Práctica Número 2

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UNAM PRÁCTICA NÚMERO 2

VISCOSIDAD CINEMÁTICA DE UN LÍQUIDO Objetivos. 1. Obtener la constante de un viscosímetro capilar tipo Ubbelohde. 2. Determinar: la viscosidad cinemática de un fluido (por ejemplo gasolina) empleando para esto: un viscosímetro de de tubo capilar Ubbelohde. 3. Determinar la viscosidad cinemática de un fluido (aceite para motor) mediante un viscosímetro de copa (S-90 ZAHN)

Introducción. A nivel industrial, existe un número indefinido de equipos, con diferentes diseños, que se utilizan para medir viscosidad. Por lo tanto, los resultados que se obtienen varían dependiendo de las unidades en que se reporta la viscosidad, que pueden ser metro 2 cuadrado por segundo (m /s), Pascal segundo (Pa s), poises (P), stokes (St), segundos (s), (s), segundos Saybolt (SS), Unidades krebs (KU), entre otras; correspondiendo las dos primeras a unidades del Sistema Internacional. Para comparar las mediciones de viscosidad, es necesario relacionar los resultados de medición con las unidades del SI.

Unidades de la viscosidad dinámica y viscosidad cinemática. , es una unidad derivada que se expresa en las unidades

La unidad de viscosidad dinámica  base de longitud, masa y tiempo:

= La unidad de viscosidad cinemática cinemática tiempo:

=

=

, se expresa en las unidades básicas de longuitud y

En las mediciones de viscosidad cinemática, la gravedad es la causa que hace fluir al líquido dentro de un capilar (ejemplo de equipos que miden viscosidad cinemática son los viscosímetros capilares, copas de flujo, etc.); mientras que las mediciones de viscosidad dinámica se aplica una fuerza externa para inducir el movimiento del fluido (por ejemplo viscosímetros rotacionales, viscosímetros de placa paralelas, cilíndricos concéntricos, etc.). Por lo tanto todos los viscosímetros disponibles comercialmente obedecen a cualquiera de los dos principios, es decir, que miden viscosidad cinemática o viscosidad dinámica.

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La viscosidad dinámica y la cinemática se relacionan por medio de la densidad acuerdo a la siguiente expresión.

, de

(1)

Viscosidad del agua como base metrológica de la viscosimetria. Por razones prácticas, la viscosidad cinemática se usa en los patrones nacionales de la unidad de viscosidad. A nivel internacional, los patrones primarios de viscosidad se definen usando el valor del agua bidestilada a 20ºC y presión atmosférica, a partir de lo cual se materializa la escala de viscosidad que consiste en un juego de 20 viscosímetros capilares de vidrio tipo Ubbelode, con intervalos de medición que se traslapan. Los valores de la viscosidad del agua son aceptados internacionalmente como la base metrológica de la viscosimetría Según se declara en el Reporte técnico ISO TR 3666 el valor de referencia actual para la viscosidad cinem ática es

3

Usando el valor de = 0.99820 g/cm  para la densidad del agua a 20 ºC, el valor de la viscosidad dinámica del agua es el siguiente:

Patrones de viscosidad El principio de medición de los viscosímetros capilares está basado en la ecuación de Hagen-Poiseuille.

(2) Donde: Es el volumen del líquido que fluye durante el tiempo de flujo a través de un capilar de longitud y de radio bajo la influencia de la aceleración de la gravedad . La altura promedio de la columna del líquido en el viscosímetro durante la medición se denota como , como se aprecia en la figura 1

Figura 1 Viscosímetro capilar

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UNAM tipo Ubbelode

Todas las constantes de la ecuación (2) se pueden combinar en la constante viscosímetro

C  del

(3) La constante C, no se puede calcular con la exactitud necesaria a partir de las dimensiones físicas del viscosímetro, por lo que se determina usando materiales de referencia certificados en su valor de viscosidad. La ecuación 2  es válida para tiempos de flujo suficientemente largos o donde el efecto de la corrección de la energía cinética es despreciable. La calibración de los viscosímetros capilares consiste en determinar la constante C 2 2 [mm /s ], calculada a partir de los resultados de medición de los tiempos de flujo del agua. (Trujillo y Molina, 2006)

