Determinación de la viscosidad de un líquido por el método de la caída de esfera

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

NOMBRE DE LA PRACTICA N 06: DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD DE UN LÍQUIDO POR EL MÉTODO DE LA CAÍDA DE ESFERA CURSO:

Fisicoquímica I (Laboratorio)

ESTUDIANTE:

Salazar Plasencia Willian Alexander Valladolid Girón, Yanided Milagros Génesis Vidales Sánchez, Pierre Augusto Zavaleta Gutiérrez, Luis David

DOCENTES:

Ing. Reyes Lázaro, Wilson

DETERMINACIÓN DE LA VISCOSIDAD DE UN LÍQUIDO POR EL MÉTODO DE LA CAÍDA DE ESFERA I. COMPETENCIAS: 

Mide experimentalmente la viscosidad de un líquido a diferentes temperaturas por el método de caída de esfera.

II. CAPACIDADES: 

Desarrolla destrezas en el manejo instrumental y/o equipos de laboratorio para determinar la viscosidad de un líquido.

III. INTRODUCCION: Los gases y los líquidos tienen una propiedad conocida como la viscosidad, la cual se puede definir como la resistencia a fluir ofrecida por un líquido, resultante de los efectos combinados de la cohesión y la adherencia. La viscosidad se produce por el efecto de corte o deslizamiento resultante del movimiento de una capa de fluido con respecto a otro y es completamente distinta de la atracción molecular. Se puede considerar como causada por la fricción interna de las moléculas y se presenta tanto en gases ideales como en líquidos y gases reales. También es importante saber cómo los líquidos se desplazan para entender cómo funcionan los mecanismos accionados por fluidos líquidos. [ CITATION tel20 \l 10250 ] Teniendo conocimiento de: La viscosidad dinámica, también llamada viscosidad absoluta, es la resistencia interna entre las moléculas de un fluido en movimiento y determina las fuerzas que lo mueven y deforman.[ CITATION Sig18 \l 10250 ] La viscosidad cinemática, se relaciona la viscosidad dinámica con la densidad del líquido. Teniendo el valor de la viscosidad dinámica se puede calcular la viscosidad cinemática de un fluido con la siguiente fórmula [ CITATION Sig18 \l 10250 ] :

Fórmula. 1 Viscosidad cinemática

Al sumergir una esfera en un medio viscoso se mueve bajo la acción de las siguientes fuerzas: el peso, el empuje, al estar el cuerpo sumergido en un fluido, y una fuerza de rozamiento que es proporcional a la velocidad de la esfera (suponemos que el flujo se mantiene laminar).[ CITATION tel20 \l 10250 ] El peso es el producto de la masa por la aceleración de la gravedad. La masa es el producto de la densidad del material por el volumen de la esfera [ CITATION tel20 \l 10250 ]

Fórmula. 2 Peso

De acuerdo con el principio de Arquímedes, el empuje es igual al producto de la densidad del fluido por el volumen del cuerpo sumergido, y por la aceleración de la gravedad. [ CITATION tel20 \l 10250 ]

Fórmula. 3 Empuje

La fuerza de rozamiento es proporcional a la velocidad, y su expresión se denomina ley de Stokes [ CITATION tel20 \l 10250 ]

Fórmula. 4 Fuerza de rozamiento

donde h es la viscosidad del fluido. Figura. 1 Fuerzas hacia arriba es igual a fuerzas hacia abajo

La ecuación del movimiento será, por tanto, [ CITATION tel20 \l 10250 ]

Fórmula. 5 Ecuación del movimiento.

IV. MATERIALES, SUSTANCIAS, EQUIPOS Y MÉTODOS: 4.1 Materiales: 4.1.1 Laboratorio:

Figura. 2 [Fotografía de cronometro digital de laboratorio]. Recuperado de: https://spanish.alibaba.com/product-detail/digital-stopwatch-for-lab-200849620.html

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Cronómetro

-

Esferas de acero

-

Vaso precipitado de 100 mL

-

Piseta de 250 mL

Figura. 5 [Fotografía de Piseta de plástico de 250 ml]. Recuperado de: https://www.edigar.com.mx/producto/pizeta-de-plastico-de-250-ml/

