VISCOSIMETRA

FAC. INGENIERIA UMSA

VISCOSIMETRIA

VISCOSIMETRA1. OBJETIVO GENERALDeterminar en forma experimental, la viscosidad de un lquido, haciendo uso del material y equipo de laboratorio disponible, y aplicando la Ley de Stokes para el cometido.

2. OBJETIVO ESPECIFICO El objetivo ms importante de esta prctica es la determinar el valor del coeficiente de viscosidad de un lquido. Determinar as el tipo de rgimen de flujo, en base al nmero de Reynolds. 3. FUNDAMENTO TEORICO

Viscosidad, propiedad de un fluido que tiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza. Los fluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir; los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se mide con un recipiente (viscosmetro) que tiene un orificio de tamao conocido en el fondo. La velocidad con la que el fluido sale por el orificio es una medida de su viscosidad.

FLUJOS DE LA CAPA LMITE

Segn la teora molecular, cuando un fluido empieza a fluir bajo la influencia de la gravedad, las molculas de las capas estacionarias del fluido deben cruzar una frontera o lmite para entrar en la regin de flujo. Una vez cruzado el lmite, estas molculas reciben energa de las que estn en movimiento y comienzan a fluir. Debido a la energa transferida, las molculas que ya estaban en movimiento reducen su velocidad. Al mismo tiempo, las molculas de la capa de fluido en movimiento cruzan el lmite en sentido opuesto y entran en las capas estacionarias, con lo que transmiten un impulso a las molculas estacionarias. El resultado global de este movimiento bidireccional de un lado al otro del lmite es que el fluido en movimiento reduce su velocidad, el fluido estacionario se pone en movimiento, y las capas en movimiento adquieren una velocidad media.

Para hacer que una capa de fluido se mantenga movindose a mayor velocidad que otra capa es necesario aplicar una fuerza continua. La viscosidad en poises se define como la magnitud de la fuerza (medida en dinas por centmetro cuadrado de superficie) necesaria para mantener en situacin de equilibrio una diferencia de velocidad de 1 cm por segundo entre capas separadas por 1 cm. La viscosidad del agua a temperatura ambiente (20 C) es de 0,0100 poises; en el punto de ebullicin (100 C) disminuye hasta 0,0028 poises.

EFECTOS DEL CALOR

La viscosidad de un fluido disminuye con la reduccin de densidad que tiene lugar al aumentar la temperatura. En un fluido menos denso hay menos molculas por unidad de volumen que puedan transferir impulso desde la capa en movimiento hasta la capa estacionaria. Esto, a su vez, afecta a la velocidad de las distintas capas. El momento se transfiere con ms dificultad entre las capas, y la viscosidad disminuye. En algunos lquidos, el aumento de la velocidad molecular compensa la reduccin de la densidad. Los aceites de silicona, por ejemplo, cambian muy poco su tendencia a fluir cuando cambia la temperatura, por lo que son muy tiles como lubricantes cuando una mquina est sometida a grandes cambios de temperatura.

NMERO DE REYNOLDS

La experiencia indica que existe una combinacin de cuatro factores que determinan cuando el rgimen de flujo de un lquido viscoso es laminar o turbulento, esta combinacin se denomina Nmero de Reynolds, y est dada por:

Donde:

( = densidad del fluido

V = velocidad

( = viscosidad dinmica

D = dimetro de tubo

Todos los experimentos demuestran que cuando el nmero de Reynolds se encuentra entre 0 y 2000, el rgimen de flujo es laminar, mientras que por encima de 3000 el flujo es turbulento.

Cuando el nmero de Reynolds se encuentra entre 2000 y 3000, el flujo est en la zona de transicin.

LEY DE STOKES

Cuando un fluido ideal de viscosidad nula circula alrededor de una esfera o cuando la esfera se mueve a travs de un fluido en reposo, las lneas de corriente forman una figura perfectamente simtrica alrededor de ella.

VISCOSMETRO DE STOKES

El viscosmetro de Stokes es un dispositivo ideado para poder calcular la viscosidad de un lquido utilizando para ello algunos recursos muy bsicos, puesto que con este instrumento podemos hallar la viscosidad dinmica en forma rpida y sencilla.

