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FISICA II
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FACULTAD DE INGENIERÍA DE MINAS GEOLOGÍA Y CIVIL
ESCUELA DE FORMACIÓN PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
FISICA II (FS-241)
DOCENTE DE TEORÍA : Mg. Janampa Quispe, Kleber
DOCENTE DE PRÁCTICA : Fs. Ore Garcia , Julio
GRUPO : Lunes 6am – 08am
INTEGRANTES
LUJAN YANASUPO, Max Antonni GUTIERREZ CURO, Alfredo SANCHEZ PALOMINO, Yonny GARCIA ESPINOZA, Gabriel
FECHA DE ENTREGA : 18 – Setiembre – 13
AYACUCHO_2013
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA
ESCUELA DE INGENIERIA CIVIL__________________________________________________________________________________________________________
LABORATORTIO N°5 1
UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN CRISTÓBAL DE HUAMANGA.CRISTÓBAL DE HUAMANGA.
FISICA II
PRÁCTICA Nº- 05“VISCOSIDAD”
LABORATORIO N° 5VISCOSIDAD
1.-OBJETIVOS Determinar en forma cuantitativa el coeficiente de viscosidad de
un líquido en función de otro conocido
Objetivos General
Calcular la viscosidad absoluta de diversos fluidos de manera
experimental y comparar los valores obtenidos con los
suministrados por los fabricantes.
Objetivos Específicos
Determinar la viscosidad absoluta de tres aceites multigrados
mediante la relación que existe entre el tiempo empleado por una
esfera en recorrer una cierta distancia al ser introducida en el
fluido (Método de Stokes).
Comparar valores experimentales de viscosidad, con los aportados
por el fabricante para evaluar el error porcentual.
Descripción breve y concisa de los diferentes tipos de
Viscosímetros.
2.-INTRODUCCIÓN TEÓRICALa viscosidad de un líquido es una medida de su resistencia al
flujo, debido a las fuerzas internas de fricción.
Consideremos dos líquidos (de densidad 1 y 2 y que se
encuentren a la misma temperatura) de volúmenes iguales y sean t1 y
t2 los tiempos que emplean en atravesar una sección transversal del
mismo tubo, entonces se cumple n1 / n2 = 1 t1 / 2 t2
Siendo n1 y n2 los coeficientes de viscosidad de los líquidos
respectivos, siendo uno de ellos referencial, por ejemplo agua a la
misma temperatura
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La dependencia de la viscosidad con la temperatura para el
líquido está dado por la relación: n=A eE /RT siendo A, E y R
constantes (averiguar para distintos líquidos)
La viscosidad es la propiedad mas importante de los fluidos, y por tanto esta requiere la mayor consideración en el estudio del flujo de fluidos. Esta es la resistencia que ejercen los fluidos al ser deformado cuando este se aplica un mínimo de esfuerzo cortante. La viscosidad de un fluido depende de su temperatura. Es por eso que en los líquidos a mayor temperatura la viscosidad disminuye mientras que en los gases sucede todo lo contrario lo contrario. Existen diferentes formas de expresar la viscosidad de un fluido, pero las más importantes son las siguientes: viscosidad absoluta o dinámica, cinemática, Saybol, Redwoor.
Los líquidos y los gases corresponden a dos tipos diferentes de fluidos. Los primeros tienen un volumen constante que no puede alterarse apreciablemente si son sometidos a compresión, por ende se dice que son fluidos incompresibles. Los segundos no tienen un volumen propio, sino que ocupan el del recipiente que los contiene; son fluidos compresibles porque, a diferencia de los líquidos, sí pueden ser comprimidos.
La viscosidad es aquella propiedad de un fluido por virtud de la cual ofrece resistencia al corte. Esta se puede clasificar en newtonianos, donde hay una relación lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de deformación resultante, y en no newtonianos, donde tal relación lineal no existe. La Ley de la viscosidad de Newton afirma que dada una rapidez de deformación angular en el fluido, el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la viscosidad.
