Esfera Diametro Masa Densidad Volumen

Pequeña 0.010m 0.0046kg kg 8785.35 m 3 0.0000005m3

Table 2: Esfera Pequeña

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Análisis e interpretación de datos

Datos tomados en la práctica: Vease Table 1. 1. Evaluar la densidad de la miel de abeja y del aceite utilizado a condición ambiente. R/ Véase Tabla 4. 2. Evaluar la viscosidad del aceite a condiciones ambiente por el método de caída libre, haga la evaluación utilizando ambas esferas, explica el procedimiento y manifieste su apreciación respecto a los datos obtenidos. Teniendo que: 2ρr2 (ρesf era − ρf luido ) 9Vlmite donde: kg ] • µ es la viscosidad del fluido en [ m∗s

• g es la gravedad [9.8 sm2 ] kg • ρ representa la densidad [ m 3 ].

• V representa la velocidad de la esfera. • r es el radio de la esfera [m]. (a) Esfera pequeña (Aceite SAE 50W): r = 0.005m. v = 0.247 m s . kg ρesf era = 8785.35 m 3. kg ρf luido = 900 m3 . 2∗9.8(0.005)2 (8785.35−900) 9∗0.247

kg = 1.74 m∗s

(b) Esfera grande (Aceite SAE 50W): r = 0.008m. v = 0.178 m s . kg ρesf era = 7553.6 m 3. kg ρf luido = 900 m3 .

Probetas Diametro interno c/u Largo (miel) Largo (aceite)

26mm 0.72m 0.96m

Table 3: Probetas 4

(2)

Densidad Miel Aceite SAE 50W

kg 1360 m 3 kg 900 m 3

Table 4: Tabla de densidades

2∗9.8(0.008)2 (7553.6−900) 9∗0.178

kg = 5.21 m∗s

Para el aceite SAE50W, se pudo apreciar que hubo una diferencia un poco notable en los resultados de viscosidad del fluido, ya que para hallar esta, es muy importante el tamaño de las esferas pues, estas varían en su densidad, diámetro y la velocidad de caída, datos que influyen directamente en el resultado a tomar. Ya que las dos esferas tomadas tienen dimensiones diferentes, aunque se trabaje con el mismo fluido, se verá una variación considerable en la viscosidad. 3. Evalúa la viscosidad de la miel de abejas utilizado y de la miel a condiciones de ambiente, explique el procedimiento y manifieste su apreciación al respecto. R/ Para este caso usaremos la misma ecuación (1): (a) Esfera pequeña (Miel): r = 0.005m. v = 0.0639 m s . kg ρesf era = 8785.35 m 3. kg ρf luido = 1360 m3 . 2∗9.8(0.005)2 (8785.35−1360) 9∗0.0639

kg = 6.33 m∗s

2∗9.8(0.008)2 (7553.6−1360) 9∗0.0477

kg = 18.1 m∗s

(b) Esfera grande (Miel): r = 0.008m. v = 0.0477 m s . kg ρesf era = 7553.6 m 3. kg ρf luido = 1360 m3 .

Luego de sumergir ambas esferas tres veces en los fluidos y midiendo el tiempo que se empleaba para recorrerlo, se obtuvo la viscosidad del miel, pero como resultado obtuvimos una diferencia notable en los resultados, esto se debe a que la viscosidad varía dependiendo de la densidad del fluido. Al igual que pasó en el cálculo de la viscosidad del aceite SAE 50W. 4. Si usted considera que el método utilizado para medir viscosidad incluye errores, indique el error o los errores, expresando el porqué del error y como se podría disminuir o evitar. R/ (a) - La toma del tiempo, para calcular la velocidad es que se demoran las esferas en hacer el recorrido hasta la válvula. Este es un error humano, por lo cual se debe tener cuidado al tomar el tiempo, por eso se hace el mismo chequeo tres veces para así tener un promedio de los tiempos tomados. (b) - Las condiciones de temperatura hacen que la viscosidad de un fluido varíe. Por eso es muy importante trabajar con la misma temperatura los fluidos. (c) - La toma de diámetros y longitudes de los equipos utilizados (diámetro y peso de las esferas, longitud del tubo de vidrio). Este es otro error intervenir en la exactitud de la práctica, por eso es recomendable tomar las mediciones varias veces y permitir que estas mediciones las realicen varias personas para así poder comparar y ser más precisos con las medidas.

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Figure 3: Anexos

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Anexos

Véase la figura 3.

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Conclusión

En esta práctica pudimos calcular la viscosidad de dos fluidos experimentalmente y cumplir todos los objetivos propuestos inicialmente. El análisis de resultados llegamos a la conclusión de que la medición de la viscosidad por medio del método de caída de la esfera es poco precisa debido a que influyen diversos factores que generan errores, el más notable de ellos es el humano.

References [1] Franco, A., Movimiento de una esfera en un fluido Fórmula de Stokes(Curso Interactivo de Física en Internet), http : //www.sc.ehu.es/sbweb/f isica/ dinamica/f luidos/stokes/stokes.htm, Recuperadael09def ebrerode2018 [2] Fox, R., Pritchard, P. y McDonald, A., Introducción a la Mecánica de Fluidos, 2011. [3] Streeter, V., Mecánica de Fluidos, 1966,

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