FIQT - Labo FisicoQuimica 1 - N°5 - Viscosidad de liquidos

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Viscosidad de líquidos 1)OBJETIVOS -

dquirir dquirir destre!a destre!a en en la medici"n medici"n de la #iscosida #iscosidad d de líquidos líquidos usando usando el m$todo del #iscosímetro de %st&ald' %bser#ar %bser#ar el e(ecto e(ecto de la tem)e tem)eratur ratura a en la #iscos #iscosidad idad de los los líqui líquidos' dos'

2) FUNDAMENTO FUNDAMENTO TEÓRICO Viscosidad

 Todos  Todos los *uidos reales reales tienen una resistencia interna interna al *u+o, o viscosidad, que )uede #erse como (ricci"n entre las mol$culas del *uido' Las (uer!as #iscosas se o)onen al mo#imiento de una )orci"n de un *uido en relaci"n con otra, es la ra!"n )or la que se diculta remar una canoa en aguas tranquilas, )ero tambi$n es lo que .ace que (uncione el remo' Los e(ectos de la #iscosidad son im)ortantes en el *u+o de *uidos en las tuberías, en el *u+o de la sangre, en la lubricaci"n de las )artes de un motor y en muc.as otras situaciones' /n los líquidos, la #iscosidad se debe a (uer!as de co.esi"n de corto alcance0 en los gases, se debe a los c.oques entre las mol$culas' mol$culas' La resistencia a la #iscosidad tanto de líquidos como de gases de)ende de su #elocidad y )odría ser directamente )ro)orcional )ro)orcional a ella en algunos casos' in embargo, la relaci"n #aría de)endiendo de las condiciones' La (ricci"n interna .ace que las distintas ca)as de un *uido se mue#an con di(erente ra)ide! en res)uesta a un es(uer!o cortante' /ste mo#imiento relati#o de ca)as, llamado *u+o laminar, es característico del *u+o estable de líquidos #iscosos a ba+a #elocidad'   #elocidades m2s altas, el *u+o se #uel#e rotacional, o turbulento, y di(ícil de anali!ar' anali!ar' 3uesto que en el *u+o laminar .ay es(uer!os cortantes y de(ormaciones de(ormaciones )or corte, la )ro)iedad de #iscosidad de un *uido )uede describirse con un coeciente'  La #iscosidad se caracteri!a con un coeciente de #iscosidad 4n' /l coeciente de #iscosidad es, en e(ecto, la ra!"n del es(uer!o cortante entre la tasa de cambio de la de(ormaci"n cortante 6)orque .ay mo#imiento7' mo#imiento7' 8n an2lisis dimensional re#ela que la unidad I de #iscosidad es )ascal-segundo 63a · s7' /sta unidad combinada se denomina )oise#ille 63l'7 en .onor al cientíco (ranc$s 9ean 3oise#ille 61:;:-1

y en es)ecial de la sangre' La unidad ?@ de #iscosidad es el )oise 637' e usa muc.o un submAlti)lo, el cent )oise 6c)'7'

Le de !a"e# $ %oise&i''e

La #iscosidad diculta el an2lisis del *u+o de *uidos' 3or e+em)lo, cuando un *uido *uye )or una tubería, .ay (ricci"n entre el líquido y las )aredes, )or lo que la #elocidad del *uido es mayor .acia el centro del tubo 6gura 6b77' /n la )r2ctica, este e(ecto in*uye en la tasa promedio de fujo de un *uido, que describe el #olumen 6 V 7 de *uido que )asa )or un )unto dado durante un tiem)o t ' La unidad I de tasa de *u+o es metros cAbicos )or segundo 6mBCs7' 6mBCs7' La tasa de *u+o de)ende de las )ro)iedades del *uido y de las dimensiones del tubo, así como de la di(erencia de )resi"n 6 p7 entre los extremos del tubo'  9ean 3oiseuille 3oiseuille estudio el *u+o en tubos y tuberías, tuberías, su)oniendo su)oniendo una #iscosidad #iscosidad constante y *u+o estable o laminar, y dedu+o la siguiente relaci"n, conocida como 'e de %oise&i''e , )ara la tasa de *u+oD