La resistencia de un fluido al corte depende de su cohesión y de su rapidez de la transferencia de la cantidad del movimiento molecular. Un liquido, cuyas moléculas dejan espacios entre ellas mucho mas cerradas que las de un gas, tienen fuerzas cohesivas mucho mayor que un gas. La cohesión parece ser la causa predominante de la viscosidad en un liquido; y ya que la cohesión decrece con la temperatura, la viscosidad decrece también.
La viscosidad se determino a temperatura ambiente, utilizando la ley Stokes. Con la realización de esta experiencia se quiere determinar la viscosidad absoluta de tres aceites, el SAE 20W50, SAE 15W40 y SAE 10W30. Esto se logrará utilizando 3 probetas marcadas con 10 intervalos de 30 cm c/u y se tomará el tiempo que tarda una esfera en recorrer cada intervalo. Luego se usaran estos resultados para determinar el a viscosidad experimental de los aceites usados en la
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practica y compararlos con las viscosidades proporcionadas por el fabricante.
VISCOSIDAD :La viscosidad es el rozamiento interno entre las capas de fluido. A causa de la viscosidad, es necesario ejercer una fuerza para obligar a una capa de fluido a deslizar sobre otra.En la figura, se representa un fluido comprendido entre una lámina inferior fija y una lámina superior móvil.
La capa de fluido en contacto con la lámina móvil tiene la misma velocidad que ella, mientras que la adyacente a la pared fija está en reposo. La velocidad de las distintas capas intermedias aumenta uniformemente entre ambas láminas tal como sugieren las flechas. Un flujo de este tipo se denomina laminar.
Como consecuencia de este movimiento, una porción de líquido que en un determinado instante tiene la forma ABCD, al cabo de un cierto tiempo se deformará adquiriendo la forma ABC’D’.
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Sean dos capas de fluido de área S que distan dx y entre las cuales existe una diferencia de velocidad dv. La fuerza por unidad de área que hay que aplicar es proporcional al gradiente de velocidad. La constante de proporcionalidad se denomina viscosidad .
(1)En el caso particular, de que la velocidad aumente uniformemente, como se indicó en la primera figura, la fórmula se escribe
Si el fluido es ideal , saldrá por la tubería con una velocidad, ,
de acuerdo con el teorema de Torricelli. Toda la energía potencial
disponible (debido a la altura h) se transforma en energía cinética.
Aplicando la ecuación de Bernoulli podemos fácilmente comprobar que la
altura del líquido en los manómetros es cero.
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En la figura se representan dos ejemplos de movimiento a lo largo de una tubería horizontal alimentada por un depósito grande que contiene líquido a nivel constante. Cuando el tubo horizontal está cerrado todos los tubos manométricos dispuestos a lo largo de la tubería marcan la misma presión .p=p0+ gh. Al abrir el tubo de salida los manómetros registran distinta presión según sea el tipo de fluido.
Fluido ideal :
FLUIDO VISCOSO: En un fluido viscoso el balance de energía es muy diferente. Al abrir el
extremo del tubo, sale fluido con una velocidad bastante más
pequeña. Los tubos manométricos marcan alturas decrecientes,
informándonos de las pérdidas de energía por rozamiento viscoso. En
la salida una parte de la energía potencial que tiene cualquier
elemento de fluido al iniciar el movimiento se ha transformado
íntegramente en calor. El hecho de que los manómetros marquen
presiones sucesivamente decrecientes nos indica que la pérdida de
energía en forma de calor es uniforme a lo largo del tubo
VISCOSÍMETRO: Un viscosímetro es un instrumento empleado para medir la viscosidad y
algunos otros parámetros de flujo de un fluido. Fue Isaac Newton el
primero en sugerir una fórmula para medir la viscosidad de los
fluidos, postuló que dicha fuerza correspondía al producto del área
superficial del líquido por el gradiente de velocidad, además de
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producto de una coeficiente de viscosidad. En 1884 Poiseuille mejoró la
técnica estudiando el movimiento de líquidos en tuberías.