Figura. 3. [Fotografía de Esfera de acero de 2.5 cm de diámetro]. Recuperado de: https://www.laboratorioescolar.com/ESFERA-DE-ACERO-DE-2-5-CMFigura.DE-DIAMETRO,383_1497015469 4 [Fotografía de Vaso precipitado]. Recuperado de: https://www.grainger.com.mx/producto/LAB-SAFETY-SUPPLY-Vaso-de-Precipitados-de-PerfilFigura. 6 [Fotografía Mangueras de latex]. Recuperado Bajo%3A-Forma-Baja%2C20-to-100mL-%2CVidrio/p/5YGZ0?analytics=alternateProducts de: https://ztlab.com.ar/producto/mangueras-de-latex/

-

Mangueras de latex

4.1.2

Sustancias:

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Agua destilada

-

Alcohol etílico

4.1.3

Equipos:

Figura. 7 [Fotografía de Viscosímetro de caída Hoeppler]. Recuperado de: Chromeextension://ohfgljdgelakfkefopgklcohadegdpjf/http://downloads.ayalytical.com/Nord exp%20Catalogue%202015.pdf

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Viscosímetro de Hoeppler

Figura. 8 Medical Expo. Termostato de laboratorio. https://www.medicalexpo.es/prod/lauda-dr-r-wobsergmbh-co-kg/product-105180-687749.html

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Termostato

4.2 Métodos: Tabla 1. de propiedades de las esferas Esfera 1 2 3 4

Diámetro (mm) 15.83 15.64 15.60 15.25

Peso (g) 4.967 4.794 16.207 15.135

Densidad (g/ml) 2.342 2.391 8.153 8.149

Constante (k) 0.00424 0.06210 0.08930 0.52804

5 14.27 6 11.10 Fuente: Reyes, 2019 4.2.1

11.717 5.525

7.697 7.714

4.58003 3.30005

Primero se fija la temperatura entre 0 y 50 °C en el equipo (Viscosímetro de Hoeppler) con ayuda del termostato, por lo que la viscosidad depende de ella y de la presión.

4.2.2

Colocar una determinada cantidad de líquido dentro del tubo capilar en el mismo equipo, evitando que haya burbujas de aire, se llena el ras en el tubo, agregamos la esfera de acero que debe tener un diámetro menor que de la tubería interna y se tapa.

4.2.3

Luego al comenzar a caer la esfera, se registra el tiempo al llegar a la primera marca y nuevamente al llegar a la segunda marca se registra, entonces anotamos el tiempo que ha demorado en caer la esfera desde la primera marca hasta la segunda marca.

4.2.4

El líquido va a impedir que la caída de la esfera se desplace hacia abajo, empujándola hacia arriba, al igual que la fuerza de rozamiento del líquido con la pared de la esfera, por otro lado, la fuerza debido al peso de la esfera hace que se dirige hacia abajo hasta llegar a un equilibrio y mantenga una velocidad constante de caída, entonces mediante la fórmula de Stokes calculamos la viscosidad.

V. DATOS EXPERIMENTALES SUSTANCIA EXAMEN: AGUA  Temperatura de ensayo: 23°C  Densidad del agua líquida (de tablas en función de la T). 

Tiempo de caída esfera promedio Tabla 2.

Nro. 1 2 3 T prom.

Datos para el agua Tiempo de caída esfera (s) 11,4 11,7 11,5 11.53

SUSTANCIA EXAMEN: ETANOL ABSOLUTO 

Temperatura de ensayo: 23°C



Densidad del etanol (de tablas en función de la T)



Tiempo de caída esfera promedio Tabla 3.

Datos para el etanol Tiempo de caída esfera (s) 9,70 9,68 9,69 9.69

Nro. 1 2 3 T prom.

VI. CÁLCULOS  Para una bola de radio r y velocidad v en un líquido infinitamente extenso de viscosidad dinámica µ, G. G. Stokes calculó la fuerza de rozamiento al caer una esfera verticalmente dentro de un líquido, como: F 1=6 . π . ɳ . v . r  La fuerza también ascensional del líquido: F 2=

4π 3 . r . ρliq . g 3

 La fuerza debido al peso de la esfera que actúa hacia abajo, F3=m.g, como: F 3=

4π 3 . r . ρesf . g 3

Luego: F 1+ F 2=F 2

(6 . π . ɳ

. v . r)+(

4π 3 4π 3 .r . ρ liq . g = .r . ρesf . g 3 3

¿ 4 . g . r 2 ( ρ esf −ρliq ) ɳ= 18 v

)(

)