quí, r es el radio del tubo y L es su longitud' ?omo se es)eraría, la tasa de *u+o es in#ersamente )ro)orcional a la #iscosidad 6n7 y a la longitud del tubo, y directamente )ro)orcional a la di(erencia de )resi"n  p entre los extremos del tubo' No obstante, algo m2s ines)erado es que la tasa de *u+o es )ro)orcional a r E, E, de manera que de)ende m2s del radio del tubo de lo que .ubi$ramos )ensado'

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B

onde GD Gadio del tubo donde circula el *uido nD #iscosidad del *uido QD Tasa de *u+o LD Longitud del tubo  H)D ?aída de )resi"n )resi"n en los lados lados del tubo

Viscos(e*+o de Os*,a'd

/l #iscosímetro de %s&ald es el m2s antiguo de los #iscosímetros ca)ilares de ca)ilares  de #idrio #idrio'' e nombra en .onor del químico alem2n del 2ltico Jil.elm %st&ald 617, %st&ald  617, que (ue qui$n lo ide"' ?omo ocurre en general en este ti)o de #iscosímetros la (uer!a im)ulsora es im)ulsora  es la gra#edad gra#edad'' La (orma m2s usual de este a)arato sencillo y sucientemente seguro, )ara com)arar las #iscosidades de di(erentes líquidos, se muestra en la gura 6?7' La rama i!quierdo del tubo en 8 es, en esencia, una )i)eta con dos marcas denidas  y , y un ca)ilar de )aredes resistentes ?, a tra#$s del cual el líquido contenido en el ensanc.amiento  *uye )or la acci"n de la gra#edad .acia el ensanc.amiento ensanc.amiento /, sitiado en la rama derec.a' e .ace uso de un #olumen denido de líquido , que es introducido introducido en el tubo F con una )i)eta calibrada0 la cantidad debe ser la suciente )ara que cuando el líquido sea succionado .acia la rama de la i!quierda y )or encima del enrase , toda#ía el menisco de la derec.a est$ dentro del ensanc.amiento ensanc.amiento /' /l líquido tiende a #ol#er a su )osici"n inicial si se le )ermite re*uir' re*uir' ?uando el menisco )asa )or el enrase  se )one en marc.a un cron"metro cron"metro que se )ara cuando el menisco )asa )or el enrase  y este tiem)o debe ser registrado'

Facultad de Ingeniería Química y Textil Laboratorio N°5 de Fisicoquímica Fisicoquímica I /ste #iscosímetro .a )adecido di#ersas modicaciones dando lugar al #iscosímetro ?anon-FensKe

Viscos(e*+o Ca#o#-Fe#s.e Desc+i/ci0# de' viscos(e*+o

/l #iscosímetro de ?annon - FensKe est2 basado en el mismo )rinci)io que el #iscosímetro de %s&ald' e a)lica a )lica Anicamente a líquidos trans)arentes' /xisten di#ersos ti)os de #iscosímetros ?annon - FensKe, en (unci"n de la #iscosidad a medir, )or lo que debe tomarse )ara el ensayo el que est$ dentro del rango de #iscosidades a medir' medir'