Se clasifican en dos categorías según el fundamento en el que se
apoyen para obtener la viscosidad:
Los viscosímetros empíricos se basan en el flujo por gravedad de un
líquido a la salida de un recipiente.
Los viscosímetros absolutos se basan directamente en la Ley de Newton
sobre viscosidad y a su vez son de tres tipos :
Esfera en caída libre (Hoppler).
Rotación (cilíndrico, cónico, esférico).
Plano inclinado .
VISCOSÍMETROS DE ROTACIÓN Los viscosímetros de rotación emplean la idea de que la fuerza
requerida para rotar un objeto inmerso en un fluido puede indicar la
viscosidad del fluido. Algunos de ellos son:
El más común de los viscosímetros de rotación son los del tipo
Brookfield que determina la fuerza requerida para rotar un disco o
lentejuela en un fluido a una velocidad conocida.
El viscosímetro de 'Cup and bob' que funcionan determinando el torque
requerido para lograr una cierta rotación. Hay dos geometrías clásicas
en este tipo de viscosímetro de rotación, conocidos como sistemas:
"Couette" o "Searle”.
'Cono y plato' los viscómetros emplean un cono que se introduce en
el fluido a una muy poca profundidad en contacto con el plato.
El viscosímetro Stormer. Es un dispositivo rotatorio empleado para
determinar la viscosidad de las pinturas, es muy usado en las
industrias de elaboración de pintura. Consiste en una especie de rotor
con paletas tipo paddle que se sumerge en un líquido y se pone a
girar a 200 revoluciones por minuto, se mide la carga del motor para
hacer esta operación la viscosidad se encuentra en unas tablas ASTM
D 562, que determinan la viscosidad en unidades Krebs. El método se
aplica a pinturas tanto de cepillo como de rollo.
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A continuación trataremos los siguientes aspectos del Viscosímetro de
Rotación :
Una pieza ( cilíndrica, cónica ó esférica ) rota frente a otra de forma
similar.
La separación está lubricada con una película de fluido al que se
desea medir la viscosidad.
En la figura. se ilustra un viscosímetro de Ostwald que permite un
cálculo rápido (aunque no de máxima precisión) de la viscosidad
relativa de un líquido midiendo los tiempos que un mismo volumen de
dos líquidos tarda en pasar entre las marcas. Consiste en dos bulbos
B y C, que continúan en un tubo capilar D. se llena el bulbo B con un
líquido y se mide el tiempo que tarda la superficie del líquido en pasar
de la marca P a Q.
Se encuentra que para dos líquidos de densidades ρ1 y ρ2 que los
tiempos son t1 y t2, el cociente entre sus viscosidades es:
η1
η2
=ρ1 . t1
ρ2 . t2
ALGUNOS DE LOS MEDIDORES DE VISCOSIDAD CONOCIDOS
Viscosímetro de tubo capilar
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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 cte. 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:
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 reparta como la velocidad del fluido en segundos universales de Saybolt. La expresión aproximada entre viscosidad y segundos Saybolt es:
se expresa en stokes y t en segundos.
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 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 acabo estas pruebas estándar dado en los estándar de la American Society For Testing and Materiales.
Viscosímetro de cilindro concéntrico
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 r2 , la velocidad del fluido en la superficie del cilindro externo está dada por 2r2N/60. Con una separación entre cilindro y cilindro
La ecuación se basa en b<< r2. El momento de torsión Tc 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:
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De esta manera la ecuación para la viscosidad nos queda:
Viscosímetro de caída libre
Consiste en varios tubos llenos con líquido “estándares” de viscosidades conocidas con una esfera de acero en cada tubo. El tiempo necesario para que la esfera recorra la longitud total del tubo depende de la viscosidad del líquido. Si se coloca la muestra en un tubo análogo es posible aproximar el valor de la viscosidad por comparación con los otros tubos.
