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Practica 5 Guia Viscosidad y Tension Superficial Version 2021
Practica 5 Guia Viscosidad y Tension Superficial Version 2021
Practica 5 Guia Viscosidad y Tension Superficial Version 2021
Comparar valores experimentales de viscosidad, con los aportados por bobliografía para evaluar
el error porcentual.
Determinar la tensión superficial de tres líquidos diferentes mediante el método del ascenso
capilar.
5.3.FUNDAMENTO TEÓRICO
5.3.1. Viscosidad
De todas las propiedades de los fluidos, la viscosidad requiere la mayor consideración en el estudio del
flujo de los fluidos. La viscosidad expresa la facilidad que tiene un fluido para fluir cuando se la aplica una
fuerza externa: El coeficiente de viscosidad absoluta, o simplemente la viscosidad absoluta de un fluido,
es una medida de resistencia, al deslizamiento o a sufrir deformaciones internas. La melaza es un fluido
muy viscoso en comparación con el agua.
La viscosidad es una manifestación del movimiento molecular dentro del fluido. Las moléculas de
regiones con alta velocidad global chocan con las moléculas que se mueven con una velocidad global
menor, y viceversa, estos choques permiten transportar cantidad de movimiento de una región de fluido
a otra.
Los fluidos presentan diferentes propiedades que los distinguen, como la viscosidad, densidad, peso
específico, volumen específico, presión, etc. Al analizar las distintas propiedades que poseen los fluidos, la
viscosidad requiere la mayor consideración para el estudio de estos materiales; su naturaleza y
características, así como las dimensiones y factores de conversión.
VISCOSIDAD Y TENSION SUPERFICIAL
Ecuación de Stokes
Todo fluido tiene una viscosidad específica bajo ciertas condiciones cuando se mueve alrededor de un
cuerpo o cuando un cuerpo se mueve dentro del fluido, se produce una fuerza de arrastre (F a) sobre
este. Si el cuerpo en estudio es una esfera, está fuerza de arrastre viene dada por la expresión según la
ley de Stokes: Fa =6⋅π⋅η⋅r⋅v
Donde η es la viscosidad absoluta del fluido; r esa el radio de la esfera; v la velocidad de la esfera con
respecto al fluido.
(1)
Donde es el coeficiente de viscosidad, t es el tiempo de flujo del fluido, V es el volumen del líquido, P es
la presión hidrostática, y L es la distancia recorrida por el líquido durante el tiempo t. En honor de Hagen
- Poiseuille la unidad de la viscosidad es denominada Poise. La unidad de la viscosidad en el Sistema
internacional de unidades SI es kg/m s (Pascal segundo Pa s)
Es la fuerza tangencial por unidad de área, de los planos paralelos por una unidad de distancia, cuando el
espacio que los separa está lleno con un fluido y uno de los planos se traslada con velocidad unidad en su
propio plano con respecto al otro también denominado viscosidad dinámica; coeficiente de viscosidad
La unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal segundo (Pa s) o también
newton segundo por metro cuadrado (N.s/m 2), o sea kilogramo por metro segundo (kg/m s): Esta unidad
se conoce también con el nombre de poiseuille (Pl) en Francia, pero debe tenerse en cuenta que no es la
misma que el poise (P) descrita a continuación:
El poise es la unidad correspondiente en el sistema CGS de unidades y tiene dimensiones de dina segundo
por centímetro cuadrado o de gramos por centímetro cuadrado. El submúltiplo el centipoise (cP), 10 -2
poises, es la unidad más utilizada para expresar la viscosidad dinámica dado que la mayoría de los fluidos
poseen baja viscosidad.
Sistema de Unidades
S.I.: N s / m2 = Kg / m s = Pa s
C.G.S.: g /cm s = Poise
S.B.G.: slug / ft seg
Viscosidad cinemática
Stokes
Símbolo “St”; Es una unidad de la viscosidad cinemática de un fluido que tenga una viscosidad dinámica
de 1 poise, y una densidad de 1 gramo por centímetro cúbico.