E

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Proceso de medida

- /(ectuar la medida con el #iscosímetro lim)io y seco' i la muestra contiene o )uede contener )ol#o o )artículas en sus)ensi"n, se ltrar2 a tra#$s de una )laca )orosa' - Llenar el #iscosímetro, a tem)eratura ambiente, coloc2ndolo in#ertido en )osici"n #ertical y con el extremo de la rama con los bulbos sumergido en el líquido muestra' - /n la )osici"n indicada, succionar )or la rama derec.a .asta que la muestra llene los dos bulbos y llegue exactamente .asta la marca de a(oro in(erior67' -8na #e! lleno el #iscosímetro, se #uel#e # uel#e a su )osici"n normal y el líquido descender2 a  in(erior' - ontar el #iscosímetro dentro de un baMo termost2tico6>5, B ,B5, E°? )ara el labor  de modo que quede sumergido todo el bulbo su)erior s u)erior'' /s)erar unos 15 minutos )ara q con+unto alcance la tem)eratura del baMo' - 3ara e(ectuar la medida se succiona el líquido )or medio de una )ro)i)eta, conectada rama  ca)ilar 6derec.a7, .asta que el líquido alcance la marca de a(oro situada entre los dos - e+ar caer libremente el líquido y medir el tiem)o que tarda en )asar desde el )rimer .asta el segundo6F7' -/(ectuar una nue#a medida, sin lim)iar ni desmontarle del termostato' 3romediar las medidas en el caso de que no su)eren un O 5 P de di(erencia entre ellas' sí )ara cad  la tem)eraturas y )ara el etanol'

=

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3) DATOS DATOS TEORICO/EXPERIMENTAL. 3.1. DATOS TEORICOS: Viscosidad de a!"a a di#ere$%es %em&era%"ras T '(C) *+ *3 *, 3+ 3, -+

μ

 '!/m.s)

0,001003 0,000933 0.000891 0.000798 0.000720 0.000653

Tabla N°1: Fuente: www.vaxasoftware.o! •

De$sidad de a!"a a di#ere$%es %em&era%"ras T '(C) *+ *3 *, 3+ 3, -+

ρ  '!/m3) 998,2 997,5 997,1 995,7 99",1 992,2

Tabla Tabla N°2: Fuente: #$T%&'F ($))*, +N%. +nen-era +nen-er a /e auas res-/uals. res-/ua ls. # rawll -ll. 3a e/--n

:

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Viscosidad de e%a$o a di#ere$%es %em&era%"ras Viscosidad de e%a$o T '(C)

μ

 'c&)

1."66 1.200 1.136 1.003 0.83" 0.702

1+ *+ *3 3+ -+ ,+

Tabla N°3: Fuente: tt4:www2.stetson.e/uwrubbs tt4:www2.stetson.e/uwrubbs/ata/r-venv-sos-t /ata/r-venv-sos-tv-sos-twt4/f v-sos-twt4/f.4/f  .4/f 

•

De$sidad de e%a$o a *3(C De$sidad de e%a$o T '(C)

ρ

*3

 '!/mL)

0.78691

Tabla N°ED FuenteD .tt)DCCen'&iKi)ed .tt)DCCen'&iKi)edia'orgC&iKiC/t ia'orgC&iKiC/t.anol6data) .anol6data)age7 age7

3.*. DATOS DATOS EXPERIMENTALES: EXPERI MENTALES: Vo"me$ de a!"a: 19!' Li"ido A!"a

T '(C) 23 25 30 35 "0 23

E%a$o

T&romedio  's) 11,81 11,13 10,98 10,23 9,6" 21,95

Tabla Tabla N°.5: N°.5: T-e!4o !e/-/os en el el v-sos!etro v-sos!etro /e stwal/ stwal/ 200610 %&NNN F$N;e!4la?an/o 2 en 1: 4

 π r t ρ g  μ= 8 V  $l ra/-o en fun-n /e @,A,t,B:

r=

√ 4

 μ 8 V  πt ρ g alla!os el ra/-o a4-lar a 23 °%: @23°%C0.000933eal-?an/o los !-s!os Dlulos 4ara las s-u-entes te!4eraturas. T '(C)

r ( mm )

23 25 30 35 "0

0.791 0.793 0.775 0.769 0.762

Tabla N°6: >a/-os a4-lares baEo /-st-ntas te!4eraturas.

r 4ro!e/-oC 0,778!!