Para esta práctica utilizaremos el método de STOKES para la obtención de la viscosidad. Sr. Jeorge Gabriel Stokes Matemático y Físico Irlandés Bornat. Skreen 1819. 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.
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.
3.-PROCEDIMIENTO
MATERIALESUn viscosímetro de Ostwald, un cronómetro, dos vaso pírex, un
termómetro, un tubo graduado con líquido de viscosidad desconocida,
un tubo graduado con agua destilada, un soporte universal y pinzas.
SON LOS SIGUIENTES :
AGUA
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VISCOSÍMETRO DE OSTWALD
DETERGENTE
CRONÓMETRO
MECHERO DE BUNSEN
MATRAZ
1. Vierta el líquido de referencia (agua destilada) de tal
manera que llene el bulbo C del viscosímetro (Fig. 1)
2. Una vez lleno insufle aire por la rama ancha hasta hacer
subir la superficie del líquido por la otra rama a la señal A.
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Cubra con el dedo la rama ancha para que el líquido no
descienda por la gravedad
3. Sumerja el viscosímetro a baño maría de temperatura
constante (utilice el vaso de pirex grande llenándolo de
agua, anote la temperatura del agua)
Datos obtenidos:
T=19°C
4. Destapa la rama ancha y con el cronómetro tome el tiempo
que tarda el menisco en pasar de la señal A a la señal B
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Datos obtenidos:
Tiempo Promedio
T1 9’31’’ 9’31’’
T2 9’32.94’’
T3 9’30.24’’
5. Repita éste proceso 2 veces, luego obtenga un promedio
del tiempo
Promedio= 9’31’’
6. Repita el mismo procedimiento con el líquido cuya
viscosidad se determinará
Datos obtenidos:
Tiempo Promedio
T1 14’06.41’’ 14’07’’
T2 14’07’’
T3 14’08’’
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7. Repita los pasos de 1 a 6 utilizando un baño maría a mayor
temperatura (para ello caliente el agua del vaso pírex),
anote dicha temperatura
4.-RESULTADOS
7.2. Usando la ecuación y referencia necesaria halle la
viscosidad del líquido desconocido
La fórmula para determinar la viscosidad es:
Datos:
n1: viscosidad del agua= 1∗10−3 N∗s/m2
1: densidad del agua= 103 kg /m3
t1 : Tiempo promedio del agua = 9’31’’
t2: Tiempo promedio del sulfato de cobre = 14’0,7’
2: densidad del líquido sulfato de cobre =
Donde:
M=m2-m1= (93-51) g=42g
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V=40ml=40cm3
2 = M/V=42g/40cm3=1.048 g/cm3
Reemplazando y despejando ahora en la formula tenemos:
n1/ n2 = 1 t1 / 2 t2
n2 =( 2 t2 n1 )/ 1 t1 ……………………………………….(reemplazando)
n2 = (1.048¿103*14’07’’* 1∗10−3 )/ 103∗¿9’31’’
n2 = 0.0016 N∗s /m2……………… (Viscosidad del sulfato de cobre)
Luego comparando con la viscosidad del agua y del sulfato de
cobre, se concluye que la viscosidad del sulfato de cobre es mayor
que la del agua, es decir:
n1: viscosidad del agua= 1∗10−3 N∗s/m2
n2: Viscosidad del sulfato de cobre =0.0016 N∗s /m2=1.6¿10−3 N∗s /m2
7.3. En cuánto el factor temperatura se cumple la ecuación
teórica, discuta
Si cumple la ecuación, siempre en cuando estemos trabando con
fluidos newtonianos (Líquidos y Gases).
