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2021 “Año de la consumación de la independencia y la grandeza de México” Tecnológico De Estudios Superiores de San Felipe del Progreso. 19 de noviembre del 2021 INGENIERIA QUIMICA Asignatura: Análisis de productos químicos y complementarios. PRACTICA 1: Determinación de viscosidades NOMBRE DE LOS INTEGRANTES: Docente: I.Q Janet Fermín Aguilar Semestre: Séptimo Grupo IQ701 Ciclo escolar 2021-2022 ➢ Jairo Andrés Segundo ➢ Belén Félix Alva ➢ Berenice Miranda Miranda ➢ Dany Suarez López INDICE 1. Resumen…………………………………………………………..3 2. Introducción……………………………………………………….3 3. Objetivo General………………………………………………….6 4. Objetivos específicos…………………………………………….6 5. Marco Teorico…………………………………………………….7 6. Material y equipo………………………………………………...11 7. Reactivos…………………………………………………………12 8. Metodologia………………………………………………………12 9. Procedimiento……………………………………………………13 10. Datos experimentales…………………………………………..14 11. Resultados……………………………………………………….16 12. Conclusiones…………………………………………………….19 13. Referencias……………………………………………………..19 14. Anexos……………………………………………………………21 RESUMEN Se define fluido como una sustancia que se deforma continuamente bajo la acción de un esfuerzo de corte, por tanto, en ausencia de este, no habrá deformación. Los fluidos pueden clasificarse de manera general de acuerdo con la relación entre el esfuerzo de corte aplicado y la relación de deformación. Consideremos un elemento de fluido entre dos placas paralelas infinitas. Los líquidos tienen una propiedad conocida como la viscosidad, la cual se puede definir como la resistencia a fluir ofrecida por un líquido, resultante de los efectos combinados de la cohesión y la adherencia. La viscosidad es una medida de la fricción interna del fluido, esto es, la resistencia a la deformación. El mecanismo de la viscosidad en gases se entiende razonablemente bien, pero la teoría se ha desarrollado muy poco para los líquidos. Podemos obtener mayor información acerca de la naturaleza física del flujo viscoso analizando este mecanismo brevemente. La viscosidad de un fluido newtoniano está determinado por el estado del material. De tal modo m = m(T, p). La temperatura es la variable más importante por lo que la consideraremos primero. Se dispone de excelentes ecuaciones empíricas para la viscosidad como una función de la temperatura. INTRODUCCIÒN La viscosidad es la propiedad que representa la resistencia interna de un fluido al movimiento o su “fluidez”. Responde a las pérdidas de energía asociadas con el transporte de fluidos en ductos, canales y tuberías. Además, la viscosidad desempeña un papel primordial en la generación de turbulencia. En la bibliografía, podemos encontrarnos con dos definiciones de viscosidad, la viscosidad dinámica y la viscosidad cinemática. Viscosidad dinámica: Conforme un fluido se mueve, dentro de él se desarrolla un esfuerzo cortante, cuya magnitud depende de la viscosidad del fluido. Se define al esfuerzo cortante como la fuerza que se requiere para que una unidad de área de una sustancia se deslice sobre otra. En fluidos como el agua, el alcohol u otros líquidos comunes, la magnitud del esfuerzo cortante es directamente proporcional al cambio de velocidad entre las posiciones diferentes del fluido. El hecho de que el esfuerzo cortante sea directamente proporcional al gradiente de velocidad se enuncia en forma matemática así: 𝜏= (Δ𝑣/Δ𝑦) Donde a la constante de proporcionalidad 𝜂 se le denomina viscosidad dinámica del fluido. En ocasiones se emplea el término viscosidad absoluta. Las unidades para la viscosidad dinámica en el Sistema Internacional son Pa∙s o kg/(m∙s). En el Sistema Inglés son lb∙s/pie2 o slug/(pie∙s). En el Sistema CGS son Poises (1 poise = dina∙s/cm2 = g/(cm∙s) = 0.1Pa∙s) Viscosidad cinemática: Muchos cálculos de dinámica de fluidos involucran la razón (o cociente) de la viscosidad dinámica en la densidad del fluido. Pon conveniencia, la viscosidad cinemática 𝜈 se define como: 𝜈= 𝜂𝜌 Donde 𝜂 es la viscosidad dinámica del fluido y 𝜌 la densidad del mismo. Debido a que éstas son propiedades del fluido, la viscosidad cinemática también lo es. Las unidades para la viscosidad cinemática en el