Este dispositivo esta en base a las fuerzas que se presentan sobre el cuerpo cualquiera que se introduce debida al empuje del lquido, peso del cuerpo y fuerzas de rozamiento o de resistencia al movimiento.

La ley de Stokes dice entonces que cuando una esfera se mueve dentro de un lquido viscoso en reposo acta una fuerza resistente sobre la esfera, esta fuerza puede calcularse fcilmente, puesto que estudios demuestran que la fuerza resistente que acta sobre esa esfera es de valor igual a:

Siendo ( el coeficiente de viscosidad absoluta o dinmica, r el radio de la esfera, y V la velocidad respecto al fluido.***PARA EL EXPERIMENTO***El sistema adecuado para este experimento es el viscosmetro de Stokes, que consiste en un recipiente cilndrico de vidrio dispuesto en forma vertical, abierto en su base superior, que contiene un lquido cuya viscosidad se desea conocer.En el seno del lquido se encuentra una esfera metlica, que se desliza hacia abajo debido a la fuerza de gravedad.

En contraposicin, esta esfera experimenta fuerzas orientadas hacia arriba, tales como las fuerzas de Stokes, cuya expresin est dada por la ecuacin (3), y la fuerza de empuje, tal como se esquematiza en la figura.

Ahora aplicaremos, la segunda Ley de Newton al sistema de fuerzas:

Reemplazando (3), (4) y (5) en (6):

Realizando operaciones:

La ecuacin (8) nos permite el clculo de la viscosidad ideal del fluido. La velocidad del movimiento, se la obtendr mediante ajuste de mnimos cuadrados de los datos altura de descenso h, versus tiempo transcurrido t, a la ecuacin:

La figura ilustra esta parte del tratamiento de datos:

En laboratorio se encontrar la viscosidad real del fluido y para ello se introducirn algunas correcciones en la ecuacin (8); as:

Correccin de Landenburg (C1) con el siguiente criterio: El movimiento de la esfera, se realiza a lo largo del eje de un tubo de radio R.

Correccin de Altrichter y Lustin (C2) con el siguiente criterio: La esfera de radio r, se mueve en un tramo finito de altura h dentro de una columna de lquido, de altura H.

Entonces la viscosidad real del fluido ser:

Dado que el fluido es viscoso, entonces es claro suponer que el flujo corresponde a un rgimen laminar. Para distinguir un flujo laminar de un flujo turbulento se cuenta con un indicador adimensional denominado Nmero de Reynolds (Re) cuya expresin es:

Siendo d el dimetro del recipiente donde se encuentra el flujo

4. EQUIPO Y MATERIAL

Los materiales y equipos utilizados en la prctica de laboratorio fueron:

Un viscosmetro de Stokes

Un vernier de 0.05 mm. de aproximacin

Una regla de un metro

Un micrmetro

Una balanza digital

Un cronmetro

Una cinta masqun

Un juego de esferas o perdigones metlicos

Un termmetro

5. SISTEMA DEL EXPERIMENTO

6. PROCEDIMIENTO

a) Se dispuso del viscosmetro de Stokes, con aceite en su interior.b) Medimos los dimetros del recipiente y de la esfera

c) Graduamos el largo del recipiente en cm. , pegando un tira de cinta masqun en la pared exterior del recipiente.

d) Se pidi informacin, a cerca de la densidad del aceite y de los perdigones.

e) Encendimos el foco que est detrs del recipiente, para mejorar la visin.

f) Tomamos un perdign y lo dejamos caer dentro del lquido.

g) Pusimos en marcha el cronometro, tan pronto como la esfera paso por la marca referencial.

h) Detuvimos el cronometro cuando la esfera recorri una determinada altura h.i) Hicimos lo propio con otras alturas.

j) Se midi la temperatura del lquido.

k) Medimos la altura de la columna de lquido y el dimetro del recipiente.

