PRACTICA Nº1

MEDIDA DE VISCOSIDAD

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

CÚCUTA

PRACTICA Nº1

MEDIDA DE VISCOSIDAD

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

FACULTAD DE INGENIERÍAS

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICA

CÚCUTA

1. OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Describir e interpretar el método de análisis de la viscosidad de un fluido mediante el uso del viscosímetro de Hoopler junto con las variables que afectan esta medida.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Conocer el manejo adecuado del viscosímetro de Hoopler. Identificar los cambios que se presentan en el análisis de la propiedad

fundamental de los fluidos, la viscosidad. Conocer y describir bajo que fuerzas o esfuerzos actúan los fluidos. Comprender la variación de la viscosidad debido al cambio de la

temperatura. Procesar datos de tiempo y temperatura para calcular la viscosidad. Graficar viscosidad vs tiempo en papel semilogarítmico. Indagar sobre diferentes métodos usados para medir la viscosidad. Conocer la clasificación que se les da a los aceites en la industria.

2. BASE TEORICA

La Mecánica de fluidos es el área de la ingeniería que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y las propiedades que gobiernan su comportamiento. Dentro de las propiedades que se consideran en el estudio de los fluidos se encuentra la viscosidad, definida como la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Se trata de una propiedad caracterizada por la resistencia a fluir que se genera por el rozamiento entre las moléculas.

Dado que todos los fluidos conocidos presentan algún nivel de viscosidad, el hipotético fluido sin viscosidad (es decir, con viscosidad nula) se conoce como fluido ideal.

La viscosidad se advierte con el rozamiento existente entre las capas adyacentes de un fluido. Al arrastrar la superficie de un fluido, las capas inferiores se mueven más lentamente que la superficie ya que son afectadas por la resistencia tangencial. La viscosidad, por lo tanto, se manifiesta en los fluidos en movimiento (donde las fuerzas tangenciales entran en acción)

Cuando la viscosidad es muy grande, el rozamiento entre las capas adyacentes es pronunciado y el movimiento, por lo tanto, resulta débil.

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

Viscosidad dinámica, designada 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]

Viscosidad cinemática, designada como ν, y que resulta ser igual al cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido. ν = μ/ρ. (En unidades en el SI: [ν] = [m2.s-1]. En el sistema cegesimal es el stokes (St).

La viscosidad de los fluidos está relacionada con la temperatura a la que se encuentren; así, la viscosidad de los gases aumenta con la temperatura mientras que la de la mayoría de líquidos, disminuye a medida que aumenta su temperatura. Se han propuesto numerosas ecuaciones que relacionan viscosidad y temperatura como por ejemplo:

μ=A eBRT

Donde A y B son constantes para el liquido dado; se deduce que el diagrama de log(μ) frente a 1/T sea una línea recta. Se pensó en otro tiempo que la variación de la fluidez con la temperatura resultaría más fundamental que la misma viscosidad como tal; pero el uso de una expresión exponencial hace que la opción carezca de importancia.

Para determinar la viscosidad de los fluidos, y explícitamente de los líquidos se han planteado y utilizado diversos métodos e instrumentos como lo son el viscosímetro de tambor giratorio, el viscosímetro de tubo capilar, el viscosímetro universal de Saybolt, el viscosímetro de caída de bola, entre otros.

3. APARATOS

Viscosímetro de Hoopler Termómetro Cronometro Densímetro Muestra problema

4. PROCEDIMIENTO

Para el análisis e interpretación de los datos se requiere del valor de la densidad relativa de la muestra problema, por lo tanto se debe medir con ayuda del densímetro.

Se deben verificar que las condiciones del equipo sean optimas tales como el nivel de agua en el termostato y en el viscosímetro.

Se deposita la sustancia problema en el capilar, procurando que no quede ninguna gota de aire dentro del tubo.

Se selecciona la esfera adecuada y se deja caer dentro del tubo, posteriormente se comienza a medir el tiempo de la caída de la esfera seleccionada mínimo tres veces con el fluido a las siguientes temperaturas: temperatura ambiente (29ºC), 40ºC, 50ºC y 60ºC. La esfera debe entrar en el liquido y permanecer en el sin producir burbujas.

