Informe N°6 Laboratorio de Física II UNMSM

I.

I. introduccion En el siguiente informe vamos a trataren el tema de la viscosidad, este es lo opuesto a fluidez; pues define de modo simplificado como la mayor o menor resistencia que ofrece un líquido para fluir libremente. Todos los líquidos poseen algo de viscosidad. Hoy en día esta magnitud es muy importante debido a que está presente en el diseño de conductos para fluidos, acueductos, oleoductos, en las fábricas para el bombeo y traslado de los materiales que se procesan. En este informe podremos hallar la viscosidad del agua destilada y la del alcohol con ayuda del viscosímetro mediante la fórmula planteada en el informe.

II.

Objetivos 

Determinar el coeficiente de tensión superficial de los líquidos utilizados (agua y alcohol )  Conocer el concepto de viscosidad.  Evaluar la influencia de la temperatura sobre la viscosidad.

III.

Fundamento teórico

Viscosidad La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. La viscosidad sólo se manifiesta en líquidos en movimiento.

Explicación de la viscosidad Imaginemos un bloque sólido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial (por ejemplo: una goma de borrar sobre la que se sitúa la palma de la mano que empuja en dirección paralela a la mesa.) En este caso (a), el material sólido opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma (b), tanto más cuanto menor sea su rigidez. Si imaginamos que la goma de borrar está formada por delgadas capas unas sobre otras, el resultado de la deformación es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las adyacentes, tal como muestra la figura (c).

Deformación de un sólido por la aplicación de una fuerza tangencial.

En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad. Es su pequeña magnitud la que le confiere al fluido sus peculiares características; así, por ejemplo, si arrastramos la superficie de un líquido con la palma de la mano como hacíamos con la goma de borrar, las capas  inferiores no se moverán o lo harán mucho más lentamente que la superficie ya que son arrastradas por efecto de la pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con facilidad. Igualmente, si revolvemos con una cuchara un recipiente grande con agua en el que hemos depositado pequeños trozos de corcho, observaremos que al revolver en el centro también se mueve la periferia y al revolver

en la periferia también dan vueltas los trocitos de corcho del centro; de nuevo, las capas cilíndricas de agua se mueven por efecto de la viscosidad, disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos de la cuchara. Ejemplo de la viscosidad de la leche y el agua. Líquidos con altas viscosidades no forman salpicaduras.

Cabe señalar que la viscosidad sólo se manifiesta en fluidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo adopta una forma tal en la que no actúan las fuerzas tangenciales que no puede resistir. Es por ello por lo que llenado un recipiente con un líquido, la superficie del mismo permanece plana, es decir, perpendicular a la única fuerza que actúa en ese momento, la  gravedad,  sin existir por tanto componente tangencial alguna. Si la viscosidad fuera muy grande, el rozamiento entre capas adyacentes lo sería también, lo que significa que éstas no podrían moverse unas respecto de otras o lo harían muy poco, es decir, estaríamos ante un sólido. Si por el contrario la viscosidad fuera cero, estaríamos ante un superfluido que presenta propiedades notables como escapar de los recipientes aunque no estén llenos. La viscosidad es característica de todos los fluidos, tanto  líquidos como gases, si bien, en este último caso su efecto suele ser despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales.

Expresiones cuantitativas Existen diversos modelos de viscosidad aplicables a sustancias que presentan comportamientos viscosos de diferente tipo. El modelo o tipo de fluido viscoso más sencillo de caracterizar es el  fluido newtoniano, que es un modelo lineal (entre el gradiente de velocidades y las tensiones tangenciales) pero también existen modelos no lineales con adelgazamiento o espesamiento por cortante o como los plásticos de Bingham.

Fluido newtoniano Esquema que permite entender la resistencia al avance de una placa horizontal sobre la superficie de un fluido newtoniano. En un fluido newtoniano la fuerza de resistencia experimentada por una placa que se mueve a velocidad constante por la superficie de un fluido viene dada por:

Donde: , coeficiente de viscosidad dinámica. , área de la placa. , altura del nivel de fluido o distancia entre la placa horizontal y el fondo del recipiente que contiene al fluido.

Esta expresión se puede reescribir en términos de tensiones tangenciales sobre la placa como:

Dónde: v es la coordenada perpendicular a la dirección de la velocidad de la placa y dirigida hacia el fondo del recipiente.

Unidades Medidas de la viscosidad La viscosidad de un fluido puede medirse por un parámetro dependiente de la temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad: 

Coeficiente de viscosidad dinámico , designado como η o μ. En unidades en el SI: [µ] = [Pa·s] = [kg·m -1·s-1]; otras unidades: 1 poise = 1 [P] = 10 -1 [Pa·s] = [10 -1 kg·s-1·m-1]



Coeficiente de viscosidad cinemática , designado como ν, y que resulta ser igual al cociente entre el coeficiente d e viscosidad dinámica y la densidad del fluido. ν = μ/ρ. (En unidades en el  SI:  [ν] = [m 2.s-1]. En el sistema cegesimal es el stokes (St).

IV.