5.-CUESTIONARIO
1. Qué factores influyen en el aumento o disminución de la
viscosidad
Los factores que influyen son la temperatura pureza del líquido y la
capilaridad. Bueno la viscosidad se refiere a la resistencia de un
líquido o un gas a fluir. A mayor viscosidad mayor resistencia a fluir
(ej. la miel es más viscosa que el agua, pues posee más resistencia a
fluir). Los factores que influyen en la viscosidad son: la temperatura,
el peso molecular, y la estructura molecular. Los líquidos que tienen
moléculas grandes y de formas irregulares son generalmente más
viscosos que los que tienen moléculas pequeñas y simétricas.
La viscosidad depende de las fuerzas de cohesión y la rapidez de la
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transferencia de cantidad de movimiento entre moléculas. Al
incrementarse la temperatura a un líquido, la cohesión disminuye y
por lo tanto, también lo hace la viscosidad.
2. Este método utilizado en esta experiencia, será válido para
cualquier rango de viscosidad del líquido
No necesariamente, ya que según la fórmula para un fluido
newtoniano es, utilizamos la siguiente formula:
n1/ n2 = 1 t1 / 2 t2
y para fluidos no newtonianos se utiliza otros métodos de solución .
3. Cómo medirías la viscosidad de una mezcla de brea y arena
para un asfalto. ¿cómo se hace este cálculo en ingeniería?
Para coloides semisólidos se usa a menudo una forma de aparato que
fuerza al material a atravesar un orificio o tubo capilar mediante una
presión hidrostática conocida.
Se aumenta la temperatura de la brea para disminuir la viscosidad, y
con ello se mezcla el agregado a temperatura ambiental. Tomando en
cuenta la viscosidad del asfalto es inversamente proporcional a la
cantidad de solvente que se aplica. La viscosidad se mide en grado
de 0 (menor viscosidad) a 5 (mayor viscosidad).
6.-CONCLUSIONES
Para conocer la viscosidad de un líquido Newtoniano podemos utilizar un líquido de referencia del cual conozcamos su densidad y su viscosidad. Durante esta práctica utilizamos como líquido de referencia el agua.
Para conocer la viscosidad de un líquido Newtoniano a partir de un líquido de referencia debemos conocer la densidad, la viscosidad y el tiempo promedio de Ostwald de éste último y la densidad y el tiempo promedio de Ostwald del primero.
Se dice que un fluido es no Newtoniano cuando la resistencia a fluir depende de la velocidad de deslizamiento.
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En los fluidos Newtonianos hay una relación lineal entre la magnitud del esfuerzo cortante aplicado y la rapidez de deformación resultante constante).
Los gases y los líquidos ligeros se aproximan a los fluidos Newtonianos, mientras que los líquidos pesados y los gases en cercanías de sus puntos críticos son no Newtonianos.
El coeficiente de viscosidad o rozamiento interno se despeja de la siguiente fórmula:
F = ((Av) / L)
Donde:
F es la fuerza ejercida sobre una superficie de área A, en movimiento por encima de un estrato líquido de espesor constante L, a la velocidad v, con relación a la pared fija del recipiente. Dicha fuerza se opone al movimiento de la superficie considerada, a la cual es preciso aplicar una fuerza igual y contraria, F, a fin de que la superficie continúe moviéndose con velocidad v constante.
Los líquidos que tienen moléculas grandes y de formas irregulares son generalmente más viscosos que los que tienen moléculas pequeñas y simétricas.
La viscosidad de un líquido disminuye con el aumento de temperatura Con muy pocas excepciones (como el caso del dioxido de carbono líquido a baja temperatura).
Para hallar la viscosidad de un líquido no Newtoniano como un coloide semisólido se usa a menudo una forma de aparato que fuerza al material a atravesar un orificio o tubo capilar mediante una presión hidrostática conocida.
7.-BIBLIOGRAFIAUNMSM (2000). Manual de laboratorio de Física II
Sonnessa, P.A. (1983) Principios de química
Pajares, E. et all (1986). Química general, teoría y problemas
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------------------------------------------* Elaborado por Julio Oré
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