2 Ca'c&'e 'a viscosidad de' e*a#o' 8sando la siguiente ecuaci"n a tem)eratura ambiente 6>B°?7D  μetanol =

t etanol × ρ etanol t agua × ρ agua

× μ agua

;

Facultad de Ingeniería Química y Textil Laboratorio N°5 de Fisicoquímica Fisicoquímica I Geem)la!andoD  μetanol =

21,95 × 0,78691 11,81 × 0,99762

× 0,93504

 μetanol =1,4727 cp %error =

|1,3708 −1,1362| 1,1362

× 100

%ERROR= 20,64

-.3. Ec"aci0$ de a iscosidad de a!"a 2ao e &ar4me%ro i$de&e$die$%e de a %em&era%"ra.

T '(C)

μ

20 23 25 30 35 "0

 'm&)

1,003 0,933 0,891 0,798 0,720 0,653

Tabla N°7: Aalores Aalores ter-os /e v-sos-/a/ /el aua a /-st-ntas te!4eraturas to!a/os 4ara /ar aEuste a una eua-n.

5'm&) s T'(C)

1

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1'>

1

(6x7 R NxS> - N'NEx  1'5; GU R 1

N'<

µ(mp)

N'=

N'E

N'>

N 15

>N

>5

BN

B5

EN

E5

 T6°?7  T 6°?7

)e ual se extrae la s-u-ente eua-n /e seun/o ra/o:

C0,0003T2  0,035"T 0,035"T  1,5895 5C0,0003T

-.-. Ec"aci0$ de a iscosidad de a!"a 2ao e &ar4me%ro i$de&e$die$%e de a %em&era%"ra. T '(C) 20 23 25 30 "0

μ

 'm&)

1,200 1,136 1,07" 1,003 0,83"

Tabla N°8: Aalores Aalores ter-os /e v-sos-/a/ /el etanol a /-st-ntas te!4eraturas to!a/os 4ara /ar aEuste a una eua-n.

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Facultad de Ingeniería Química y Textil Laboratorio N°5 de Fisicoquímica Fisicoquímica I 5'm&) s

T'(C)

1'>

(6x7 R xS> - 'Bx  1':E

1 '<    7   )   m '=    6

'E '>  15

>

>5

 T B

B5

E

E5

)e ual se extrae la s-u-ente eua-n /e seun/o ra/o:

u C 0.0002T2  0.0316T  1.7387

-.,. O%ros iscos6me%ros

Viscos(e*+os de ci'i#d+os coa3ia'es

/ste ti)o de #iscosímetros consta de dos cilindros, uno interno y otro externo' Lo que )ermiten los #iscosímetros de cilindros coaxiales es reali!ar la medida de la #iscosidad absoluta de un *uido' 3or lo regular se utili!a en a)licaciones donde se tiene que medir el ni#el de #iscosidad de )roductos como )inturas, )roductos alimenticios, sus)ensiones, entre otros' Viscos(e*+os a#4'o"os

Los Los #isc #iscos osím ímet etro ross an2l an2log ogos os se (orm (orman an con con un disc disco o o un cili cilind ndro ro que que se encuentra sus)endido y gira )or la acci"n de un motor sincr"nico' La lectura de

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1>

la medida del ni#el de #iscosidad se ex)resa )or una serie de medidas grabadas en el disco o en el cilindro que se utilice' /ste /ste ti)o ti)o de #iscos #iscosíme ímetr tros os suele suele ser utili! utili!ad ado o en la indust industria ria alimen alimentic ticia, ia, (armac$utica (armac$utica y en la medici"n de #iscosidad de )inturas y grasas' Viscos(e*+os +o*acio#a'es di"i*a'es