η
ν=
ρ
Viscosímetro
Es un instrumento para medir la viscosidad de un fluido
La viscosidad puede ser medida usando un viscosímetro. Los diferentes tipos de viscosímetro son los
siguientes:
1. Viscosímetro de Tubo capilar
2. Viscosímetro Saybolt
3. Viscosímetro de Ostwald
4. Viscosímetro Rotacional
5. Viscosímetro de caída libre de una esfera
6. Viscosímetro Vibracional
7. Viscosímetro de burbuja
Consiste en 2 recipientes conectados por un tubo largo de diámetro pequeño conocido como tubo
capilar. Conforme al fluido fluye a través del tubo con una velocidad constante el sistema pierde energía,
ocasionando una caída de presión. La magnitud de la caída de presión está relacionada con la viscosidad
del fluido mediante la siguiente ecuación:
( p 1− p 2) D2
η=
32 vL
El viscosímetro Saybolt:
La facilidad con que un fluido fluye a través de un orificio de diámetro pequeño es una indicación de su
viscosidad , este es el principio por el cual está basado el viscosímetro universal.
La muestra del fluido se coloca en el aparato después de que se establece el flujo se mide el tiempo
requerido para colectar 60 ml. de fluido. El tiempo resultante se reporta como la velocidad del fluido en
segundos universales de Saybolt. La expresión aproximada entre viscosidad y segundos Saybolt es:
1. 80
υ=0 . 002t−
t
se expresa en stokes y t en segundos. Luego se puede calcular la viscosidad multiplicando por la
densidad del fluido
En esencia el viscosímetro es un tubo “U” una de sus ramas es un tubo capilar fino conectado a un
deposito superior. El tubo se mantiene en posición vertical y se coloca una cantidad conocida del fluido
él depósito para que luego fluya por gravedad a través de un capilar. Los procedimientos exactos para
llevar a cabo estas pruebas estándar dado en los estándares de la American Society For Testing and
Materials ASTM.
En un viscosímetro Ostwald la distancia recorrida por el liquido, L, siempre será constante; el radio, r será
también constante; y por el procedimiento el volumen de líquido, V será siempre constante. Por lo tanto
la ecuación de Hagen Poiseuille
Donde K y t fueron definidas antes y m es la masa del líquido.
Para encontrar la viscosidad de los líquidos es importante calibrar el viscosímetro usando un líquido de
referencia. El agua es el líquido de referencia más usado. La viscosidad del agua a 30 °C es 0.8007
centipoise (cP). Conociendo los valores para el líquido de referencia y con la anterior fórmula,
obtenemos:
Donde: ηr es la viscosidad del líquido de referencia (agua), mr es la masa del líquido de referencia, y tr es
el tiempo de flujo del líquido de referencia. Note que K se anula. Las otras variables son la viscosidad,
masa y el tiempo de flujo del líquido en estudio respectivamente.
Con el viscosímetro de Ostwald podemos medir el tiempo de flujo de un líquido (la masa se puede medir
usando procedimientos estándar de laboratorio como por ejemplo con una balanza o determinando la
densidad y el volumen) y determinar su viscosidad resolviendo la ecuación para η.
Por medio de un cilindro que gira a una cierta velocidad con respecto a un cilindro interno concéntrico
estacionario se determina du/dy al medir el momento de torsión sobre el cilindro estacionario es posible
calcular el esfuerzo cortante. El cociente entre el esfuerzo cortante y el cambio de velocidad expresa la
viscosidad.
