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SERGIO ANDRS LESMES ALFONSO 2103328

Escuela de Ingeniera Qumica Facultad de Ingenieras Fisicoqumicas Universidad Industrial de Santander 23231 Manejo de Slidos y Lquidos Densidad, Viscosidad y Tensin Superficial. Jueves 26 de marzo de 2015.

INSTRUMENTOS DE MEDICIN: DENSIDAD, VISCOSIDAD Y TENSIN SUPERFICIAL.

Cualquier caracterstica de un sistema se conoce como propiedad. Algunas propiedades conocidas

son la presin P, la temperatura T, el volumen v, la masa m. Se consideran que las propiedades son

Extensivas e Intensivas. Las propiedades Intensivas son independientes de la masa de un sistema,

como la temperatura, la presin y la densidad. Las propiedades extensivas son aquellas cuyos

valores dependen del tamao, o extensin, del sistema. La masa total, el volumen total, y la cantidad

de movimiento son ejemplos de esta propiedad.

En fase gaseosa, la materia est formada por tomos espaciados con amplitud. Sin embargo, es

muy conveniente descartar la naturaleza atmica de una sustancia y verla como una materia

homognea y continua, sin agujeros, es decir, un medio continuo. Para su anlisis se consideran a

las sustancias como un medio continuo.

DENSIDAD

Definicin.

La densidad se define como la masa dividida por el volumen:

densidad

m masa

V volumen

La unidad de medida de la densidad es kg/m o g/cm. 1 g/cm = 1000 kg/m.

La masa no se altera ante las influencias externas como la flotabilidad en el aire o la gravitacin. La

masa es igual al peso en vaco.

Con el mtodo del tubo en U oscilatorio se mide la densidad real de los lquidos y los gases. La

densidad de los lquidos y los gases depende considerablemente de la temperatura. Por lo tanto, la

medicin de densidad siempre requiere un control o una medicin de la temperatura precisa.

Generalmente, la densidad aumenta con el incremento de temperatura porque las molculas

individuales necesitan ms espacio debido a su movimiento trmico.

Nota: El agua es un lquido nico. La densidad mxima es de = 0,999972 g/cm a una temperatura

de 3,98 C.



Medicin de la densidad

La medida de la densidad se puede obtener de forma directa o indirecta. Para la obtencin de forma

indirecta se mide su masa y luego su volumen, para posteriormente calcular su densidad. Los

instrumentos ms comunes para medir la densidad son:

- El densmetro: Que permite la medida directa de la densidad de un lquido.

- El picnmetro: Que permite la medida precisa de la densidad de slidos, lquidos y gases.

- La balanza hidrosttica, que permite calcular la densidad de los slidos.

- La balanza de Mohr, que permite la medida precisa de la densidad de lquidos.

Otra posibilidad para determinar la densidad de liqudos y gases es utilizando un instrumento digital

basado en el principio de tubo en U oscilante.

Determinacin de la densidad mediante el mtodo del tubo en U. Mtodo de tubo en U

oscilatorio Anton Paar.

El mtodo del tubo en forma de U oscilante se usa para medir la densidad verdadera de los

lquidos. Se introduce la muestra en un tubo en forma de U que se excita electrnicamente para

que oscile a su frecuencia caracterstica. La frecuencia caracterstica cambia segn la densidad de

la muestra. La medicin precisa de la frecuencia propia y un ajuste adecuado, que permiten

determinar la densidad de la muestra. Debido a la fuerte influencia de la temperatura en la densidad,

la celda de medicin debe ser termorregulada con mucha exactitud.

Los modernos densmetros de alta precisin ofrecen adems:

La correccin de la viscosidad: resultados de medicin exactos dentro de un amplio rango de

viscosidad de la muestra.

Oscilador de referencia: ofrece resultados de medicin exactos dentro de un amplio rango de

temperatura con solo un ajuste de temperatura.