7. DATOSLos datos recopilados en la prctica de laboratorio son:

Densidad del aceite L = 0.78 g/cm3Densidad de la esfera E = 6.54 g/cm3Radio del recipiente R = 1.775 cm.

Radio de la esfera r = 1.68 mm. = 0.168 cm.

Altura de la columna de liquido H = 116 cm.T ambiente= 28 CMasa de la esfera = 0.13 g

Volumen de la esfera = 0.198 cm3***Velocidad de descenso:h (cm.)1020304050

t (seg.)0.911.512.343.184.11

8. CALCULOSa) Recopile los datos h versus t

***Velocidad de descenso:h (cm.)1020304050

t (seg.)0.911.512.343.184.11

9. TRATAMIENTO DE ERRORESb) Mediante ajuste de mnimos cuadrados, a la ecuacin (10) determine la velocidad de descenso de la esfera en cm/s.

***Velocidad de descenso:h (cm.)1020304050

t (seg.)0.911.512.343.184.11

c) Luego las constantes de correccin de C1 y C2, mediante las ecuaciones (11) y (12).

d) Reemplace todos los datos y resultados en la ecuacin (13) y calcule la viscosidad real del lquido en centipoises.

e) Calcule el nmero de Reynolds mediante la ecuacin (14) e indique a qu rgimen corresponde el flujo del lquido.

Considere la esfera como sistema referencial.

10. RESULTADOSLos resultados obtenidos fueron: La velocidad de descenso de la esfera.

Las constantes de correccin:

La viscosidad real:

El Nmero de Reynolds

11. OBSERVACIONESEntre las observaciones que se puede hacer respecto a esta prctica de laboratorio son los siguientes:

Se deben de obtener los datos puntuales de las dimensiones de los objetos a utilizar, para obtener los resultados buscados. Se debe tener mucho en cuenta la graduacin a tomar a lo largo del recipiente, y tambin manejar coordinadamente el cronometro. Se debe tener cuidado con la prolongada exposicin del aceite, con el calor que produce la luz. (para evitar la variacin de la viscosidad del lquido).12. CONCLUSIONESUtilizando el viscosmetro de Stokes logramos determinar de manera experimental el valor del coeficiente de viscosidad del aceite utilizado, a la vez observamos que la esfera la cual nos ayud a calcular dicho valor caa a una velocidad constante, esto se debe a que el lquido utilizado en el viscosmetro es mucho ms denso que por ejemplo el aire y ofrece mucha mayor resistencia, a la vez el rozamiento que sufre la esfera hace que caiga con una velocidad supuesta constante.

13. CUESTIONARIO

1.- Por que la viscosidad de algunas sustancias disminuyen con el incremento de temperatura?La viscosidad de una sustancia disminuye porque la temperatura, al desprender calor hace que las fuerzas de atraccin intermoleculares disminuyan, y la sustancia sea menos viscosa. Adems la viscosidad es inversamente proporcional a la temperatura.2.- El tiempo de vaciado de un recipiente lleno de agua es el mismo que el del mismo recipiente pero lleno de otro lquido ms viscoso que el agua? Explique.

Obviamente el tiempo de vaciado de dos recipientes con distintos lquidos (uno ms viscoso que el otro) no es el mismo, el recipiente con el lquido ms viscoso tardar mucho ms en su vaciado, porque este lquido tendr mayor resistencia al movimiento.

3.- Qu viscosidad tendra un fluido ideal?

Un fluido ideal tendra una viscosidad parecida al del agua (con un valor numrico aproximado), es decir con propiedades muy parecidas al del agua.

4.- Cmo determinara el nmero de Reynolds, del lquido del experimento, en caso de que ste se encuentre dentro de un recipiente de seccin transversal no circular?

Si se tratara de un recipiente de seccin transversal no circular, lo que necesitaramos para calcular el numero de Reynolds seria el ancho de la superpie abierta al exterior, ya que en la formula nos pide el dimetro del recipiente que seria igual al ancho del mismo.

5.- Qu es el dimetro equivalente de un conducto de transversal no circular?

EMBED Equation.3

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FIS - 102L

13.

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