Materiales           

V.

soporte universal clamp pinza de agarradera viscosímetro de Ostwald termómetro vaso de precipitación picnómetro balanza probeta graduada cronometro líquidos: agua destilada, alcohol,

Procedimiento

1. Determine las densidades del agua destilada y el alcohol. Use el picnómetro (o la probeta de 10 ml) y la balanza digital. 

Determinar la densidad del agua

 ()



+ 

  ℎ =

 51.15



  ℎ 50   = 51.15  = 1.023 / =  50   =



Determinar la densidad del alcohol

 ()



+    =        = .  = . / =    2. Vierta agua destilada en el viscosímetro hasta que llene el bulbo C (Figura 2). 3. Insufle aire por la rama ancha hasta que la superficie del líquido por la otra rama delgada supere la señal A. Cubra la rama ancha con un dedo; evitara así que el líquido descienda por la gravedad. 4. Atención todo el grupo: Destape la rama ancha, y con el cronometro, tomen el tiempo que tarda el líquido en pasar por el menisco, desde la señal A hasta la señal B. Anote los valores en la tabla 1.

5. Remplace los valores en la ecuación (3) y evalué la viscosidad desconocida.

ɳ  ( =  °) = .  6. Caliente el agua en baño maría a la temperatura de 50 °C (utilice el vaso de precipitados grande casi lleno con agua), y repita los pasos anteriores. Anote los valores en la Tabla 1.

ɳ  ( =  °) = . 

Complete la tabla 1:

 ̅ ∆

 =  ° () ()

 =  ° ()

.

.

Sabemos que:

∆ =   +  =  () + ()  :    :   

 = √ − : :   

Entonces:

 1() -

-

-

: 35.112  =0.005   =  ∑(−)  =0.446

 = √ − =0.669 ∆ = √  +  -

∆ =.

Entonces:

() 







  =0.005   =  ∑(−)  =1.086 : 32.14

 = √ − =1.629



∆ =  2 +2

∆ =.

Para reforzar:

 =  ° () ()

 ̅ ∆

 =  ° ()

Entonces:

() -

-

: 65.262  =0.005   =  ∑(−)  =1.911

 = √ − =2.866 ∆ = √  +  -

∆ =.

(   =0.005   =  ∑(−)  =0.861 : 57.978

-

-

-

 = √ − =1.292 ∆ = √  +  ∆ =.

)

Cálculos de la viscosidad: De la ecuación (3) se tiene:

Utilizando el agua como sustancia conocida, se obtiene una expresión que permitirá calcular los coeficientes de viscosidad a t emperatura ambiente y temperatura de 50°C.

a. Hallamos la viscosidad del alcohol a 20 °C:     

ɳ  = 1.003   = 0.847 /  = 1.023 /  = 65.20   = 35.11 

20 1.003  ɳ  = 0.1.804765. 2335.11 ɳ  = 1.542 

b. Hallamos la viscosidad del agua a 20 °C:     

ɳ  = 1.003   = 0.847 /  = 1.023 /  = 57.98   = 35.11 

98 1.003  ɳ  = 0.1.804757. 2335.11 ɳ  = 1.371 

VI.       

VII. 

Conclusiones A mayor temperatura el valor de la viscosidad disminuye. Las viscosidades de los líquidos se pueden calcular a partir de las densidades que se calculan para cada temperatura. Con el viscosímetro de Ostwald se pueden determinar adecuadamente los tiempos en los que el líquido va a pasar de un punto A a un punto B. El método del picnómetro resulta ser más exacto para determinación de la densidad de los líquidos. Los líquidos con viscosidades bajar fluyen fácilmente y cando la viscosidad es elevada el líquido no fluye con mucha facilidad. La viscosidad y la densidad de las soluciones que se estudian van a depender de las concentraciones que tengan dichas soluciones.

Recomendaciones

Se deben tomar los tiempos de manera exacta cuando el líquido que se estudia pasa de un punto A a un punto B en el viscosímetro.  Los materiales que se utilizan para las diversas mediciones se deben lavar y secar por completo.  El picnómetro debe de ser llena do completamente hasta el capilar, luego del baño el picnómetro debe de secar por completo antes de ser pesado.  El volumen que se utiliza de agua debe ser el mismo para las soluciones de ron y alcohol que se han utilizado

VIII.

Bibliografía



HEWITT, P.G. (2004) Física conceptual. Pearson Educación. México.

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TOMASI, W. (2003) Sistemas de Comunicaciones Eléctricas. Pearson Educación. México.

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DOUGLAS, G. (2002) Física: Principios con Aplicaciones.

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Serway. Física. Editorial McGraw-Hill (1992).

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Física universitaria, Sears zemansky.

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Mosca Gene, Tipler Paul Allen. Física para la ciencia y la tecnología volumen 1. Editor Reverte 2006, Edición 5.  Mosca Gene, Tipler Paul Allen. Física para la ciencia y la tecnología volumen 2. Editor Reverte 2005, Edición 5. 

http://es.wikipedia.org/wiki/Viscosidad



http://taninos.tripod.com/viscosidad.htm

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http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/dinamica/viscosidad/viscosidad.html

IX.