Escuela de Ingeniera Qumica Facultad de Ingenieras Fisicoqumicas Universidad Industrial de Santander 23231 Manejo de Slidos y Lquidos Densidad, Viscosidad y Tensin Superficial. Jueves 26 de marzo de 2015. Determinacin de la Concentracin mediante medicin de la densidad.

La concentracin de una mezcla de dos componentes (mezcla binaria) se puede determinar por

medio de una medicin de densidad.

Al mezclar las dos muestras con las densidades A y B conocida, se genera una muestra cuya

densidad se ubica entre el valor A y B. El valor exacto depende de la proporcin de la mezcla y, por

lo tanto, de la concentracin.

La medicin de la concentracin tambin es posible para las mezclas llamadas casi binarias:

Las mezclas contienen dos componentes principales. Algunos ingredientes adicionales existen en

pequeas concentraciones, pero debido al pequeo impacto de la densidad de volumen se pueden

ignorar estos componentes.

Por ejemplo: Los componentes principales de los refrescos regulares son agua y azcar. Se puede

ignorar los dems ingredientes al medir la concentracin de azcar (Brix).

Mezclas de varios componentes de los cuales solo vara uno. Los dems componentes se mantienen

inalterados.

Ejemplo: Para la produccin de infusiones se compensan varios componentes con exactitud y

precisin de acuerdo con una frmula. Como segundo paso, esta mezcla se diluye en agua. La

concentracin de esta solucin puede determinarse mediante la medicin de la densidad.

Mucho antes de la invencin del densmetro con tubo en U oscilatorio, la densidad de los lquidos y

los gases ya se calculaba con ayuda de picnmetros e hidrmetros.

Historia

Un picnmetro es un frasco de vidrio con volumen conocido que es llenado con una muestra y

pesado. Se puede calcular la densidad de la muestra a partir de la masa y el volumen. Un densmetro

es un mbolo de cristal llenado con un peso metlico que, a mayor profundidad en un lquido, menor



densidad presenta (principio de Arqumedes). La densidad puede verse en la escala.

Estos mtodos sencillos y objetivos an son utilizados en la actualidad en algunos campos, pero no

ofrecen la exactitud y la comodidad de los densmetros digitales.

1967: El principio del tubo en U oscilatorio revoluciona la medicin de la densidad

Todo comenz en 1967: Anton Paar lanz al mercado el primer densmetro digital con tubo en U

oscilatorio, que revolucion la medicin de la densidad y sustituy al picnmetro y al densmetro

tradicional. Dos renombrados cientficos austriacos haban descubierto el principio y desarrollado los

prototipos. Ulrich Santner, el entonces director gerente de la empresa Anton Paar, se hizo cargo de

la produccin: el primer DMA (aparato de medicin de densidad) haba nacido.

En la actualidad: Tecnologa probada en los equipos ms modernos

Los densmetros DMA son conocidos por su fiabilidad. Fueron evolucionando constantemente y se

expandi la cartera de productos. Esto result en modelos con osciladores de referencia patentados

(AT 399051), con termmetro de resistencia de platino de alta presin y correccin automtica de la

viscosidad.

Desde el revolucionario tubo en U oscilatorio del ao 1967 hasta la actual generacin M o el porttil

DMA 35: Anton Paar es, como lder del mercado, punto de referencia para la medicin digital de la

densidad.

Aplicaciones

Analizando Productos para el Cuidado de la Salud | Densidad y composicin de medicamentos.

Medicin de la densidad de la concentracin de extractos | Anlisis extracto de malta altamente viscoso.

Mediciones Multiparmetro eficientes en Lubricantes y Aceites. Industria de produccin de bebidas alcohlicas | Llegar al fondo de la caldera, anlisis

contenido extracto en mosto de cerveza en cerveza, cerveza de trigo, cerveza o cerveza

hbrido.

Ocano corrientes, salinidad | Medicin de la densidad del agua de mar, as como, su salinidad.

