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• MIRIAM LUCERO QUINO BERNABE

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GUIA DE PRACTICA N° 02 DETERMINACIÓN DE VISCOSIDAD POR EL MÉTODO DE CAÍDA DE BOLA 1. OBJETIVOS -

Determinar la viscosidad para diferentes muestras (Aceite y Agua). Determinar el efecto de la temperatura sobre el valor de la viscosidad

2. FUNDAMENTO TEORICO Stokes estudió el flujo de un fluido alrededor de una esfera para valores del número de Reynolds muy pequeños (inferiores a uno). Stokes encontró que el empuje o fuerza ejercida sobre la esfera por el flujo del fluido alrededor de ella, vale:

R E

R  3Dv

(1)

Donde: R: fuerza viscosa resistente D: diámetro v: velocidad límite de la bola en el fluido. : Viscosidad dinámica

W

La aplicación de la fórmula de Stokes es muy útil en la resolución de problemas, por ejemplo, en la sedimentación de partículas de polvo. Al caer una esfera de un fluido en reposo, debe tenerse en cuenta que la fuerza de empuje hidrostática más la fuerza de arrastre o resistencia debe ser igual al peso, es decir:

W  RE

(2)

R W E

(3)

W  s  g  V

(4)

E  l  g  V

(5)

Donde: W: peso del cuerpo R: fuerza viscosa resistente E: empuje de Arquímedes Así pues:

Donde:

S: densidad del sólido l : densidad del líquido V: volumen del cuerpo

V 

  D3 6

(6)

Sustituyendo:

  D3

W 

6

  D3

E

6

 g  s

(7)

 g  l

(8)

La ecuación quedará como:

R

  D3

 g    s  l 

6

Igualando la ecuación de Stokes:

3DV 

  D3 6

 g    s  l 

(9)

Aislando la viscosidad dinámica, obtenemos:



D 2  g   s   l  18V

(10)

La bola desciende con una velocidad y constante. Haciendo (v = e/t) tenemos:



D2  g   s   l   t 18e

(11)

Considerando:

K

D2 g 18e

Obtenemos la ecuación para el cálculo de la viscosidad en el viscosímetro de bola, la ecuación queda:

  K    s  l   t

(12)

Donde K es la constante de bola, que depende de la bola utilizada y de la temperatura del laboratorio. La K puede calcularse para una sustancia conocida, por ejemplo, el agua destilada, y a partir de su valor buscar la viscosidad para cualquier líquido, en las mismas condiciones.

3. PARTE EXPERIMENTAL

MATERIALES Y EQUIPOS -

Bola de acero y bola de vidrio Probeta graduada de 250 ml (2) Cronometro. (2) Agua destilada. (1 l) Muestras de diferentes alimentos líquidos (500 ml). Picnómetro Baño María Termómetro (2) Balanza digital Vernier Regla o cinta métrica (2) Cinta maskin y marcador

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Disponemos el viscosímetro (que consta de un tubo y una bola pequeña) en su posición vertical llenamos de un fluido (agua destilada) de viscosidad conocida, y por el cual introducimos una bola que recorre un espacio entre dos marcas en un tiempo “t”. Para poder medir bien el tiempo que tarda en caer la bola, debemos escoger entre los diferentes tipos de bolas la más adecuada para determinar la constante de bola, que calcularemos a partir de la expresión:

  K   s   l   t K

  s   l   t

Seguidamente debemos sustituir el agua destilada por el fluido problema del cual se desea saber la viscosidad dinámica. Se introduce la misma bola y se mide el tiempo que tarda en recorrer la distancia para ir de una posición a otra. Como ya se conoce la constante de bola porque se tienen las mismas condiciones de temperatura y con la misma bola, se puede encontrar la viscosidad dinámica del líquido problema.

Esfera Fluido

y

Tubo

Figura Nº 01 VISCOSIMETRO DE CAIDA DE BOLA

4. DATOS Y OBSERVACIONES

Tabla N°1: 09/09/2019 Registro de datos diametro (cm) canica

1.64

billa

1.56

masa(g) 5.82 16.11

volumen

dencidad (g/cm3)

2.309564878 1.987798769

2.51995519 8.104442084

Tabla N°2: 09/09/2019 Registro de datos del aceite durante la experimentación

Muestra

Temperatura (ºC)

Tiempo 1 (s)

Tiempo 2 (s)

Tiempo 3 (s)

billa

0.15 0.83 0.3 0.77 0.14

0.35 0.63 0.48 1.02 0.22

0.3 0.77 0.72 0.94 0.18

canica

0.6

0.58

0.65

Bola billa

22

Aceite

canica billa

28 35

canica

Tabla N°3: 09/09/2019 Registro de datos del agua durante la experimentación

Muestra

Temperatura (ºC) 21

Agua

35 39

Bola

Tiempo 1 (s)

Tiempo 2 (s)

Tiempo 3 (s)

billa

0.24

0.26

0.46

canica

0.93

0.73

0.87

billa

0.29

0.43

0.26

canica

0.72

0.69

0.59

billa

0.67

0.42

0.36

canica

0.88

0.74

0.64

Al momento de registrar los tiempos durante la experimentación hubo varios errores ya que por la velocidad de caída de las billas eran rápidas por lo que los tiempos no son exactos.

