Viscosidad de líquidos: Método de la esfera descendente

¨A ño de del bue uen n se ser vi vici cio o al al ci ciud uda adano¨ U ni nive verr si sid dad N aci cio ona nall ¨S ¨ S an Lui L uiss Go G onz nza ag a¨ de I ca Tema: Viscosidad de líquidos: Método de la esfera

descendente Fisicoquimica II Curso: Fisicoquimica Docente: Marreros Cordero, Mara  Alumnos  Alum nos::    

Casas Avalos, Rosario Lisbeth. Pérez Vega, Karol Vanessa. Tomateo Vásquez, Erickson. Torres Soto, Joan. Ciclo: V

Sección: ‘‘A’’ 

ICA-PERÚ 2017

Universidad Nacional “San Luis Gonzaga” de Ica  FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

Introducción La práctica de viscosidad es una práctica muy importante en el sentido industrial debido a que esta se fundamenta mucho en leyes físicas y químicas que nos permite entender porque tal compuesto es más espeso que otro, o porque un compuesto es utilizado como lubricante, etc. El saber cuan viscoso es una solución nos permite saber por ejemplo su peso molecular, es decir podemos determinar el peso molecular de una solución desconocida gracias al método de viscosidad. El poder estudiar la viscosidad de una sustancia nos ayuda a concluir cuanto varia con respecto a la temperatura, si es más viscoso o menos viscoso, etc. El conocimiento de la viscosidad de un líquido nos ayuda en el área de mecánica de fluidos ya que podemos saber qué tipo de líquido es importante y porque usarlo u sarlo en tal máquina para que esta funcione en óptimas condiciones. O porque usar tal lubricante para carro a tal temperatura y porque no usar otro. O tal vez en las bebidas beb idas como las cervezas, ya que la viscosidad influye mucho en el gusto de la persona, etc. En fin, el conocimiento de la viscosidad trae consigo muchas conclusiones que pueden llevar al éxito de una empresa.

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Objetivos

Determinar la viscosidad de un líquido en flujo laminar. Interpretar el concepto de viscosidad. Determinar la viscosidad utilizando diferentes métodos. Calcular los errores experimentales en la determinación de la viscosidad y estimar las correcciones necesarias.

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Marco Teórico La viscosidad es lo contrario de la fluidez, generalmente se define como resistencia al flujo. Los líquidos (y también los gases) pueden fluir, es decir desplazarse una porción respecto a otra. Las fuerzas de cohesión entre moléculas originan una resistencia interna a este desplazamiento relativo denominado viscosidad. Se llama viscosidad o frotamiento interno a la resistencia experimentada por una porción de un líquido cuando se desliza sobre otra como consecuencia del rozamiento molecular. El agua fluye más fácilmente que la melaza y esta con más facilidad q una pasta de caucho. Los aceites de motor están clasificados en una escala que corresponde a su viscosidad. Como la viscosidad normalmente aumenta cuando disminuye la temperatura tenemos que reemplazar el aceite para motor “pero de verano” (alta viscosidad) con uno de viscosidad más baja para el tiempo frío. En base al modelo cinético molecular. la viscosidad de los gases aumenta al aumentar la temperatura. la viscosidad de los líquidos disminuye al aumentar a la temperatura. Las viscosidades de los líquidos se miden comúnmente con el viscosímetro de Ostwald, o para líquidos más viscosos con el viscosímetro de esfera. La unidad de viscosidad es el poise (1g.cm-1. s  – 1), es el más favorable para determinar la viscosidad de un líquido por comparación con otro liquido cuya viscosidad ya es conocida y en condiciones experimentales idénticas.

Viscosidad de los líquidos: La viscosidad de un líquido puede ser determinado su velocidad de flujo a través de un bulbo capilar. Para el volumen (v) de un líquido que fluye a través de un tubo capilar de radio r, longitud L, en un tiempo t, bajo una diferencia de presión P; su viscosidad N es expresada mediante la ecuación de Poiseville:

N = (P)(π)(r)(t) / 8vL  Si las dimensiones del capilar y el volumen del líquido que fluye son constantes, entonces para dos líquidos, uno de ellos el de referencia, se tiene: Ni, 1/ Ni,2= Di,1x ti,1 / Di,2x ti,2………………………(1) 

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Donde las presiones son proporcionales a la densidad. Esta ecuación es la base del viscosímetro de Ostwald.

Ni,1: Viscosidad del líquido de referencia Ni,2: Viscosidad la que vamos a hallar Di,1: Densidad del líquido de referencia. Di,2: Densidad del que vamos a hallar su viscosidad ti,1: Tiempo en que escurre el líquido de referencia ti,2: Tiempo en que escurre el segundo liquido

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Procedimiento Experimental Materiales: 3 esferas de vidrio de diámetro diferente, Vasos de precipitación,  Tubo cilíndrico, Balanza analítica, Cocinilla, Termómetro.