Pureza demandada, calidad garantizada | Control de calidad, densidad constante. Control de calidad durante la produccin de vino | La concentracin de azcar en el mosto. Industria Petrolera | Medicin de densidad ayuda a identificar el tipo y la calidad de las

muestras a base de petrleo

En cuanto al clculo de la densidad de lquidos y gases los modelos digitales han revolucionado los

densmetros, gracias a su precisin y sencillez. Sin embargo, para la realidad muestra que en cuanto



a mayor usos son los picnmetros quienes se llevan el ttulo de los ms solicitados en el mercado

ya sea para bebidas, productos farmacuticos, cosmticos, productos de petrleo, aromas,

sustancias qumicas, biocombustibles, investigacin y desarrollo (I+D) y mucho ms. Mientras que

los densmetros digitales, con menos impacto, son apropiados para numerosas aplicaciones en el

mbito de la industria y la investigacin.

VISCOSIDAD

Principios bsicos de la viscosimetra

Cada sustancia nica en la Tierra puede ubicarse en una escala de lquido a slido. La viscosimetra

se encarga de determinar la viscosidad de un fluido, es decir, su espesor o, dicho de manera ms

cientfica, su resistencia interna a fluir.

Las fuerzas externas como la gravedad afectan a los lquidos y hacen que fluyan. La mayora de las

sustancias cambian su viscosidad en funcin de la fuerza externa. Si la viscosidad de un fluido se

mantiene constante, independientemente de la fuerza externa, se le denomina fluido ideal o

newtoniano.

Una influencia dominante sobre la viscosidad es la temperatura: cuanta ms temperatura tenga una

sustancia, menos viscosa ser. En consecuencia, la medicin correcta de la viscosidad requiere una

medicin de la temperatura y un control de la temperatura precisos.

Medicin de la viscosidad

Un viscosmetro es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos otros parmetros

de flujo de un fluido.

En el caso de fluidos Newtonianos resultara bien su medicin mediante una pipeta de cristal. Sin

embargo, existen instrumentos con mejores resultados y mayores rangos:


Escuela de Ingeniera Qumica Facultad de Ingenieras Fisicoqumicas Universidad Industrial de Santander 23231 Manejo de Slidos y Lquidos Densidad, Viscosidad y Tensin Superficial. Jueves 26 de marzo de 2015. - Viscosmetros de rotacin: Tipo Brookfield. Viscosmetro Cup and bob. Viscosmetro

Stormer.

- Viscosmetros Stabinger.

- Viscosmetro de Vibracin.

- Viscosmetro Oswald.

Principios bsicos de Lovis 2000 M/ME (Principio de Cada de Bola).

Una bola cae a travs de un capilar cerrado lleno de lquido que permanece inclinado en un ngulo

definido.

Los sensores inductivos determinan el tiempo de cada de la bola entre marcas definidas.

A partir del tiempo de cada, se puede determinar tanto la viscosidad dinmica como la viscosidad

cinemtica del lquido.

Principios bsicos del viscosmetro Anton Paar SVM 3000 (Principio de medicin de

Stabinger).

Un rotor magntico ligero flota en un tubo lleno de lquido, el cual gira a velocidad constante. El rotor

queda centrado mediante la accin de las fuerzas centrfugas.

Las fuerzas viscosas del fluido de muestra impulsan el rotor. Esto conduce a una velocidad del rotor

de equilibrio, la cual se registra como una medida inequvoca de la viscosidad del fluido.

El rotor flotante y un sensor de medicin sin contacto eliminan toda influencia no deseada de friccin

externa.

Un tubo en forma de U oscilante incorporado para ofrecer una medicin de densidad adicional

permite la determinacin simultnea de densidad, viscosidad cinemtica y dinmica.


Escuela de Ingeniera Qumica Facultad de Ingenieras Fisicoqumicas Universidad Industrial de Santander 23231 Manejo de Slidos y Lquidos Densidad, Viscosidad y Tensin Superficial. Jueves 26 de marzo de 2015. Historia del viscosmetro (referencia: Thomas G. Mezger The Rheology Handbook, 2

edicin, pp. 252 y ss.)