Al relacionar con la distancia recorrida s, en un tiempo t, la viscosidad se tiene: 2 . g . r 2 ( ρesf −ρliq ) . t ɳ= 9 .d

Donde:

K=

2 . g . r2 9

Para hallar la viscosidad en cinemática del agua: Obtenemos el valor de K, de la tabla 1. (esfera 2):

(

K=2. 9 8 0

cm .¿¿ s2

)

K=1.332 x 10−4 Luego hallamos la viscosidad centipoise del agua: ρesf =2.391

g cm 3

ρliq (23 ° C)=0.99762

(

ɳ =( 1.322 x 10−4 ) ∙ 2.391

g cm3

g g −0.99762 3 ( 11.53 s ) 3 cm cm

)

ɳ =2.124 x 10−3 centipoise Se obtiene la viscosidad cinemática del agua: µ= µ=

ɳ ρ 2.124 x 10−3 centipoise g 0.9976 3 cm

µ=2.129 x 10−3 Poise

Para hallar la viscosidad en cinemática del etanol: Obtenemos el valor de K, de la tabla 1. (esfera 2):

(

K=2. 980

cm .¿¿ s2

)

K=1.332 x 10

−4

Luego hallamos la viscosidad del centipoise etanol: ρesf =2.391

g cm 3

ρliq =0,789

g cm 3

cm3 s2

(

ɳ =( 1.322 x 10−4 ) ∙ 2.391

g g −0 .789 3 ( 9.69 s ) 3 cm cm

)

ɳ =2.052 x 10−3 centipoise Se obtiene la viscosidad cinemática del etanol: µ= µ=

ɳ ρ 2.052 x 10−3 centipoise g 0.789 3 cm

µ=2.601 x 10−3 Poise VII.TIPOS DE VISCOSÍMETROS

Figura 9. Viscosímetro de rotación Black One, sirve para liquidos puede determinar viscosidad de fluidos entre 20 y 156.000.000 mPa.s. [ CITATION pce14 \l 10250 ]

Figura 10. Viscosímetro capilar de vidrio ViscoClock, determina la viscosidad absoluta y relativa de los siguientes líquidos: agua, agua-etanol, agua-metanol, aceite de parafina, aceite de silicona. [ CITATION pce14 \l 10250 ]

Figura 11. Viscosímetro Krebs PCE-RVI 6, sirve para medir la viscosidad de pintura, lacas y otro tipo de revestimientos. [ CITATION pce14 \l 10250 ]

Figura 12. Copa de viscosidad, apta para líquidos de baja viscosidad, ya que cuenta con un pequeño orificio para que el líquido fluya. [ CITATION pce14 \l 10250 ]

VIII. CONCLUSIONES 

En el presente informe se puede decir que, al realizar la experiencia, los resultados obtenidos demuestran que a mayor temperatura el fluido se comporta más viscoso, demostrando que a mayor temperatura el fluido se demora menos tiempo en llenar el viscosímetro. Esto nos indica que cuando en un fluido baja su viscosidad este presenta menos resistencia a fluir.



Al experimentar con los fluidos (agua y alcohol etílico) se concluye que a mayor temperatura el valor de la viscosidad va a disminuir y a menor temperatura el valor de la viscosidad va a aumentar.



Es apropiado indicar que la viscosidad se conoce como una propiedad de los líquidos que se mide cuando éstos están en movimiento, como lo fue en esta práctica de laboratorio que se obtuvo la viscosidad cinemática del agua y el etanol, mediante el movimiento de una esfera en un líquido.

IX. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS X. Atkins, P.; de Paula, J. Atkins Química Física. 8ª ed. Capítulo 2. Editorial Médico Panamericana, 2008. pce-iberica. (30 de 09 de 2014). Recuperado el 01 de 09 de 2020, de https://www.pceiberica.es/instrumentos-de-medida/metros/viscosimetros.htm Shoemaker O. P. (1968). Experimentos en Fisicoquímica, McGraw-Hill.

Significado. (27 de 03 de 2018). Recuperado el 30 de 08 de 2020, de https://www.significados.com/viscosidad-dinamica-y-cinematica/ Tablas de densidad del agua líquida entre 0 °C y 100 °C. (2016). doi:https://es.scribd.com/doc/94148509/Densidad-del-agua-entre-0-y-100-C teleformacion. (s.f.). Recuperado el 31 de 08 de 2020, de http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/teoria/A_Franco/dinami ca/stokes/stokes.html