5. RESULTADOS Y CALCULOS

Fig. N°1: Canica a punto de caer sobre el fluido (Agua)

Fig. N°2: Probeta de 1000 ml con fluido (Aceite)

Fig. N°4: Midiendo la temperatura del agua.

l

Fig. N°3: Billa a punto de caer sobre el fluido (Agua)

Fig. N°5: Midiendo la temperatura del aceite

Tabla N°4: 09/09/2019 Cálculos para hallar la viscosidad en el líquido agua

Tabla N°5: 09/09/2019 Cálculos para hallar la viscosidad en el líquido aceite

GRAFICOS Viscosidad VS Temperatura 14 12

µ

10 8 6 4 2 0 0

10

20

30

T °C Billa

Canica

Fig. N°7: Grafica de Viscosidad VS Temperatura (Agua)

40

50

µ

Viscosidad VS Temperatura 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0

10

20

30

40

T°C billa

canica

Fig. N°8: Grafica de Viscosidad VS Temperatura (Aceite)

µ

Viscosidad VS Tiempo 14 12 10 8 6 4 2 0 0

0.2

0.4

t (s)

bila

0.6

0.8

1

canica

Fig. N°9: Grafica de Viscosidad VS Tiempo (Agua)

Viscosidad VS Tiempo

µ

16 14 12 10 8 6 4 2 0 0

0.2

0.4

0.6

t (s) billa canica Fig. N°10: Grafica de Viscosidad VS Tiempo (Aceite)

0.8

1

6. CONCLUSIONES  Se logró la determinación de la viscosidad para el aceite y el agua.  Se determinó el efecto de la temperatura sobre el valor de la viscosidad en el aceite y agua, observando esto mediante el tiempo que demoraban en caer las bolas (billa y canica) sobre el fluido. 7. CUESTIONARIO. 

Indique otros métodos de medir la viscosidad, con su respectiva ecuación de cálculo.



METODO DE COUETTE O HATSHEK

Consiste en un cilindro suspendido por un filamento elástico, al cual va unido un espejo para determinar el ángulo de torsión en un modelo, o un dinamómetro provisto de una escala en otros modelos. Este cilindro está colocado coaxialmente en un recipiente cilíndrico, donde se encuentra el líquido cuya viscosidad ha de determinarse. El cilindro exterior gira a velocidad constante y su movimiento es transferido al líquido que a su vez pone en movimiento el cilindro interior en torno de su eje hasta que la fuerza de torsión es equilibrada por la fuerza de fricción. Como el ángulo de torsión es proporcional a la viscosidad, se puede determinar la viscosidad de un líquido, si se conoce la del otro líquido por comparación de los dos ángulos de torsión



MÉTODO DE STOKES

El método clásico es debido al físico Stokes, consistía en la medida del intervalo de tiempo de paso de un fluido a través de un tubo capilar. La ley de Stokes nos da dicha fuerza para una esfera:

Fr= 6πηvr



VISCOSÍMETRO DE OSTWALD.

El Viscosímetro Ostwald es un tubo “U” una de sus ramas es un tubo capilar fino conectado a un deposito superior. El tubo se mantiene en posición vertical y se coloca una cantidad conocida del fluido al depósito para que luego fluya por gravedad a través de un capilar. Los procedimientos exactos para llevar a cabo estas pruebas estándar dado en los estándares de la American SocietyForTesting and Material (ASTM).



Comparar su respuesta con datos existentes en la bibliografía.

mestra

temperatura bola 21

agua

35 39

billa

u (g/cm*s)

u bibliografica(kg/m*s) 8.615 0,000979

canica

5.3684 0,000979

billa

8.7945 0,000720

canica

4.2438 0,000720

billa canica

13.0123 0,000666 4.7955 0,000666

Los errores están determinados por el número de repeticiones en la medición del tiempo que demora en caer la bolita en el liquido .

mestra

aceite

temperatura bola billa 22 canica billa 28 canica billa 35 canica

u u (g/cm*s) bibliografica(kg/m*s) 7.26 0.391 4.981 0.391 13.613 0.391 6.098 0.391 4.091 0.391 4.087 0.391

La variación de la temperatura fue un factor que influye directamente en los resultados obtenidos.  ¿Porque es necesario conocer la viscosidad de una sustancia? Es importante para controlar el proceso de fabricación pues nos permite detectar de la manera más conveniente cambios en el producto como el color, densidad, estabilidad, contenido de sólidos y peso molecular, también podemos ver el progreso de las reacciones fisicoquímicas durante la fabricación y controlarlas, la viscosidad es un parámetro de control de vital importancia en la búsqueda de mejora de calidad en los productos  ¿Por qué en los fluidos no newtonianos la viscosidad no es constante? Es debido a su poa cohesión molecular, carece de forma propia y adopta las formas del recipiente que lo contiene, su viscosidad varia con el gradiente de tensión aplicado, deformándose en la dirección de la fuerza aplicada, su aspecto físico dependerá de cuanta presión apliques ¿Cómo es la viscosidad de los fluidos cuando la temperatura aumenta? Pues de acuerdo al experimento en donde variamos la temperatura de los fluidos, se observó que la viscosidad disminuye cuando se aumenta la temperatura, debido a que las fuerzas viscosas son superadas por la energía cinética, ya que la temperatura debilita la cohesión de las moléculas del fluido y hace posible que las moléculas del líquido se puedan mover con más facilidad, ocasionando un debilitamiento de la fuerza que se ejercen ante la presencia de un esfuerzo cortante.

8. BIBLIOGRAFIA. 1.- Bird R. B., Stewar W. E., Lightfood E .N., (1998) “Fenómenos de Transporte” Capítulos 1 y 6 Edit. John Wiley New YorK. 2.- Mc Cabe W. L. y Smith J.C. (1980) “Operaciones Básicas en Ingeniería Química” 5 ta. Edición. Mc Graw - Hill. 3. - Perry R. H y Chilton Cecil H. . (1984) “Manual del Ingeniero Químico” Editorial Mc Graw Hill Latinoamericana S.A. Colombia.

http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/viscoh2o.pdf