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• Eveliz Aleli Magne Cotjire

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LABORATORIO DE TRANSFERENCIA DE FLUIDOS Y CALOR PRQ 3218 “A”

FECHA: OR. 10/09/12

ESTUDIO DE LA VISCOSIDAD DE LIQUIDOS 1. RESUMEN

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2. INTRODUCCION.La viscosidad es un parámetro que se maneja con frecuencia en diversos procesos dentro de la industria de procesos químicos. La viscosidad de las sustancias puras varía de forma importante con la temperatura y en menor grado con la presión. De todas las propiedades del fluido, la viscosidad es la que requiere mayor atención en el estudio del movimiento del fluido, porque la facilidad con que un líquido se derrama es una indicación de su viscosidad. La pérdida de energía debido a la fricción en un fluido que fluye se debe a su viscosidad. 3. OBJETIVOS. 

Medir la viscosidad de líquidos utilizando varios métodos. Estudiar el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de fluidos incomprensibles.

1.3 FUNDAMENTO TEORICOS.VISCOSIDAD.- Una propiedad física muy importante que caracteriza la resistencia al flujo de los fluidos es la viscosidad. Y que deriva como consecuencia del principio de Newton de la viscosidad. Este principio establece que para ciertos fluidos llamados newtoniano, la tensión cortante en una intercara tangente a la dirección normal al flujo. Operacionalmente se expresa así:

Donde µ se conoce con el nombre d coeficiente de viscosidad dinámica y tiene las dimensiones (Ft/L2). En general la viscosidad de los fluidos incompresibles disminuye al aumentar la temperatura, mientras que, en los gases sucede lo contrario. El estudiante se encargara de dar una explicación de este fenómeno. Existen principio más general llamado principio de viscosidad de Stockes, aplicable a flujos mucho más generales de los fluidos Newtonianos. Este principio suele considerase como un principio para un caso general de flujo tridimensional está dado por: (

)

(

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(

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Fácilmente se puede comprobar que la ley de Newton de la viscosidad es un caso particular del principio de Stockes. Por otra parte, la presión solo tiene una influencia mínima sobre la viscosidad, la que normalmente se

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precia. -

ECUACION DE HANGE - POISEUILLE.- si se aplica la ley Newton de la viscosidad al flujo de fluidos que circulan en régimen laminar, recorriendo conductos de sección circular y uniforme, se obtiene la ecuación de Hange-Poiseuille. (

)

DONDE: ΔP= Presión total de aguas abajo. Q= Caudal volumétrico. R= Radio del conducto. µ= Viscosidad absoluta. L= Longitud del conducto. En el caso de un tubo vertical la variación total en la resion únicamente se debe a la carga hidrostática, la ecuación (1.4.1) puede escribirse en la forma: (

)

En la que: G= aceleración de la gravedad. Δh=diferencia de carga hidrostática. V= viscosidad cinemática. Esta ecuación nos permite relacionar las viscosidades de dos fluidos, de la siguiente forma:

Dónde: µ1=viscosidad del líquido de referencia. µ2=viscosidad del líquido problema.

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P1= densidad del líquido de referencia. P2= densidad del líquido problema. T1=tiempo de escurrimiento del líquido de referencia. T2=tiempo de escurrimiento del líquido problema. -

ECUACION DE STOCKES.-El flujo de un fluido alrededor de una esfera ha sido estudiado por Stockes. Su aplicación es de gran utilidad en la resolución de problemas tales como los del sedimento de polvo. Stockes encontró que el empuje (fuerza ejercida sobre la esfera por el flujo de un fluido alrededor de ella) vale: Siendo que: Resf=

2.1 DETERMINACION DE LA VISCOSIDAD APLICANDO LA LEY STOCKES 2.1.1 DESCRIPCION DEL EQUIPO El equipo a utilizarse consiste en una columna de vidrio de 2.5 [cm] de diámetro, aproximadamente y 1.5 [m] de altura, en cuya parte superior e inferior se colocan marcas de referencia que determinan el instante inicial y final de la caída de la esfera. 2.1.2 MATERIAL NECESARIO       

Un tubo de 2.5[cm] de diámetro aproximadamente y 1.5 [m] de largo (cada grupo debería construirse). 1000 ml de un líquido orgánico(aceite de comer, glicerina). Picnómetro. Cronometro. Balanza de una sensibilidad de 0.001 [gr]. Calibrador 5 esferas de 6[mm] de diámetro aproximadamente (relación diámetro de tubo/diámetro esfera 4/1).

2.1.3 MONTAJE

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2.1.4 PROCEDIMIENTO        

 

Montar el equipo según el esquema mostrado en la (figura 1). Medir el radio de las esferas a utilizar, así también determina su densidad. Determinar la densidad del líquido problema por picnometria tomando la temperatura del líquido problema. Medir el radio del tubo de vidrio. Marcar dos señales en el tubo, una superior, a partir desde donde se tomara el tiempo de caída, y una inferior donde se registraran el tiempo. Llenar el tubo con el líquido, cuya viscosidad se desea determinar. Colocar la esfera en la parte superior en el tubo, poner el cronometro en la posición cero. Soltar la esfera y hacer marchar el cronometro en el momento en que la esfera pasa por la marcar superior. Detener el cronometro en el momento en que la esfera pasa la marca inferior del tubo, registrar el tiempo empleado. Repetir la misma operación con las demás esferas. Para determinar la velocidad en base a los datos obtenidos, utilizar la ecuación de Stockesque está dada por la ec. (1.4.4).