Reactivos: 

Agua

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1.- Llene el tubo cilíndrico limpio y seco con el fluido cuya viscosidad se quiere medir. Asegúrese de que no queden burbujas en el seno del líquido  y tome su temperatura. Verifique que el tubo esté colocado verticalmente. Secamos

bien el tubo

Calentamos

Llenamos

el agua

el tubo

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Y

lo evaluamos descendiendo:

a

3

temperaturas

diferentes

mientras

vaya

-67ºC -50ºC -30ºC

2.- Consiga tres esferas de vidrio de diámetro diferente. Lávelas con agua. Séquela.

3.- Mida el diámetro de cada una de las esferas y determine el peso de cada uno de ellos con la balanza analítica. Con estos datos puede determinar el peso específico de cada esfera. Cuide de la confusión si las esferas son aproximadamente iguales. Mejor

hallamos el radio de cada esfera para luego poder hallar más fácilmente su volumen. Para ello medimos la cuerda de longitud:

Cuerda de longitud = 2. .  r=

Cuerda de longitud 2

Siendo:  = 3.1416 = Y

     . 

para hallar su peso nos ayudamos de la balanza analítica

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*En la esfera 1 (canica grande):

Cuerda de longitud: 7.5 cm Reemplazamos en: r=

Cuerda de longitud 2  3.1416 r=

7.5 cm 2  3.1416

r = 1.1937 

Hallamos

su peso:

m= 20.834 g

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* En la esfera 2 (canica marrón):

Cuerda de longitud: 4.6 cm Reemplazamos en: r=

Cuerda de longitud 2  3.1416 r=

4.6 cm 2  3.1416

r = 0.7321

Hallamos

su peso:

m= 5.097 g

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*En la esfera 3 (canica verde-azul):

Cuerda de longitud: 5 cm Reemplazamos en: r=

Cuerda de longitud 2  3.1416 r=

5 cm 2  3.1416

r = 0.7958 

Hallamos

su peso:

m= 4.800 g

4.-  Tome una esfera y llévala cuidadosamente sobre la superficie del líquido en el tubo del cilindro. Prepárese con el cronómetro.

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*En la esfera 1 (canica grande):

*En la esfera 2 (canica marrón):

*En la esfera 3 (canica verde-azul):

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5.- Mida el tiempo cuidadosamente, el viaje de la esfera entre las marcas señaladas en el tubo cilíndrico. Mida el espacio “h” entre dichas marcas Medimos

cada caso con la ayuda de una wincha

*En la esfera 1 (canica grande):

Para 67ºC  hinicial: 38 cm  t= 1.21 seg (38.2 cm)

Para 50ºC  hinicial: 38.5 cm t= 0.56 seg (38.7 cm)

Para 30ºC  hinicial: 39 cm t= 0.85 seg (39.2 cm)

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*En la esfera 2 (canica marrón):

Para 67ºC  hinicial: 38 cm  t= 1.80 seg (38.3 cm)

Para 50ºC  hinicial: 38.5 cm  t= 0.45 seg (38.7 cm)

Para 30ºC  hinicial: 39 cm  t= 0.93 seg (39.3 cm)

*En la esfera 3 (canica verde-azul):

Para 67ºC  hinicial: 38 cm  t= 1.50 seg (38.4 cm)

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Para 50ºC  hinicial: 38.5 cm  t= 0.77 seg (38.9 cm) Para 30ºC  hinicial: 39 cm  t= 1.19 seg (39.4 cm

6.- Haga tres determinaciones para cada líquido. *Agua a 67ºC o

hinicial: 38 cm

En la esfera 1 (canica grande):  

t= 1.21 seg hfinal= 38.2 cm

En la esfera 2 (canica marrón):  

t= 1.80 seg hfinal= 38.3 cm

En la esfera 3 (canica verde-azul):  

t= 1.50 seg hfinal= 38.4 cm

*Agua a 50ºC o

hinicial: 38.5 cm

En la esfera 1 (canica grande):  

t= 0.56 seg hfinal= 38.7 cm

En la esfera 2 (canica marrón):  

t= 0.45 seg hfinal= 38.8 cm

En la esfera 3 (canica verde-azul):  

t= 0.77 seg hfinal= 38.9 cm

*Agua a 30ºC o

hinicial: 39 cm

En la esfera 1 (canica grande):  

t= 0.85 seg hfinal= 39.2 cm

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En la esfera 2 (canica marrón):  

t= 0.93 seg hfinal= 39.3 cm

En la esfera 3 (canica verde-azul):  

t= 1.19 seg hfinal= 39.4 cm

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Cálculos 1. Según la Ecuación de Stokes: La ley de Stokes se ha comprobado experimentalmente en multitud de fluidos y condiciones. Si las partículas están cayendo verticalmente en un fluido viscoso debido a su propio peso puede calcularse su velocidad de caída o sedimentación igualando la fuerza de fricción con el peso aparente de la partícula en el fluido.  u = viscosidad

r = radio de la esfera

 u =

  (−´) 

P= peso en masa P´ = peso especifico V= velocidad de escurrimiento de la esfera

1.1. Hallando: r = radio de la esfera P= peso en masa P´= peso especifico

De datos obtenidos en laboratorio: ESFERA

RADIO (cm)

1 2 3

Para:

y

Esfera 1 (canica grande) MASA (gramos) VOLUMEN (cm3 = mL) DENSIDAD (gr/mL)

Esfera 2 (canica marrón)

Esfera 3 (canica vede- azul)

20.834

5.097

4.800

7.1248 2.924152257

1.6436 3.101119494

2.1111 2.273696177

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Sean las sgtes. Temperaturas de orden constante:

TEMPERATURA (°C) 30 50 67 Para P´=

p

esfera /

P´ 30°C 50°C 67°C

promedio 1.2.