La palabra "viscosidad" deriva de la palabra en latn "viscum", que significa "murdago". En la

antigedad, las bayas de murdago se utilizaban para hacer una especie de pegamento viscoso

para atrapar aves.

75 a.C.: Tito Lucrecio Caro, poeta y filsofo, escribe un poema didctico sobre el flujo y el

comportamiento de deslizamiento de lquidos como el agua, la leche, el vino, el aceite de oliva y la

miel.

1590: Galileo Galilei introduce el uso sistemtico de experimentos cientficos prcticos, por ejemplo,

experimentos en lquidos y slidos para caracterizar el comportamiento del material.

1649: Blas Pascal reflexiona acerca del concepto de fluidos ideales sin ninguna resistencia.

1687: Isaac Newton S. establece la proporcionalidad entre la resistencia al flujo y la velocidad del

flujo para fluidos.

Desde 1800: Uso de viscosmetros "efflux" (copas de flujo) para tintas y aceites de impresin textil.

1839: Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen disea el primer viscosmetro capilar.

Historia del microviscosimetro Lovis 2000 M/ME

1845: Georges Gabriel Stokes realiza experimentos cientficos con la cada de bola.

1933: Fritz Hppler disea un "viscosmetro de cada de bola" (disponible comercialmente desde

1934; consulte tambin DIN 53015 y la norma ISO 12058).

1985: A pedido de Anton Paar KG, el Dr. Jorde y el Dr. Ribitsch del Instituto de Qumica Fsica de la

Universidad Karl-Franzens de Graz desarrollan un viscosmetro con cada de bola con seleccin

automtica de ngulo, deteccin ptica y control de temperatura con bao de agua.

1988: Anton Paar KG presenta el AMV 200, un microviscosmetro electrnico con sensores

inductivos lo cual tambin permite la medicin de los lquidos opacos. El ngulo de inclinacin puede

variar de los 15 a los 90.

1999: Anton Paar GmbH presenta el microviscosmetro automtico AMVn como el sucesor del AMV

200. El control de la temperatura termoelctrica (elementos Peltier) reemplaza al sistema de bao

de agua.

2011: Lovis 2000 M/ME se presenta como la nueva generacin de microviscosmetros que forma

parte de la exitosa Generacin M de Anton Paar.

Historia del viscosmetro Anton Paar SVM 3000

2001: Anton Paar GmbH introduce el viscosmetro SVM 3000,

2004: Mtodo de prueba estndar ASTM D7042-04 para medir la viscosidad dinmica y la densidad



de lquidos con el viscosmetro Stabinger (y calcular la viscosidad cinemtica)

Desde el 2005 en adelante: la norma ASTM D7042-04 se consulta para otras normas ASTM.

Gua estndar ASTM D6074-08 para la caracterizacin de los aceites de base lubricante de

hidrocarburo

Especificacin estndar ASTM D6823-08 para el empleo de aceites lubricantes usados como

combustible para calderas de uso comercial

Especificacin estndar ASTM D6448-09 para el empleo de aceites lubricantes usados como

combustibles para quemadores industriales

Prctica estndar ASTM D7152-05e1 para el clculo de la viscosidad de una mezcla de productos

de petrleo

Prctica estndar ASTM D2270-10 para el clculo del ndice de viscosidad a partir de la viscosidad

cinemtica a 40 y 100 C.

2012 El mtodo de prueba estndar ASTM D7042-12a incluye informes de precisin para aceites de

base, aceites especiales, disel y combustibles para aeronaves.