2.2 DETERMINACION DE LA VISCOSIDAD UTILIZANDO VISCOSIMETRO DE OSTWALD 2.2.1 DESCRIPCION DEL EQUIPO El aparato consiste en un tubo en U, en una de cuyas ramas están incluidas en una pipeta con dos enrases y un tubo capilar (fig. 2) a través del cual escurre el líquido por efecto la gravedad. 2.2.2 PROCEDIMIENTO  Enjuagar el equipo con alcohol etílico.  Colocar en un vaso de precipitación una cantidad razonable de agua destilada, luego mida la temperatura de agua. (dato que le permitirá obtener la densidad del agua a esta temperatura.  Se carga el viscosímetro con agua destilada y luego se aspira el líquido hasta la marca superior del viscosímetro.  Una vez que el líquido coincide con la marca superior, se alista el cronometro en tiempo cero. Y en el momento que se deja caer el líquido se pone en marcha el cronometro.  Cuando el agua destilada llega a la marca inferior del viscosímetro, se para el cronometro y se lee el tiempo en el que el líquido recorrió las dos marcas del viscosímetro.  Una vez determinado el tiempo del flujo del agua destilada se vacía el viscosímetro, se enjuaga con alcohol etílico y seproduce a secarlo en el desecador.  Una vez seco el viscosímetro se carga con el líquido problema, cuya viscosidad se desea determinar. Y se repite la operación como se procedió para el agua destilada.  Con los datos obtenidos, se determina la viscosidad del líquido problema, utilizando la ecuación (1.4.3).  Proceda de la misma manera para temperaturas de 30, 50, 70 °C. utilizando para esto un baño de

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temperatura controlable. Tabla 1 Resumen de datos medidos Condiciones ambientales Presión temperatura N° DE VISCOSI VISCOSI PRUEB DAD 1 DAD 2 A

DENSI DAD 1

DENSI DAD 2

TIEMPO 1

TIEMPO 2

OBSERVACIONES

3. CALCULOS   

Calcular el error del tiempo calculado por desviación estándar. Hallar los valores de las viscosidades de los líquidos problema por los dos métodos. Representar gráficamente la viscosidad frente a la temperatura.

4 DISCUSIÓN Y RESULTADOS 5. CONCLUSIONES.6. CUESTIONARIO.1. Deducir la ecuación 1.4.3 a partir de la ley de Hange-Poiseuille 2. Deducir la ecuación de Stockes (1.4.4) para el flujo de fluido alrededor de una esfera 3. La variación de la temperatura¿tiene algún efecto sobre la viscosidad de un fluido comprensible?, explique su respuesta.} Resp.- claro, la viscosidad depende de la temperatura. a temperaturas altas la viscosidad del líquido disminuye, y a temperaturas bajas, aumenta. Esto se ejemplifica con la miel: cuando está en la heladera es bien pegajosa, pero cuando se la calienta se hace más fluida. 4. ¿por qué es importante la propiedad de la viscosidad en los lubricantes? La especificación de valores de viscosidad máxima a baja temperatura para aceites está relacionada con la capacidad del aceite para fluir hacia las superficies que necesitan lubricación, a las velocidades de motor que se alcanzan durante el inicio del funcionamiento a bajas temperaturas. 5. Que tipos de viscosímetros existen descríbalos brevemente.

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Viscosímetro de Ostwald Hagen-Poiseuille: P 

32Lu D2

P  gh   K   u ~ 1/ t  t

El viscosímetro de Ostwald es de vidrio. Posee un ensanchamiento en forma de ampolla provista de sendos enrases, conectado a un tubo capilar vertical que se une a un segundo ensanchamiento destinado a la colocación de la muestra en una primera operación, y del agua o líquido de referencia en otra operación complementaria. El conjunto se introduce en un baño termostático para fijar la temperatura con precisión. Es indispensable la concreción de este valor, porque la magnitud de la viscosidad, o de su inverso la fluidez, son altamente dependientes de la temperatura.

Se conoce también como viscosímetro de bola y está diseñado para la medida de la viscosidad de líquidos no newtonianos. Se basa en la diferente velocidad de caída de un sólido esférico en el seno de un fluido como consecuencia del mayor o menor valor del coeficiente de fricción o viscosidad de éste. Consta, como elemento fundamental, de un tubo de vidrio de paredes gruesas que lleva marcadas dos señales anulares en las proximidades de sus extremos y que a su vez está inserto en otro tubo mucho más ancho destinado a alojar agua circulante como medio termostático. El todo se encuentra dispuesto en posición ligeramente inclinada en un estativo análogo al de un microscopio y puede ser girado 180º alrededor de un eje perpendicular a ambos tubos. El tubo interior se llena del líquido cuya densidad se desea conocer y a su través se deja caer una esfera de vidrio o de acero de la colección suministrada por el fabricante. Tras el cierre se hace girar el sistema

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de manera que la esfera escogida se deslice lentamente; el cierre va provisto de una pieza caza – burbujas para evitar la presencia de aire en el interior. 6. ¿se puede medir con esta técnica la viscosidad de la mayonesa? Explique, según sea la respuesta afirmativa o negativa. Resp.- si ya que es un fluido newtoniano, pero tiene una tensión tangencial umbral por debajo de la cual fluido no fluye. 7. ¿qué importancia tiene la propiedad de viscosidad en el transporte de fluidos? Resp.- tiene mucha importancia ya que la viscosidad es una propiedad física que cuantifica la resistencia al flujo. 7. BIBLIOGRAFIA  ZARATE, Jaime. Guía de laboratorio de Fluidos, IUPEG 1985. 

Hidráulica, /mecanica.fluidos/ escuela politécnica superior Guillermo Schulz.

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M. En c. María Guadalupe Ordorica Morales, fenómenos de transporte, 2008.

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