49

p

DENSIDAD H2O (gr/mL) 0.000995710 0.000988020 0.000971600

H2O

ESFERA 1 2936.750918 2959.608365 3009.625625

ESFERA 2 3114.480616 3138.721376 3191.765638

ESFERA 3 2283.49236 2301.265336 2340.156626

2968.661636 3148.322543 2308.304774

Hallando:

V= velocidad de escurrimiento de la esfera a sus diferentes  Temperaturas. Sabiendo que:

=

 

V:

velocidad de escurrimiento

e:

espacio que recorre la esfera

t: tiempo que demora en tocar fondo De la esfera 1: TEMPERATURA TIEMPO ( ALTURA ( VELOCIDAD (°C) seg. ) cm) (cm/seg) 30 0.85 39.2 46.11764706 50 0.56 38.7 69.10714286 67 1.25 38.2 30.56 PROMEDIO 49 0.886666667 38.7 48.59492997

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De la esfera 2: TEMPERATURA TIEMPO ALTURA ( (°C) ( seg. ) cm) 30 0.93 39.3 50 0.45 38.7 67 1.80 38.3 PROMEDIO 49 1.06 38.76666667

VELOCIDAD (cm/seg) 42.25806452 86 21.27777778 49.84528076

De la esfera 3: TEMPERATURA TIEMPO ( ALTURA VELOCIDAD (°C) seg. ) ( cm) (cm/seg) 30 1.19 39.4 33.1092437 50 0.77 38.9 50.51948052 67 1.5 38.4 25.6 PROMEDIO 49 1.153333333 38.9 36.40957474 1.3.

Aplicando:

=

2  (  P´) 9V

Para hallar la viscosidad: TEMPERATURA (°K=°C+273) ESFERA 1 ESFERA 2 ESFERA 3

322 322 322

TIEMPO PROMEDIO (seg.)

VELOCIDAD VISCOCIDAD (cm/seg) (poise)

0.886666667 48.59492997 1.06

188.446

49.84528076

73.685

1.153333333 36.40957474

87.351

2. Según la Ecuación de Andrade: La ecuación de Andrade se utiliza como correlación para la viscosidad dinámica de sustancias puras. Lleva el nombre de Edward Andrade, pero fue sin embargo ya publicada por C. V. Raman en 1923 en la Revista Nature.

lnu= ln A +E*T/R

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ESFERA 1 ESFERA 3 ESFERA 2

X = 1/T

y= ln u

1.127819548 0.867052023 0.943396226

5.238811494 4.469934489 4.299799251

Para :

Y= b +mX

……………..

=

=

  0 xfx0

.−. .−.

= 4.167479675

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Conclusiones Se pudo llegar a comprobar la ley de Stokes mediante una forma muy práctica, para cuantificar la fuerza de fricción que ejerce sobre un cuerpo sumergido que va a una velocidad constante. Nos da una idea de cómo caracterizar el los cuerpos en el seno de un fluido viscoso

movimiento de

Se presentó un método sencillo para que los estudiantes mediante un análisis de graficas de tiempo y posición Puedan determinar cuándo se ha alcanzado la velocidad Terminal de una esfera descendiendo en un fluido. Se Mostró que este experimento sirve como alternativa Didáctica de bajo costo para que los alumnos de ingeniería y ciencias puedan diferenciar entre fluidos newtonianos y no newtonianos. Además, en el caso del shampoo se permitió mostrar un ejemplo de un fluido que además de tener viscosidad posee elasticidad, es decir, es visco elástico. Una ventaja de este método es que la gravedad es la fuerza impulsora y es confiable, se evitan posibles errores y no requiere un equipo técnico especializado para reproducirla. Así este método es portátil y apoya medidas. El método propuesto después de la validación y la estimación de la incertidumbre es rápido, confiable y económico. El sesgo presente en este ejercicio puede ser eliminado si se tiene un sistema de mayor control de la temperatura además que puede ser reproducible para una gama amplia de viscosidades.

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Recomendaciones La esfera (la canica) se tiene que hacer caer al ras del agua, no cuando ya esté sumergida. Para poder realizar los cálculos respectivos elevar la temperatura del agua hasta los 90 °C. Para llevar a cabo cada procedimiento con cada esfera es necesario usar guantes.  Tener cuidado cuando trasladen el agua caliente para evitar accidentes.

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Referencias Bibliográficas https://es.wikipedia.org/wiki/Viscosidad http://conceptodefinicion.de/viscosidad/ http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/dinamica/vi scosidad/viscosidad.html https://es.slideshare.net/alexanderalvarad/infor me-de-viscosidad-mecnica-de-fluidos

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