5. EVALUACION

La viscosidad dinámica se mide en centipoises, en el sistema de unidades C.G.S. antiguo. No obstante se deben sustituir las unidades al sistema internacional S.I donde, la viscosidad dinámica en centipoises se calcula por la formula:

μ=K∗(ρ e−ρf )∗t

donde K = constante de la esfera a utilizar

ρe= densidad de la esfera (g/cm3 ¿

ρ f= densidad del fluido (g/cm3 ¿

t = tiempo de caída de la esfera.

Los valores de K y ρe se obtienen de la tabla del catálogo del viscosímetro.

Esfera:

Nº 3 K=0.12865cm2/s2 Sg−e=8.0108

ρe=(Sg−e )(ρw)

Fluido:

Aceite SAE 50 Sg−f =0.88(medida tomadadel densimetro del Lab .Fluidosde laUFPS)

Tiempos:

Tabla 1 Tiempos Medidos Para Las Diferentes Temperaturas

TEMPERATURA(ºC)

t 1(seg)

t 2(seg)

t 3(seg)

TIEMPO PROMEDIO(seg)

29 82.60 79.68 79.99 80.7640 38.10 36.28 37.19 37.1950 22.52 22.43 21.49 22.1560 14.31 13.44 13.33 13.69

6. ANALISIS E INTERPRETACION DE LOS RESULTADOS

6.1 Con los datos obtenidos de tiempo se calcula el valor de viscosidad para cada una de las temperaturas, luego:

T = 29ºC t = 80.76 seg ρw=0.996 gr /cm3

ρ f=Sg−f (ρw )=0.88 (0.996 gr /cm3 )=0.876 gr /cm3

μ=K∗(ρ e−ρf )∗t

μ=0.12865cm2/seg2∗(8.0108−0.876 )(gr /cm3)∗80.76 seg

μ=74.1289 poise

T = 40ºC t = 37.19 seg ρw=0.990gr /cm3

ρ f=Sg−f (ρw )=0.88 (0.990 gr /cm3 )=0.873gr /cm3

μ=K∗(ρ e−ρf )∗t

μ=0.12865 cm2/seg2∗(8.0108−0.873 )(gr /cm3)∗37.19 seg

μ=34.1508 poise

T = 50ºC t = 22.15 seg ρw=0.988gr /cm3

ρ f=Sg−f (ρw )=0.88 (0.988 gr /cm3 )=0.869gr /cm3

μ=K∗(ρ e−ρf )∗t

μ=0.12865 cm2/seg2∗(8.0108−0.869 )(gr /cm3)∗22.15 seg

μ=20.3512 poise

T = 60ºC t = 13.69 seg ρw=0.984 gr /cm3

ρ f=Sg−f (ρw )=0.88 (0.984 gr /cm3)=0.866 gr /cm3

μ=K∗(ρ e−ρf )∗t

μ=0.12865 cm2/seg2∗(8.0108−0.866 )(gr /cm3)∗13.69 seg

μ=12.5836 poise

6.2 Realizar una gráfica de VISCOSIDAD vs TEMPERATURA

Gráfica 1. Viscosidad Vs Temperatura Para La Medida De Viscosidad Del Aceite SAE 50 Con El Viscosímetro De Hoopler

25 30 35 40 45 50 55 60 650

10

20

30

40

50

60

70

80

Temperatura (°C)

Visc

osid

ad (p

oise

)

6.3 METODOS PARA MEDIR LA VISCOSIDAD

Diversos métodos e instrumentos se han desarrollado para determinar la viscosidad de los fluidos. Algunos se basan netamente en los conceptos de la mecánica de fluidos y expresan directamente la medición en las unidades pertinentes, otros ofrecen exclusivamente valores relativos de la viscosidad que se pueden utilizar para comparar diferentes fluidos. Dentro de los viscosímetros más comunes se encuentran:

Viscosímetro de tambor giratorio.