Aplicaciones

Automotor - aplicacin Flash lquidos de frenos con SVM 3000

Aviacin - aplicacin Flash Jet Fuel con SVM 3000

Qumica - aplicacin Flash viscosidad de muestras con componentes voltiles - Opcin

Presin en SVM 3000

Qumica - Lovis 2000 M ME /: Botella a Presin en bajo punto de ebullicin, lquidos

altamente voltiles

Qumica - Lovis 2000 M / ME: La viscosidad de los lquidos inicos

Alimentos - reolgico Caracterizacin de chocolate con RheolabQC

Alimentos | Pharma - Lovis 2000 M / ME: viscosimetra para determinar la masa molar de

quitosano

Lubricantes - aplicacin Flash en el servicio de aceite con SVM 3000

Mdico - Lovis 2000 M / ME: La viscosidad de Sustancias Biolgicas

Petroqumica - aplicacin Flash Tipo Carbon Composicin con SVM 3000 y Abbemat

Polmeros - aplicacin Flash polietilenglicol (PEG) con SVM 3000

El viscosmetro de mayor uso es el viscosmetro capilar de vidrio, tambin conocido como

viscosmetro de Oswald, que aparte de ser uno de los ms antiguos, resulta ser el que ms

modificaciones ha tenido, entre ellas, las que dieron lugar al viscosmetro Canon-Fenske.



TENSIN SUPERFICIAL

La tensin superficial refiere a la cantidad de energa necesaria para aumentar la superficie de un

lquido por unidad de rea. Es una manifestacin de las fuerzas intermoleculares en los lquidos. En

conjunto las fuerzas que se dan entre el lquido y las superficies slidas se da lugar la capilaridad,

cuyo efecto tiene la elevacin o depresin de la superficie del lquido en la zona de contacto del

slido.

Medicin de la tensin superficial

Para llevar a cabo la medicin de la tensin superficial se tienen dos tipos de mtodos, los estticos

y los dinmicos:

Mtodos estticos o basados sobre la medicin de la fuerza (la superficie se mantiene con el tiempo):

- Mtodo del anillo de Noy: En este mtodo se calcula la fuerza necesaria para separar de

la superficie del lquido el anillo.

- Mtodo del platillo de Withelmy.: En este mtodo se calcula la fuerza necesaria para separar

la superficie de una placa delgada de vidrio.

Mtodos dinmicos (la superficie se forma o se renueva constantemente):

- Tensimetro: En un lquido a temperatura constante se introduce un capilar de radio R

conectado a un manmetro. Al introducir gas se va formando una burbuja de radio r a medida

que aumenta la P en el manmetro. Al crecer r disminuye hasta un mnimo, r=R y despus

vuelve a aumentar. Esto hace posible su uso en ambos, laboratorios de investigacin y

desarrollo, as como monitoreo del proceso directamente en la planta.

- Estalagmmetro: Consta de un depsito conectado a un tubo capilar por el que se dejan

caer gotas que se pesan. La ley de Tate establece que si los pesos de las gotas de los

lquidos 1 y 2 son P1 y P2, y sus tensiones superficiales son T1 y T2, entonces se cumple

que P1*T2=P2*T1 de manera que, en principio, basta medir la tensin superficial de un

lquido (por ejemplo el 1) de referencia mediante otro mtodo, para con el estalagmmetro,

medir la tensin superficial de cualquier otro.

- Mtodo de estribo.

Existen otros mtodos basados en la medida de la presin:

- Ascenso Capilar.

- Presin de burbuja.

Y los mtodos basados sobre una deformacin:

- Gota pendiente.



- Gota colocada.

- Gota giratoria.

- Mtodo del volumen de gota.

El instrumento ms utilizado es sin duda alguna el tensimetro.

Bibliografa:

Mott, Robert L. 1996. Mecnica de Fluidos Aplicada. Cuarta Edicin. Editorial Pearson.

Cengel, Yunus A; Cimbala, John M. 2006. Mecnica de Fluidos Fundamentos y Aplicaciones.

Editorial McGrawHill.

Potter, Merle C; Wiggert, David C; Hondzo, Miki; Shih, Tom I. Mecnica de Fluidos. Tercera

Edicin. Editorial Thomson.

Cervantes, Beatriz V; Loredo, Javier. 2009. Manual Pedaggico de Prcticas Qumicas General

en Microescala. Tercera Edicin. Universidad Iberoamericana Departamento de Ingeniera y

ciencias Qumicas.

En la web:

www.anton-paar.com

www.extech.com.es

www.thermoscientic.com

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