Si la velocidad de rotación es N rpm y el radio es r 2 , la velocidad del fluido en la superficie del cilindro
externo está dada por 2r2N/60. Con una separación entre cilindro y cilindro
du 2 πr 2 N
=
dy 60 b
La ecuación se basa en b<< r 2. El momento de torsión T c sobre el cilindro interno se mide con un alambre
de torsión del cual pende el cilindro. Si se ajusta un disco al alambre su rotación es determinada por una
aguja fija. Si se desprecia el momento de torsión debido al fluido por abajo del fondo del cilindro interno
el esfuerzo cortante es:
Tc
τ=
2 πr 21 h
De esta manera la ecuación para la viscosidad nos queda:
15 T c b
η= 2 2
π r 1 r 2 hN
Consiste en un tubo lleno con líquido en estudio en el cual se deja caer una esfera metálica de masa m y
diámetro D. El tiempo necesario para que la esfera recorra la longitud X después que ha alcanzado
velocidad límite depende de la viscosidad del líquido.
En la práctica utilizaremos el método de Stokes para la obtención de la viscosidad. Sir George Gabriel
Stokes Matemático y Físico Irlandés en 1819 es autor de trabajos en hidrodinámica, encontró la ley que
rige la caída de sólidos esféricos en el seno de un fluido denominada con su nombre.
Todo fluido tiene una viscosidad específica bajo ciertas condiciones cuando se mueve alrededor de un
cuerpo o cuando un cuerpo se mueve dentro del fluido, se produce una fuerza de arrastre (F a) sobre
este. Si el cuerpo en estudio es una esfera, está fuerza de arrastre viene dada por la expresión según la
ley de Stokes:
Fa =6⋅π⋅η⋅r⋅v
Donde η es la viscosidad absoluta del fluido; r esa el radio de la esfera; v la velocidad de la esfera con
respecto al fluido.
Considerando lo anterior si se deja caer una esfera en un recipiente con un fluido, debe existir una
relación entre el tiempo empleado en recorrer una determinada distancia y la viscosidad de dicho fluido.
Construyendo el diagrama de cuerpo libre de una esfera se tiene:
Fa
E: Empuje hidrostático
P: Peso de la esfera
Fa: Fuerza de arrastre
m.dv
P−E−6. π .η.r .v=
dt Pero
dv
a= =0
dt v =ctte .
Nos queda,
mg− E −6 πη rv =0
6 πη r mg−E
− ( m ) (
v+
m
=0 )
se puede designar dos constantes para abreviar la ecuación diferencial:
( mg−E ) 6. π . η.r
A= B=
m m
Por lo tanto:
−Bv + A=0 si v =ctte
Δx
v=
Δt
Entonces:
AΔt
B=
Δx (Experimental)
Sustituyendo los valores
6 πrη mg−E Δt
= ×
m m Δx
4
E= πr 3 ρ g
Despejamos la viscosidad sabiendo que 3 nos queda:
3
3 mg−4 πr ρ g Δt
η= ×
18 πr Δx
La Tensión superficial o energía libre superficial es el trabajo necesario para incrementar, a temperatura
constante y de modo reversible, el área de la superficie de un líquido en una unidad.
La tensión superficial es la medida de la potencia de las fuerzas intermoleculares.
La tensión superficial depende de la clase de sustancia y disminuye con un aumento de la temperatura.