Copas de viscosidad S-90/ZAHN. La facilidad con que un fluido fluye a través de un orificio pequeño es una indicación de su viscosidad. Este es el principio sobre el cual está basado el viscosímetro de copa Las copas de inmersión Zahn - Gardner que se muestra en la figura 2, se pueden usar en cualquier lugar como en fábricas y laboratorios,  para una rápida verificación y ajuste de la viscosidad de muchos tipos de líquidos. La viscosidad de un líquido, medida mediante este viscosímetro es expresada en segundos, que el tiempo que tarda en pasar un volumen definido de 44 cc de líquido que fluye a través de un orificio en medio de la copa metálica. Figura 2 Viscosímetro de copa Cada copa dispone de un asa larga y curvada de 12 in, para sumergir la copa con la mano en el líquido. En el centro del asa hay un aro para introducir el dedo y así mantener la copa verticalmente durante su uso. Los resultados se dan en segundos Zahn a la temperatura específica del ensayo. Para convertir segundos Zahn a centistokes, se debe ver la norma ASTM D 4212; o la tabla de conversión respectiva, proporcionada en cada copa por el fabricante. (Ensayo_Fisico/Viscosidad/Copas_Zahn).

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Sustancias a emplear Agua bidestilada Aceite para motor 1 L Gasolina 100 ml

Material Juego de copas (5) Zahn- Gardner para viscosidad 1 viscosímetro de tubo capilar Ubbelode 1 cronómetro 1 termómetro 1 Vaso de precipitado de 500ml 1 Jeringa o pipeta de 10 ml 1 Pera

Procedimiento I. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

8.

Obtención de la constante del viscosímetro capilar. Medir la temperatura del agua bidestilada y mediante la jeringa o la pipeta extraer 1 ml. Vaciar el agua en el viscosímetro por el tubo de boca más ancha. Mediante la pera succionar el líquido por el tubo angosto hasta una altura mayor que la marca de referencia. Quitar la succión y tomar el tiempo que tarda el nivel de líquido de pasar de una marca a otra del viscosímetro. Anotar en la tabla 1 el tiempo de descenso del agua por el capilar Repetir el procedimiento del 3 al 5 hasta obtener al menos 5 lecturas de los tiempos de descenso del fluido. Obtener el valor de la constante del viscosímetro para cada lectura, despejando de la fórmula 3, la constante del viscosímetro (C) misma que tendrá las unidades 2 2 (mm /s ). Anotar los valores en la tabla 4 de resultados. Obtener un valor promedio de la constante. Anotar el valor en la tabla 4 de resultados, el valor promedio de la constante C  se empleará para conocer la viscosidad cinemática del fluido (gasolina).

II Obtención de la viscosidad cinemática y dinámica de la gasolina. 1. Medir la temperatura de la gasolina y mediante la pipeta obtener 1 ml de la misma. 2. Vaciar el mismo en el viscosímetro por el tubo de boca más ancha. 3. Mediante la pera succionar el líquido por el tubo angosto hasta una altura mayor que la marca de referencia. 4. Quitar la succión y tomar el tiempo que tarda el nivel de líquido (gasolina), de pasar de una marca a otra del viscosímetro.

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5. Anotar en la tabla de lecturas 2 el tiempo de descenso de la gasolina. 6. Repetir el procedimiento del 3 al 5 hasta obtener al menos 5 lecturas de los tiempos de descenso del fluido, anotando los valores en la tabla 4. 7. Obtener el valor de la viscosidad cinemática para cada lectura, empleando la ecuación 2, (el valor de la constante de viscosímetro es el valor promedio obtenido 2 en el procedimiento I) y las unidades de la viscosidad cinemática serán mm /s; Anotar los valores obtenidos en la tabla 5 de resultados. 8. Obtener un valor promedio de la viscosidad cinemática y anotarla en la tabla 5.

III Obtención de la viscosidad cinemática del aceite. 1. Agregar 500ml de aceite para motor al vaso de precipitado. 2. Medir la temperatura del aceite con ayuda del termómetro anotarla en la tabla 3 de lecturas 3. Seleccionar la copa #2 o #3 e introducirla totalmente en el aceite esperando un par de minutos para que se lleve a cabo un equilibrio térmico entre la copa y el aceite. 4. Antes de sacar la copa del aceite se debe tapar el orificio inferior por la parte exterior con un dedo. 5. Elevar el viscosímetro una distancia aproximada de 10 a 15 cm de la superficie del aceite sobre el vaso de precipitado, tomar la copa por el anillo superior para mantener su verticalidad con respecto al aceite. 6. Tomar el tiempo de vaciado, iniciando cuando retire el dedo de la copa y finalizando cundo se rompa el escurrimiento (hilo) de aceite. Con fluidos muy viscosos el tiempo finaliza cuando se aprecia el orificio inferior de la copa. 7. Tomar 5 tiempos de escurrimiento. Anotarlas en la tabla 3 de lecturas. 8. Obtener un tiempo promedio (segundos) y con ayuda de tabla de conversión correspondiente (ver al final de la practica, las tablas y fórmulas de conversión de acuerdo a la copa empleada), determinar la viscosidad cinemática del aceite en centistokes Anotarla en la tabla de resultados. O también se puede conocer la misma, empleando los factores de conversión de cada copa.