3ara asegurar una medici"n exacta del ni#el de #iscosidad de *uidos, los #iscos #iscosíme ímetr tros os rotac rotacion ionale aless digita digitales les son la elecci elecci"n "n adecu adecuada ada'' /stos /stos son controlados a tra#$s de un micro)rocesador, esto elimina )or com)leto los errores .umanos al momento de inter)retar las medidas de #iscosidad' u ni#el de exactitud y )recisi"n en las medidas es alto, )or lo regular cuentan con dis)ositi#os de medici"n y control de tem)eratura del *uido anali!ado )ara garanti!ar un ambiente constante de medici"n' /sto re)resenta una #enta+a res)ecto de los otros dos ti)os de #iscosímetros, ya que es im)ortante conocer la tem) tem)era eratu tura ra a la que que se some somete te un *uid *uido o )ues )uesto to que que $sta $sta in*u in*uen enci cia a directamente directamente al ni#el de #iscosidad'

,) O7SERVACIONES: 1. &l au!ento /e la te!4eratura, el t-e!4o Gue /e!ora el flu-/o en /es4la?arse es !enor  en un tra!o /e lon-tu/ onstante. 2. & te!4eratura onstante, el t-e!4o Gue /e!ora el etanol en /esen/er un tra!o es !aor Gue /el aua. 3. la var-an?a en el volu!en /e aua es /es4re-able al au!ento /e te!4eratura /e un rano 23°% a "0°%=.

8) DISC9SION DE RES9LTADOS: 1. >a?n 4or 4or ual el ra/-o a4-lar a4-lar a 23°% es es !enor Gue Gue el /e 25°% se /ebe /ebe al t-e!4o t-e!4o rono!etra/o !e/-/o en el laborator-o, a Gue !e/-r el /esenso /el lGu-/o a te!4eraturas eranas, ex-ste !enor 4re-s-n en ello. 2. allar el error en la v-sos-/a/es v-sos-/a/es /el aua, aua, no 4u/o ser ser 4os-ble a Gue no se obtuvo ex4er-!ental!ente los valores /e la v-sos-/a/. * l-!-tan/o real-?ar !aor anDl-s-s en su valor. 3. 'a v-sos-/a/ v-sos-/a/ /e /e un lGu-/o, lGu-/o, /-s!-nue s- au!enta au!enta la te!4eratura, te!4eratura, a Gue la oes-n !oleular /eter!-na la v-sos-/a/. &l au!entar la te!4eratura, au!enta

Facultad de Ingeniería Química y Textil Laboratorio N°5 de Fisicoquímica Fisicoquímica I la v-sos-/a/.

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enera -nHt-a !oleular, /-s!-nuen/o la oes-n  4or tanto la

 egAn los datos obtenidos #emos que la #iscosidad del etanol y del agua disminuyen al incrementar la tem)eratura 5 /l error encontrado se debe a #ariaciones en la tem)eratura, ya que debido a esto cambia las densidades y #iscosidades de los líquidos 6 /ste ti)o de #iscosímetro de %st&ald es Atil )ara líquidos de #iscosidad relati#amente ba+a ya que su tiem)o de descenso tambi$n es ba+o ) CONCL9SIONES: 1. $l etanol etanol 4rese 4resenta nta !aor !aor v-so v-sos-/a s-/a/ / Gue el el aua. aua. 2. 'a v-sos-/a/ v-sos-/a/ /e /e estos lGu-/os /-s!-nue onfor!e ex-ste un au!ento /e te!4eratura, aso ontrar-o este au!enta. 3. ra-as al A-sos!etro A-sos!etro /e stwal/ stwal/ %annon %annon FensIe=, FensIe=, nos nos /a !aor !aor exat-tu/ exat-tu/ en la !e/--n /e la v-sos-/a/ a Gue estD /-seJa/o 4ara lGu-/os trans4arentes. ". 'a var-an?a var-an?a en los ra/-os ra/-os a4-lares a4-lares se /ebe /ebe es4e-al!en es4e-al!ente te 4or la -!4re-s-n al !e/-r el t-e!4o /e /esenso /el l-Gu-/o.