La primera interpretación de la capilaridad consideraba que el líquido "trepaba" por las paredes del tubo
hasta el punto de que el "agarre" del anillo de la superficie alrededor de la pared interior apenas podía
soportar el peso de la columna de líquido debajo de él. Esta tensión superficial se calculó como el peso
de la columna dividido por la circunferencia interior del tubo. Esto se refinó más tarde a unidades de
fuerza / longitud. Así, si un líquido de densidad (D) 0.800 g / cm3 se elevó a una altura (H) de 5.00 cm en
un tubo capilar con un radio interno (r) de 0.0100 cm (en un campo gravitacional, g = 980 cm / seg2 ), se
calculó la tensión superficial (g):
V = r2 H
M = r2Hr
F = r2Hrg
Circunferencia = 2 r
Por lo tanto, para realizar la determinación de la tensión superficial se mide la altura que alcanza un
líquido dentro de un tubo capilar abierto en ambos extremos de acuerdo a:
1
γ= rh ρg
2
Dónde: es la tensión superficial
r es el radio interno del tubo capilar
h es la altura alcanzada por el líquido
es la densidad del líquido
g es la aceleración de la gravedad
Esta idea de la tensión superficial que soporta el peso del líquido se traslada a los métodos de
desprendimiento que proporcionan formas alternativas de determinar la tensión superficial. En 1805,
Young y LaPlace relacionaron independientemente la tensión superficial con una diferencia de presión a
través de una superficie curva, proporcionando la definición moderna de tensión superficial. Utilizaron
dos radios de curvatura (R1 y R2) en planos mutuamente perpendiculares que contienen una línea
normal a la superficie para describir la curvatura en cualquier punto de una superficie. Estos radios
pueden ser difíciles de visualizar, pero son claros para dos casos simples, una superficie esférica y una
superficie cilíndrica.
Para una superficie esférica, los dos radios son idénticos R1 = R2:
P = (1 / R1 + 1 / R2).
La altura (H) en la parte inferior del menisco está relacionada con la diferencia de presión a través del
siguiente análisis:
P = P1 - P2
P2 = P3 - liqgH
P1 = P4 - airegH
P3 = P4
P = (liq - aire) gH
En la parte inferior del menisco, los dos radios son iguales entre sí R1 = R2 = R,
Ésta es una buena aproximación para un capilar con un radio muy pequeño, pero el error aumenta con el
radio del capilar porque el menisco tiende a aplanarse en la parte inferior y el radio se vuelve mayor que
la aproximación del hemisferio. En 1915, Lord Rayleigh (ver Química Física de Superficies 5th Ed por
Arthur W. Adamson, 1990, John Wiley and Sons, Ch 2) desarrolló una mejor aproximación:
Esto proporciona una buena aproximación para capilares pequeños (tales que H / r es grande), siempre
que la altura se pueda medir con precisión. La ubicación del fondo del menisco se puede medir con
mucha precisión, pero el nivel de líquido fuera del capilar es difícil de observar debido al grosor del
menisco en la pared del recipiente. La técnica de los capilares gemelos se desarrolló para evitar este
problema, utilizando dos capilares de diferentes radios (r1, r2) y midiendo la diferencia en las alturas del
líquido (H), dando una primera aproximación razonable:
El método de Du Nouy es uno de los más conocidos. Se mide la fuerza adicional ΔF que hay que ejercer
sobre un anillo de aluminio justo en el momento en el que la lámina de líquido se va a romper.
Si no se dispone de un anillo, se puede usar un portaobjetos para microscopio. Se trata de una pequeña
pieza rectangular de vidrio cuyas dimensiones son a=75 mm de largo, b=25 mm de ancho y
aproximadamente c=1 mm de espesor, su peso es aproximadamente 4.37 g.
Se pesa primero el portaobjetos en el aire y a continuación, cuando su borde inferior toca la superficie
del líquido. La diferencia de peso ΔF está relacionada con la tensión superficial
ΔF=2·γ(a+c)
Para un portaobjetos de las dimensiones señaladas, que toca la superficie del agua, h es del orden de 2.3
mm
Para que la simulación sea lo más simple posible, no se ha tenido en cuenta el peso de la lámina de líquido
que se eleva por encima de la superficie libre.
La gota se desprende del tubo en el instante en el que su peso iguala a las fuerzas de tensión superficial
que la sostiene y que actúan a lo largo de la circunferencia AB de contacto con el tubo. Debido a que la
gota no se rompe justo en el extremo del tubo, sino más abajo en la línea A’B’ de menor diámetro y que
no hay seguridad de que el líquido situado entre los niveles AB y A’B’ sea arrastrado por la gota, la
fórmula a emplear es
P=k2πrγ
Esta es la denominada ley de Tate, el peso de la gota es proporcional al radio del tubo r y a la tensión
superficial del líquido γ.