Sistema Internacional son m2/s. En el Sistema Inglés son pie2/s. Y en el Sistema CGS son Stokes (1 stoke = 1 cm2/s = 1x10-4m2/s) Las variables más importantes que afectan a la viscosidad son: a) Velocidad de Deformación. El estudio de la deformación y las características del flujo de las sustancias se denomina reología (que estudia la viscosidad de los fluidos). Es importante saber si un fluido es newtoniano o no newtoniano. A cualquier fluido que se comporte de acuerdo con la ecuación 𝜏= (Δ𝑣Δ𝑦) se le llama fluido newtoniano. En este tipo de fluidos la viscosidad sólo es función de la condición del fluido, en particular de su temperatura; la magnitud del gradiente de velocidad no tiene ningún efecto sobre la magnitud de la viscosidad. A los fluidos más comunes como el agua, aceite, gasolina, alcohol, keroseno, benceno y glicerina, se les clasifica como newtonianos. A la inversa, a un fluido que no se comporte de acuerdo con la ecuación anterior se le denomina fluido no newtoniano. La viscosidad del fluido no newtoniano depende del gradiente de velocidad, además de la condición del fluido. b) Temperatura. La viscosidad es fuertemente dependiente de la temperatura. La mayoría de los materiales disminuyen su viscosidad con la temperatura. Para líquidos más viscosos esta dependencia es mayor, y ha de tomarse mayores precauciones en el control de la temperatura. El propósito de aumentar la temperatura es disminuir la viscosidad mediante el incremento de la velocidad de las moléculas y, por ende, tanto la disminución de sus fuerzas de cohesión como también la disminución de la resistencia. Existe una amplia variedad de viscosímetros para las mediciones de la viscosidad, rotacionales, de orificio, de caída de una bala y oscilatorias. En varios de los viscosímetros comerciales comunes se determina la viscosidad cinemática a partir del tiempo de derrame (segundos) de un volumen fijo de líquido por un tubo capilar o un orificio. En este tipo de instrumentos, los efectos cinético y de admisión constituyen una parte básica de la resistencia al flujo. Viscosímetro Brookfield: Es el más común de los viscosímetros de rotación. Se basa en el principio del viscosímetro rotacional; mide la viscosidad captando el par de torsión necesario para hacer girar a velocidad constante un husillo inmerso en la muestra de fluido a estudiar. El par de torsión es proporcional a la resistencia viscosa sobre el eje sumergido, y en consecuencia, a la viscosidad del fluido. Los viscosímetros Brookfield son de fácil instalación y gran versatilidad y para su manejo no se necesitan grandes conocimientos operativos. Copa Ford El viscosímetro de copa Ford se usa para determinar de forma rápida y sencilla la viscosidad en líquidos. Por favor, tenga en cuenta que es sólo aplicable a líquidos poco viscosos. Las pastas densas y otras sustancias de alta viscosidad no son aptas para medirlas con una copa de viscosidad. La estructura del viscosímetro de copa Ford está regularizada por la norma DIN, y por tanto es siempre igual. Se compone de un cuerpo hueco de forma cilíndrica que suele desembocar en una boquilla intercambiable. La apertura de las boquillas está regularizadas, al igual que la copa, por la normativa DIN. Cuando use una viscosímetro de copa tenga presente que según el medio utilizado, deberá limpiar la copa a fondo. De lo contrario, pueden quedar residuos en la copa que pudieran falsificar mediciones futuras. También falsifican la medición los arañazos, pues ese material retirado cambia el volumende la copa, por lo que ya no cumple con la normativa DIN. OBJETIVO GENERAL ❖ Determinar experimentalmente las viscosidades de diferentes sustancias a diversas temperaturas utilizando dos diferentes viscosímetros. OBJETIVOS ESPECIFICOS ❖ Realizar mediciones de la viscosidad de glicerina, aceite de oliva y aceite para bebé. ❖ Comparar los valores de viscosidad obtenidos utilizando diferentes viscosímetros (zahn, ford y Brookfield). ❖ Comparar los valores de viscosidad obtenidos a 45, 70 y 90 °C. ❖ Determinar la viscosidad teórica de diferentes fluidos. ❖ ¿Cómo varía la viscosidad con respecto a la temperatura? MARCO TEÓRICO ¿Qué es un fluido? Es un