5' /l .ec.o .ec.o de que el etanol etanol sea m2s #iscoso #iscoso que que el agua, aun aun cuando cuando sus (uer!as intermoleculares intermoleculares son menores, se debe a que el etanol tiene una masa molecular mayor que la del agua

7) BIBLIO8RAF9A -

JIL%N, JIL%N, 9/GG 9/GG0 0 NTW%N NTW%N 9' 8F 8F0 % % L%8' L%8' Física Física'' exta exta edici edici"n' "n' /ditorial 3/G%N /8??IXN, $xico, >:' 32g' B>5-B>= %8N@, W8@W ' y G%@/G G%@/G ' ' FG// FG//N' N' Física Física uni#ersita uni#ersitaria ria #olum #olumen en 1' ecimosegunda ecimosegunda edici"n' /ditorial 3/G%N /8??I%N, $xico, >;' 32g' E:B' Finldlay inldlay ' ,Le#itt ,Le#itt ' 3' 3' Química Química Física Física )r2cti )r2ctica ca de Findl Findlay, ay, No#ena No#ena edici"n' /ditorial G/V/GTY '',/dici"n en es)aMol'/s)aMa,1;:;, 32g'1E-15

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1E

%4"i#as :e; co#s&'*adas -

.tt)DCCdocsetools'comCarticulos-de-todos-los-temasCarticle>>>&e +ea'i?a *+a;a@o e# dis*i#*as *e/e+a*&+as

La #iscosidad es un )ar2metro im)ortante en los aceites lubricantes y segAn la a)licaci"n debe tener la #iscosidad adecuada' La #iscosidad de un )roducto es a(ectada )or la tem)eratura, a mayor tem)eratura menor #iscosidad 3or e+em)lo la lubricaci"n de una !ona muy caliente de una m2quina, necesita un aceite de alta #iscosidad, dado que la tem)eratura al ba+ar la #iscosidad no de+a de lubricar' /n cambio utili!ando un aceite de ba+a #iscosidad, con el aumento de la tem)eratura se )uede llegar al rom)imiento de la )elícula de aceite y la consecuente soldadura de las )artes que ro!an' /n cambio )ara lubricar una m2quina muy (ría, se debe utili!ar un aceite de ba+a #iscosidad' 3or 3or la misma ra!"n si se usa uno de alta #iscosidad, con el (río aumenta y )uede llegar a generar muc.o traba+o )ara e(ectuar el mo#imiento'

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Imagen 1D /ngrana+es lubricados en las intersecciones, de)endiendo a que tem)eratura traba+en, se requiere requiere una mayor o menor #iscosidad en el lubricante'

I#d&s*+ia a'ie#*a+ia La )ro)iedad de la #iscosidad tambi$n es im)ortante en Ingeniería de limentos, tanto )ara establecer condiciones de )roceso 6trans)orte de *uidos, intercambio intercambio de calor o secado7 y como )ar2metro de control de la calidad, ya que la #iscosidad es una )ro)iedad sicoquímica sicoquímica que in*uye en la textura y )erce)ci"n de un alimento *uido al ser ingerido )or el consumidor 6e+em)lo, tener una #iscosidad adecuada )ara el yogurt, alguna crema o una bebida re(rescante7' ic.o error en la #iscosidad que )odría obtenerse al .acer un control de calidad, )uede deberse a que existe una ele#ada6o esca!a7 cantidad de cierto com)onente como - ?ontenido de grasa' - ?ontaminaci"n de s"lidos Que alteran ciertas )ro)iedades del )roducto, ya sean - abor - Velocidad de en(riamiento' - Variaci"n en la consistencia )or e(ecto de calentamiento'

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Imagen> D /n un e+em)lo, la elaboraci"n del yogurt, este debe tener una cierta Viscosidad, Viscosidad, )ara que no )resente alteraciones en su calidad como )roducto