La aplicación de esta ley nos permite realizar medidas relativas de la tensión superficial. Sabiendo la
tensión superficial del agua podemos medir la tensión superficial del líquido problema.
Llenamos un cuentagotas de agua cuya tensión superficial es g y dejamos caer un número n de gotas
sobre el platillo de una balanza, medimos su masa m.
Llenamos el mismo cuentagotas con un líquido cuya tensión superficial es desconocida g’, dejamos caer
el mismo número n de gotas sobre el platillo de la balanza y medimos su masa m’.
m γ
=
m’ γ ´
El agua destilada es el líquido de referencia cuya tensión superficial es 0.0728 N/m a 20°C
5.4.MATERIALES Y REACTIVOS
5.4.1. MATERIALES
(para el método de caída libre)
5.4.2. REACTIVOS
https://web.mst.edu/~gbert/SurfaceTension/cap.html
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/fluidos/tension/tension.html
Para viscosidad
http://pcv-au.vlabs.ac.in/physical-
chemistry/Determination_of_Viscosity_of_Organic_Solvents/experiment.html
5.5.PROCEDIMIENTO
5.5.1. Viscosidad (método de caída libre)
5.5.3. Datos
Viscosidad
Tensión superficial
Medida Masa capilar vacío Masa capilar lleno Longitud del Densidad del
capilar líquido
1
2
3
4
5.6.BIBLIOGRAFÍA
,
Eugene A. Avallone, Theodore Bauemeister III, Manual del Ing. Mecánico, Tercera Edición. Editorial
McGraw-Hill, 1999.
Víctor L. Streeter Mecánica de los Fluidos, Editorial Mc Hill, Novena Edición.
Gerhart, R. Groos y J. Hochstein Fundamentos de Mecánica de los Fluidos. (1995) Wilmington,
Delaware, USA. Addison-Wesley Iberoamericano, S.A. Segunda Edición.
Jaime Zapata Guía para laboratorio de Mecánica de Fluidos, Guayana 1989.
Manual del lubricante PDV
Manual de líneas de lubricantes BP.
5.7.CUESTIONARIO
5.7.7. El tiempo requerido para que 2 cm 3 de etanol fluyan a través de un tubo capilar es de 40
segundos; 2 cm3 de acetona tardan 10 segundos para fluir por el mismo tubo capilar. ¿Cuál de los
dos líquidos tiene mayor viscosidad y porqué?
5.8.Anexo 1
Los aceites presentan notables diferencias en su grado de viscosidad o fluidez, influyendo mucho estas
diferencias en algunas de sus aplicaciones. El grado de viscosidad de los aceites tiene importancia en los
aceites destinados a arder y los utilizados como lubricantes. En los primeros influye la viscosidad de
modo que los aceites fluidos ascienden fácilmente por capilaridad en las mechas de las lámparas,
mientras que los muy viscoso o poco fluidos requieren disposiciones especiales para conseguir que
llegue a la llama en la unidad de tiempo suficiente cantidad de combustible. Cuando se emplea aceites
como lubricantes, la materia grasa debe tener consistencia apropiada para impedir el contacto
inmediato de las superficies que frotan entre sí impidiendo con ello se desgaste; para lograr esto
conviene que la materia grasa no sea demasiado fluida ni tampoco demasiado viscosa.
Sistemas Unidades
S.I.: N.s / m2 = Kg / m.s
C.G.S.: g /cm.s = Poise
S.B.G.: slug / ft.seg
S.I.I.: lb.seg / ft2
La clasificación de los aceites atendiendo a su velocidad, generan en la etiqueta de los envases una serie
de siglas, acompañados por unos dígitos, identificando el grado de viscosidad del lubricante, qué se
refiere a su temperatura sin añadir datos alguno de sobre atrás apreciaciones o condiciones. El índice de
viscosidad representa la tendencia más o menos que se espera a medida que se enfría o se calienta. Los
aceites multigrado con base sintéticos se obtienen haciendo una mezcla de aceites de síntesis de baja
graduación SAE y de aceites mineral de alta viscosidad.