estado de la materia con un volumen indefinido debido a la mínima cohesión que existe entre sus moléculas, cuando observamos algo que tiene la habilidad de moverse en un ambiente sin conservar su forma original hablamos de un fluido. Algunas propiedades son: Viscosidad La viscosidad es la propiedad que determina la medida de la fluidez a determinadas temperaturas. A más viscoso menos fluye un fluido. Cuanto más viscoso es un fluido es más pastoso y menos se desliza por las paredes del recipiente. Si existe una mayor viscosidad, el líquido fluye más lentamente. A más temperatura menos viscoso es un fluido. El movimiento de los fluidos se puede ver ligeramente frenado por el rozamiento entre sus partículas en la dirección de su desplazamiento. Este fenómeno es mucho más importante en los líquidos que sufren una pérdida apreciable de energía y de presión a medida que se mueve por tuberías o canales. Fluidez Es parecido a la viscosidad pero lo contrario. Es una propiedad de líquidos y gases que se caracteriza por el constante desplazamiento de las partículas que los forman al aplicarles una fuerza. Los gases se expanden ocupando todo el volumen del recipiente que les contiene, ya que no disponen ni de volumen ni de forma propia. Por esta razón los recipientes deben estar cerrados.Los líquidos si mantienen su volumen, aunque adoptan la forma del recipiente hasta alcanzar un nivel determinado, por lo que pueden permanecer en un recipiente cerrado. Densidad Es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia. Se utiliza la letra griega ρ [Rho] para designarla. La densidad quiere decir que entre más masa tenga un cuerpo en un mismo volumen, mayor será su densidad. Así mismo, “Ley de viscosidad de Newton” establece que la Fuerza por unidad de Área es proporcional a la disminución de la velocidad V con la distancia Y. La constante de proporcionalidad µ se denomina viscosidad del fluido. Los fluidos que cumplen con la ley de viscosidad de Newton se denominan fluidos newtonianos. Las capas del fluido próximas a una placa sólida fija tienen velocidades más lentas que las alejadas debido a los procesos disipativos que se generan. Parte de la energía cinética que poseen las capas se transforma en calor. Vamos a representar el comportamiento de un fluido, que se encuentra contenido entre dos grandes láminas planas y paralelas, de área A, que están separadas entre sí por una distancia pequeña “y” y si es muy pequeña “dy”. Supongamos que inicialmente el sistema se encuentra en reposo, t= 0, pero luego la lámina superior se pone en movimiento en dirección del eje X, con una velocidad constante v. De aquí surge la definición: la viscosidad es la resistencia de un líquido a fluir. Dicho de otra manera, más genérica: la viscosidad es la propiedad de un fluido por la que se opone a deformarse o es la resistencia de un fluido a las deformaciones tangenciales y la oposición se debe a las fuerzas de cohesión moleculares. La viscosidad absoluta o dinámica (µ) tiene como unidades: Newton x seg/m2 (Sist. Internacional) y también: dina x seg/cm2 = Poise (Sist. Cegesimal). Se usa mucho la viscosidad cinemática (φ) que es la relación entre la viscosidad absoluta (μ) y la densidad (ρ). Se calcula mediante la relación: φ= µ /ρ. Las unidades de viscosidad cinemática son: m2/seg (Sist. Internacional) y también cm2/seg = stoke = st (Sist. Cegesimal). En este último sistema se emplea el centistocke o cst: 1 stoke = 100 centistokes = 100 cst. 1 cst= 100 cm2/seg = 1mm2/seg. Copas de viscosidad Zahn Equipo de acero inoxidable fácil de usar para medir rápidamente la viscosidad de los productos en el lugar o durante la producción. https://http2.mlstatic.com/D_NQ_NP_718709-MLM31216205312_062019-W.jpg La copa de viscosidad Zahn son calibradores fáciles de usar para medir rápidamente la viscosidad de los líquidos. La copa se sujeta con su mango y se sumerge en el líquido que se va a medir. La copa se sumerge en el producto que se quiere medir y, a continuación, se vacía por el orificio. La viscosidad cinemática medida se expresa generalmente en segundos(s) de tiempo de flujo, que pueden convertirse en centistokes (cSt). Cada copa dispone de un asa