Autoevaluación

1. Determinación del coeficiente de viscosidad. ¿a qué factor cree usted que se deba la discrepancia de los resultados obtenidos en comparación con los consignados en las tablas? c. Hallamos la viscosidad del alcohol a 20 °C:     

ɳ  = 1.003   = 0.847 /  = 1.023 /  = 65.20   = 35.11 

20 1.003  ɳ  = 0.1.804765. 2335.11 ɳ  = 1.542 

d. Hallamos la viscosidad del agua a 20 °C:     

ɳ  = 1.003   = 0.847 /  = 1.023 /  = 57.98   = 35.11 

98 1.003  ɳ  = 0.1.804757. 2335.11 ɳ  = 1.371 

Las discrepancias se debieron a los siguientes motivos: 

El método del picnómetro es un método muy exacto, además con ayuda de una balanza analítica los valores de los pesos son más exactos y se puede determinar la densidad muy próxima a la teórica para así poder hallar las viscosidades a diferentes temperaturas.  La misma concentración de la solución, nos generó resultados diferentes de viscosidad ya que presentaba un peso molecular bajo (20% en peso) y luego un peso molecular de etanol un poco alto (60% en peso). Esto hizo que la viscosidad varíe en ciertas proporciones con respecto a la muestra pura (100%).  El porcentaje de error tiene mucho que ver con los tiempos hallados con el viscosímetro de Ostwald y la determinación de la densidad de la sustancia pura a una temperatura de 20°C, ya que estos valores luego son utilizados para determinar las viscosidades de las sustancias

2. Dependencia de la viscosidad de los líquidos de la temperatura: usted habrá observado una muy rápida disminución del incremento de la temperatura. En época de verano. ¿Qué tipo de lubricante recomendaría para un automóvil? RELACIÓN DE LUBRICANTE CON LA TEMPERATURA Relación Viscosidad-Temperatura

 

La viscosidad es inversamente proporción a la temperatura. La variación de la viscosidad con la temperatura no es igual para todos los aceites.

Índice de Viscosidad Relación adimensional que mide la variación de la viscosidad de un lubricante con la temperatura.  – Alto IV : pequeñas variaciones de la viscosidad con la temperatura  –Bajo IV : grandes variaciones de la viscosidad con la temperatura 



Los aceites multigrado como SAE 5W-30 y 10W-30 son ampliamente usados, ya que se mantienen lo suficientemente fluidos a bajas temperaturas para fluir y tiene la viscosidad (resistencia de un aceite a fluir cierta temperatura) adecuada a altas temperaturas para permitir un funcionamiento adecuado del motor, a excepción de condiciones climáticas extremas. Tenga presente que los requisitos varían para cada vehículo. Si la temperatura ambiental más baja es Viscosidad SAE normal para vehículos livianos 0 °C: 5W-20, 5W-30, 10W-30, 10W-40, 20W-50 18°C: 5W-20, 5W-30, 10W-30, 10W-40 Menos de -18 °C: 5W-20,

5W-30

3. Determine el coeficiente de viscosidad para una mezcla que contenga 50% de agua destilada + 50% de ron.

N ron

=

N ron

=

N ron

=

N ron

=

N ron

=

N ron

=

N ron

=

N ron

=

|  ×  | n agua: |  ×  | |. ×(±.)| (1.005): |. ×(.±.)| |.±.| (1.005): |.±.| 1.949 ± 0.0458

|  ×  | n agua: |  ×  | |(.±.) ×(.±.)| (0.547): |(±.) ×(.±.)| |.±.| (0.547): |.±.| 0.699 ± 0.015

4. Enuncie un método para determinar la viscosidad de los líquidos medianamente viscosos y otro para los muy viscosos. Incluya las referencias. Los diferentes líquidos tienen distintas propiedades. Una de estas propiedades es la viscosidad, la resistencia del líquido a fluir. El agua, la leche y el jugo de frutas son comparativamente líquidos y fluyen con más facilidad que los fluidos más espesos y más viscosos como la miel, el jarabe de maíz, el champú o el jabón líquido. La viscosidad es una propiedad importante de los fluidos de perforación. Un fluido más viscoso tiene mejor capacidad para suspender los detritos de la roca y transportarlos hacia la superficie. Sin embargo, se necesita más presión para bombear los fluidos muy viscosos, provocando un desgaste natural adicional del equipo de perforación. Además, los fluidos viscosos son más difíciles de separar de los detritos. Una manera de probar la viscosidad de un líquido es observando cuánto tarda un objeto para hundirse en ese líquido. También puedes comparar las viscosidades comparando los diferentes tiempos de hundimiento para los diferentes líquidos.  Algunos líquidos, literalmente fluyen lentamente, mientras que otros fluyen con facilidad, la resistencia a fluir se conoce con el nombre de viscosidad. Si existe una mayor viscosidad, el líquido fluye más lentamente. Los líquidos como la maleza y el aceite de los motores son relativamente viscosos; el agua y los líquidos orgánicos como el tetracloruro de carbono no lo son. La viscosidad puede medirse tomando en cuenta el tiempo que transcurre cuando cierta cantidad de un líquido fluye a través de un delgado tubo, bajo la fuerza de la gravedad.