Este aparato mide la viscosidad utilizando la definición de la viscosidad dinámica

μ=τ /( ΔvΔy

)

El procedimiento consiste en hacer girar el tambor exterior a una velocidad angular constante ω, mientras que el tambor interior se mantiene estacionario. Por consiguiente el fluido que queda en contacto con el tambor giratorio tiene una velocidad v conocida y el fluido que está en contacto con el tambor fijo tendrá velocidad 0; si se conoce Δy de la muestra del fluido se puede calcular la relación Δv /Δy .

Debido a la viscosidad del fluido, se presenta una fuerza de arrastre sobre la superficie del tambor interior que ocasiona el desarrollo, cuya magnitud es una medida de tensión de corte τ , y así se podrá calcular la viscosidad.  

Viscosímetro de tubo capilar.  

Consiste en dos 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:

μ=(P1−P2) D2

32vL

Viscosímetro universal de 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 un aparato sencillo, con un orificio en su parte inferior, 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.

Viscosímetro de Oswald- cannon-Fenske

En esencial el viscosímetro es un tubo “U” una de sus ramas es un tubo capilar fino conectado a un depósito superior. El tubo se mantiene en posición vertical y se coloca una cantidad conocida del fluido el depósito para que luego fluya por gravedad a través de un capilar. Los procedimientos exactos para llevar a cabo esta prueba estándar esta dado en los estándar de la ASTM (American Society For Testing and Materials).

Viscosímetro de caída de bola

El viscosímetro de caída de bola se basa en el sistema de medida Hoopler. Mide el tiempo en el que una esfera sólida necesita para recorrer una distancia entre dos puntos de referencia dentro de un tubo inclinado con muestra.Los resultados obtenidos se determinan como viscosidad dinámica en la medida estandarizada en el Sistema Internacional (mPa·s).

El viscosímetro de Hoopler determina la viscosidad de líquidos Newtonianos y gases (con una bola especial para gases), con precisión. Entre sus aplicaciones figuran la investigación, el control de procesos y el control de calidad.

6.4 GRADOS DE VISCOSIDAD

GRADOS SAE:

La Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE) clasifica los aceites según su grado de viscosidad. Dentro de esta clasificación se le da bastante importancia a la influencia de la temperatura en las propiedades de los lubricantes. En esta designación los números bajos indican baja viscosidad de aceite o bien aceites "delgados" como comúnmente se les conoce y los números altos indican lo opuesto.

En cuanto a grado de viscosidad se refiere, existen 2 tipos de aceites:

Monógrados: Diseñados para trabajar a una temperatura específica o en un rango muy cerrado de temperatura. En el mercado se pueden encontrar aceites monógrado SAE 10, SAE 30, SAE 40, entre otros.

Multigrados: Diseñados para trabajar en un rango más amplio de temperaturas, en donde a bajas temperaturas se comportan como un monógamo de baja viscosidad (SAE 10 por ejemplo) y como un monógamo de alta viscosidad a altas temperaturas (SAE 40 por ejemplo). Los aceites multigrados están formados por una base de baja viscosidad así como de aditivos (polímeros) que evitan que el aceite pierda viscosidad al calentarse. Esto permite a los aceites multigrados trabajar en un rango muy amplio de temperatura manteniendo las propiedades necesarias para proteger el motor. En el mercado podemos encontrar aceites multigrados SAE 5W-30, SAE 15W-40, SAE 20W-50, entre otros.

Aquellos aceites que cumplen los requerimientos de viscosidad a bajas temperaturas (bajo 0°C) se les designan con la letra "W" que indica invierno (Winter).