larga y curvada de 12 in, para sumergir la copa con la mano en el líquido. En el centro del asa hay un aro para introducir el dedo y mantener la copa verticalmente durante su uso. Los resultados se dan en segundos Zahn a la temperatura específica. (Centistokes)(gravedad específica) = Centipoise Centistoke = K ∗ (tiempo de caída − C) Copa Ford Copa Ford es usada por muchos laboratoristas para medir la viscosidad en pinturas tanto en el laboratorio como en el proceso relacionado con recubrimientos. Características: • Las Copas de viscosidad Ford están garantizadas para estar dentro del 2% del rango recomendado para su uso. • Para líquidos de viscosidad baja. • Cumple con la norma ASTM D332, 365 y D1200. • Cuerpo hecho de barra de aluminio sólido. • Orificio de latón. • Calibrado con estándares de viscosidad referidos para certificar para aceites ante el NIST. (National Institute of Standards and Technology de los Estados Unidos de América). El viscosímetro de copa Ford se usa para determinar de forma rápida y sencilla la viscosidad en líquidos y sólo es aplicable a líquidos poco viscosos. Las pastas densas y otras sustancias de alta viscosidad no son aptas para medirlas con una copa de viscosidad. La estructura del viscosímetro de copa Ford está regularizada por la norma DIN, y por tanto es siempre igual. https://twilight.mx/instrumentos/thumbs/BL-FC4yBL-FC5-67-2.jpg Se compone de un cuerpo hueco de forma cilíndrica que suele desembocar en una boquilla intercambiable. La apertura de las boquillas está regularizada, al igual que la copa, por la normativa DIN. La medición se realiza de la siguiente manera: Primero se mantiene cerrada la boquilla y se rellena la copa con la sustancia a medir y se debe llenar la copa hasta arriba. Un canal rebosadero impide que se falsifique la medición por líquido que pueda escurrirse. Después se pasa por encima de la copa con la placa de cristal para retirar el material sobrante. Ahora podrá abrir la boquilla. Debido a la depresión generada el material permanece en la copa. Si ahora retira la placa de cristal horizontalmente debe activar el cronómetro. Cuando el flujo se interrumpa por primera vez deberá parar el cronómetro. MATERIAL Y EQUIPO • Viscosímetro brookfield. • Copa Zahn y Ford. • Parrilla eléctrica. • 2 vasos de precipitados de 100mL. • 2 vasos de precipitados de 250mL. • 1 vaso de precipitados de 600Ml. • 2 probetas de 100mL. • Termómetro. • Cronometro. • Piseta. • Guantes de látex. • Lentes de Seguridad. REACTIVOS • Glicerina • Aceite de oliva • Aceite para Bebé (Aceite Mineral con fragancia). • Aceite automotriz. • Pintura METODOLOGÌA INICIO Agregar cada reactivo en los vasos de precitado Calibrar y conectar a la corriente eléctrica el viscosímetro Seleccionar la aguja de rotaciòn Introducirla aguja en cada reactivo Encender el viscosímetro Se introduce cada medida de aguja con todos los reactivos Esperar a que se estabilice el indicador para leer los valores de viscosidad Se tiene que calentar cada reactivo, a las temperaturas dadas FIN PROCEDIMIENTO Se colocó la aguja al eje inferior del viscosímetro. Insertando la aguja en la material prueba hasta que el nivel del fluido este en la ranura que viene marcado con una raya. Primero se comenzó tomando lecturas con los reactivos a temperatura ambiente. Cada reactivo se calentó en luna parrilla a diferentes temperaturas que fue 70 y 90 °C cada una y se hizo el mismo procedimiento anterior Hacer antaciones de los datos obtenidos La copa se llena con el líquido a medir y se tapa el orificio con un dedo de la mano. Con un cronómetro se mide el tiempo en segundos desde que se quita el dedo hasta Ir anotando los datos correspondientes el momento preciso en que el hilo del líquido se rompe. Este tiempo se convierte en centistokes con una tabla de conversión que se proporciona con la copa. DATOS EXPERIMENTALES Tablas de mediciones con el viscosímetro brookfield: Aceite de automovil (T= 18 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 38 0.5 6.5 2 12 100 2.5 26 6.9 30 100 7 64.5 17 60 100 14 93 38 Aceite de automovil (T= 45 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 3.5 0.5 1.4 0.5 12 14.4 0.5 4.6 1.5 30 36.9 