Clasificación SAE:
Esta clasificación no tuvo en cuenta que un aceite SAE 20 en condiciones de baja temperatura
aumentaba considerablemente su viscosidad no siendo apto para una operación correcta en climas fríos.
Surgen así los aceites tipo W (winter: invierno) que cubrirían esta deficiencia. Se amplió entonces la
clasificación incorporando los grados SAE 5W, SAE 10W, SAE 20W a los ya existentes.
Estas primeras clasificaciones sólo tomaron en cuenta la viscosidad del aceite, posteriormente con el
advenimiento de los aditivos mejoradores se incorporan siglas que caracterizan al aceite también por sus
propiedades especificas (ejemplo: HD SAE 30, SAE 20 S1, etc.) como tener capacidad detergente-
dispersante, propiedades antidesgaste, propiedades anticorrosivas, etc.
Clasificación SAE de viscosidad de aceites para motor (SAE J306, DIC 96)
Viscosidad Max. (cP) Viscosidad Max. (cP) Viscosidad Viscosidad alta
Grado Arranque en frío a la Bombeo a baja temp. en temperatura alta tasa
SAE temperatura indicada en s/esfuerzo de fluencia a la cSt @ 100ºC de corte (cP) a 150ºC y
ºC Temp. indicada en ºC Min. Max. 106s
0W 3250 a -30 60000 a –40 3,8 - -
5W 3500 a –25 60000 a –35 3,8 - -
10W 3500 a –20 60000 a –25 4,1 - -
15W 3500 a –15 60000 a –25 5,6 - -
20W 4500 a –10 60000 a –20 5,6 - -
25W 6000 a –5 60000 a –15 9,3 - -
5,6 menor
20 - - 2,6
que 9,3
9,3 menor
30 - - 2,9
que 12,5
12,5 menor
40 - - 2,9 (*)
que 16,3
12,5 menor
40 - - 3,7 (**)
que 16,3
16,3 menor
50 - - 3,7
que 21,9
21,9 menor
60 - - 3,7
que 26,1
Aceites multigrado
Con el uso de aditivos mejoradores de índice de viscosidad y partiendo de bases refinadas es posible
formular aceites cuya viscosidad a altas y bajas temperaturas le permiten cumplir con los requerimientos
del servicio. De esta manera se obtienen aceites de características SAE 30 a 100 ºc y SAE 10W a –20ºc,
son los denominados “multigrado” generalmente designados SAE 10W30 o similares.
Esta situación generó en los Institutos de Normalización de los piases miembros de la Organización
Internacional de Estandarización (ISO) el deseo de uniformar criterios para crear un único sistema de
clasificación.
Clasificación API (Instituto de Petróleo Americano) de calidad de los aceites para motor
Descripción
de los
Clasificaci
Servici fabricantes
ón de Gasoli
o API de equipos y
servicio na
previo especificacion
API
es militares
relacionadas
Gasolina Aceite
SA ML
mineral puro
Aceite
SB MM inhibido
(1930)
Garantía de
servicio para
MS
SC motores a
(1964)
gasolina
(1964-1967)
Garantía de
servicio para
MS
SD motores a
(1968)
gasolina
(1968-1971)
Garantía de
servicio para
motores a
gasolina
SE
(1972-
1980)/MIL-L-
46152 y MIL-
L46152A
SF Garantía de
servicio para
motores a
gasolina
(1980-
1988)/MIL-L-
46152B
Garantía de
servicio para
motores a
SG
gasolina
(1989-1992)/
MIL-L-46152D
Garantía de
servicio para
SH motores a
gasolina
(1993-19996)
Garantía de
servicio para
SJ motores a
gasolina
(1996-2000)
Garantía de
servicio para
SL motores a
gasolina
(2001)