Nota: Los factores así como la tabla de conversión de cada copa proporcionada por el fabricante se incluyen el anexo.

Resultados. 1.-Reportar todos sus resultados en su respectiva tabla. 2.-Comparar los mismos con las reportadas en alguna literatura.

Conclusiones. Elaborar sus conclusiones con respecto a los objetivos, materiales, procedimientos, empleados y sus resultados obtenidos.

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Cuestionario. El alumno deberá elaborar y anexar 10 preguntas con su respectiva respuesta en relación al los objetivos, procedimientos, cálculos y resultados de la práctica realiz ada. 1. ¿Qué es la viscosidad cinemática? 2. ¿Qué mediciones deben hacerse para determinar la viscosidad dinámica cuando se utiliza un viscosímetro de tubo capilar como el empleado en la práctica? 3. Describa la diferencia entre un aceite SAE 20 y uno SAE 20W50. 2 4. Convierta una medición de viscosidad cinemática de 5.6 centistokes a m /s 5. ¿En donde se aplica la viscosidad cinemática?

Tablas de lecturas Pruebas

Tabla 1. Valor

Pruebas

Unidades

Tabla 2. Tiempo

Unidades

1 2 3 4 5

1 2 3 4 5

de la gasolina

Viscosímetro capilar Tabla 3. Copa # Pruebas

Tiempo

Unidades

1 2 3 4 5

Viscosímetro de copa

Tablas de resultados Pruebas

Tabla 4. Valor

Unidades

1 2 3 4 5

promedio Constante de viscosímetro (C) Laboratorio de Mecánica de Fluidos

Pruebas

Tabla 5. (valor)

unidades

1 2 3 4 5  promedio

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UNAM Tabla 6. Copa # Pruebas

(valor)

unidades

1 2 3 4 5  promedio

Viscosímetro de copa

Bibliografía. Trujillo Juárez Sonia y Molina Mercado Raúl: viscosidad, Centro Nacional de Metrología, 2006

Trazabilidad de las mediciones de

Publicaciones en línea. Publicaciones en línea, consultadas el 21 de febrero de 2013, disponible en internet en el sitio http://es.scribd.com/doc/33483567/Viscosimetros-industriales-y-de-laboratorio#download http://www.altana.com/fileadmin/BYK/downloads/instruments/Cat-Pages1011_ES/04_Ensayo_Fisico/Viscosidad/Copas_Zahn.pdf  http://www.cenam.mx/memsimp06/Trabajos%20Aceptados%20para%20CD/Posters/P17.pdf 

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INSTRUCCIONES PARA EL USO DE COPAS DE INMERSIÓN ZHAN 1. Seleccione la copa que se utilizará de la tabla de los valores permitidos. 2. Asegúrese de que la copa esté limpia, especialmente alrededor del orificio. 3. Ajuste la temperatura del material a ser probado, si es necesario. 4. Sosteniendo la copa por el anillo, sumérjalo en el fluido de prueba. 5. Mida y registre la temperatura de del fluido de la copa. 6. Sostener la taza verticalmente insertando el dedo bloqueando el orificio inferior de la copa. Levantar la copa del fluido de la muestra con un movimiento rápido quitar el dedo del orificio y comenzar a contar el tiempo en que el borde superior de la copa rompe la superficie (inicio del descenso). Du rante todo el tiempo del flujo, sostener la copa no más de 15 cm   sobre el nivel del fluido de la muestra. 7. Parar el cronómetro cuando el primer descanso definitivo en la corriente (rotura del flujo) en la base de la copa sea observada. 8. Registre el nombre de la copa, el número y el tiempo de flujo de salida en segundos así como la temperatura. 9. Inmediatamente limpiar la copa con cuidado de no desgastar el orificio. Utilice una cuerdade nylon para limpiar el orificio.

Ejemplo: Para utilizar la tabla de conversión para las copas para viscosidad S-90ZHAN Empleando la tabla de la copa #2: Supongamos que un tiempo de flujo de salida de 45.6 segundos. Lea en la columna izquierda el valor de 45, y de ahí hacia la derecha hasta la columna de 0.6; El valor en la intersección es 173.9 centistokes. La tabla puede ser leída a la inversa para encontrar el tiempo en segundos del flujo de salida dado un valor conocido el valor en centistokes s

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