0.6 11.3 3.5 60 75 0.7 21.5 6.5 Aceite de automovil (T= 70 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 1.5 0.3 0.5 0.5 12 5.5 0.4 1,9 0.6 30 14 0.5 4.5 1.5 60 29 1.5 9 2.3 Aceite de automovil (T= 90 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 1 0.4 0.5 0.4 12 4 0.4 1.2 0.5 30 9.6 2 3 1 60 20 2.2 5 1.5 Pintura (T= 18 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 66.5 1.5 12 4.5 12 100 4 32 8.5 30 100 5.5 63.5 17 60 100 9.3 100 33 Pintura (T= 45 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 29 5.1 0.5 2 12 55.5 11.5 2.5 4 30 100 22 3 7.5 60 100 30 6.5 12 Aceite de oliva (T= 18 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 3.5 1 0.5 0 12 14 3 1 0.5 30 33.5 8.5 2.5 1.5 60 66 18.5 6 4 Aceite de oliva (T= 90 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 0 0 0 0 12 1.5 0 0 1.2 30 6 0 2.5 2 60 23.5 2 13 12 Aceite de oliva (T= 90 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 0 0.5 0.5 1.5 12 1.5 0.5 1 3.4 30 6 1 1.5 5.5 60 21 2.5 2.5 11 Copa Zahn y Ford Sustancia Tiempo del primer corte (segundos) Temperatura Aceite de oliva 23.96 18 glicerina 113.16 18 aceite de automivil 113.21 18 aceite menen 17.92 18 RESULTADOS De acuerdo a la formula (Dial Reading x Factor = Viscocity in Centipoise). Calculamos el valor para cada fluido ACEITE DE AUTOMOVIL (T= 18 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 760 1000 650 800 12 35 3000 650 690 30 200 1400 2581 680 60 150 1400 465 760 ACEITE DE AUTOMOVIL (T= 45 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 70 500 140 200 12 72 250 115 150 30 73.8 120 113 140 60 75 70 107.5 130 ACEITE DE AUTOMOVIL (T= 70 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 150 300 200 200 12 27.5 200 190 160 30 28 100 180 10 60 29 150 180 230 ACEITE DE AUTOMOVIL (T= 90 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 20 400 50 80 12 20 200 30 50 30 19.2 400 30 40 60 20 220 25 30 PINTURA (T= 18 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 1330 1500 4800 1800 12 500 2500 3200 1700 30 200 1100 630 680 60 100 930 2000 660 PINTURA (T= 45 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 580 5100 50 800 12 277.5 5750 62.5 400 30 200 4400 60 300 60 100 3000 30 240 ACEITE DE OLIVA (T= 18 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 70 1000 50 0 12 70 1500 26 50 30 67 1500 25 60 60 66 1850 30 80 ACEITE DE OLIVA (T= 70 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 0 0 0 0 12 7.5 0 0 120 30 12 0 62.5 80 60 23.5 200 65 240 Aceite de oliva (T= 90 °C) Velocidad (RPM) D1 (61) D2 (64) D3(62) D4(63) 3 0 500 50 600 12 7.5 250 25 340 30 18 200 15 220 60 21 250 12.5 220 CONCLUSIONES Con la practica de laboratorio realizada aprendimos a como determinar, calcular y obtener la viscosidad de algunas sustancias. Con respecto al viscosímetro realizamos y analizamos, las mediciones de viscosidades anotando cada valor correspondiente a las temperaturas, tiempo y velocidad. De modo que comprendimos que, a mayor temperatura de un líquido, su viscosidad será menor (se vuelve menos viscosos, denso) y a menor temperatura de un líquido, su viscosidad será mayor (se vuelve más denso). Finalmente, la viscosidad es una propiedad crítica de los fluidos y su monitoreo es esencial para el análisis de lubricantes. Las pruebas para medir viscosidad absoluta y cinemática producen resultados muy diferentes cuando se evalúan aceites usados. REFERENCIAS Arenas, A. E. (19 de Julio de 2017). SlideShare. Obtenido de Fluidos Reales e Ideales: https://es.slideshare.net/cnt-sk8/variables-que-afectan-la-viscosidad Cengel, Yunus A. (2006). Mecánica de Fluidos: Fundamentos y Aplicaciones. Editorial McGrawHill. Primer Edición. México. Págs. 46-50. Mott, Robert. (2006). Mecánica de Fluidos. Editorial Pearson Educación. Sexta Edición. México. Págs. 26-43. Perry, Robert. (2001). Manual del Ingeniero Químico: Tomo II. Editorial McGraw- Hill. Sexta Edición. México. Págs. 5-4, 5-6. Potter, Merle & Wiggert, David. (). Mecánica de Fluidos. Editorial Thomson. Tercera Edición. México. Viscosímetros Brookfield. Obtenido de https://viscosimetros.top/viscosimetros- brookfield/ ANEXOS Hojas de seguridad
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