GRADOS ISO

La Organización Internacional para la Estandarización (ISO) estableció desde 1975 el sistema ISO para especificar la viscosidad de los aceites industriales, pero solo hasta 1979 fue puesta en práctica por la mayoría de los fabricantes de lubricantes. El sistema ISO clasifica la viscosidad de los aceites industriales en cSt. a 40°C, mediante un número estándar que se coloca al final del nombre del aceite industrial. Este sistema reduce las posibilidades de que alguien se pueda equivocar en la selección del aceite a utilizar ó que mezcle lubricantes de diferentes viscosidades; facilita además hallar de manera inmediata el equivalente en viscosidad de un aceite con otro puesto que el nombre del aceite debe traer al final el grado ISO correspondiente. Así por ejemplo, si se tiene el aceite Tellus 68 de marca Shell y se sabe que este fabricante está utilizando la clasificación ISO en sus aceites industriales, entonces el número 68 del aceite Tellus indica que tiene una viscosidad de 68 cSt a 40°C.

Algunos aspectos importantes que es necesario tener en cuenta con la clasificación ISO son:

Únicamente clasifica la viscosidad de los aceites industriales. Clasifica la viscosidad en cSt a 40°C.

Sólo se relaciona con la viscosidad del aceite industrial y no tiene nada que ver con su calidad.

El grado ISO aparece al final del nombre del aceite industrial, cualquiera

que sea su marca.

6.5 INDICE DE VISCOSIDAD

Es el valor que determina la correlación existente entre la viscosidad de un aceite

lubricante y la temperatura. De modo práctico, se puede entender al índice de

viscosidad como un número que refleja cuánto podrá variar la viscosidad del

lubricante ante los cambios de temperatura, correspondiendo los mayores valores

a aquellos aceites que presentan menor variación.

Este indicador, generalmente se obtiene a través de un ensayo de laboratorio, en

la cual se contrastan los valores de dos aceites patrones versus el lubricante que

se desea evaluar.

No se debe confundir, ni mal interpretar este importante valor con los datos correspondientes a la viscosidad del lubricante, ya que son cosas distintas. En motores y otros sistemas donde las oscilaciones de temperaturas son muy significativas, el uso de aceites lubricantes con altos índices de viscosidad es altamente necesario. Inclusive, para atenuar o contrarrestar las pérdidas de viscosidad por efecto del aumento de temperatura, son utilizados productos o aditivos añadidos, que están basados en moléculas poliméricas sensibles. Como ejemplo de estas adiciones o productos terminados están en lubricantes multigrados para motores; aceites para engranajes; fluidos para sistemas hidráulicos; líquidos de transmisión automática; aceites para transferencia de calor; grasas; etc.

7. CONCLUSIONES

En la realización de la práctica y en el análisis de los de los resultados se corroboro lo que en la base teórica se afirma respecto a la relación de la viscosidad de los líquidos con la temperatura, es decir, a medida que a un líquido se le aumenta la temperatura su viscosidad disminuye.

De acuerdo a la gráfica que se le agregó una línea de tendencia logarítmica se puede deducir que la temperatura y la viscosidad son inversas.

La viscosidad de un lubricante es importante para una máquina ya que puede afectar su eficiencia y su vida útil, por ejemplo, si es poco viscoso el aceite se desliza por acción de la gravedad y los elementos de la máquina quedan sin lubricación.

8. RECOMENDACIONES

Por la importancia que tiene la viscosidad en el análisis de fluido, sería interesante

investigar sobre esta propiedad en gases y los métodos que se emplean para su

determinación.

BIBLIOGRAFIA

MATAIX, Claudio, mecánica de Fluidos y Máquinas Hidráulicas. Segunda Edición. México. AlfaOmega, 2010. 660 pág.

MOTT, Robert, mecánica de fluidos aplicada. Cuarta Edición. México. Prentice Hall, 1996. 580 pág

PÁGINAS DE INTERNET

VISCOSIDAD, [EN LINEA], disponible en: http://www.widman.biz/Seleccion/viscosidad.html, recuperado: 12 de septiembre de 2011.

MOTOSONLINE- GRADOS SAE, [EN LINEA], disponible en: http://www.motosonline.net/fichamecanica.asp?Id=32, recuperado: 12 de septiembre de 2011.

GRADOS ISO, [EN LINEA], disponible en: http://www.mantenimientomundial.com/sites/mmnew/bib/notas/bo2.pdf, recuperado: 12 de septiembre de 2011.