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Mediciones de ViscosidadHeli Obregón [ Codigo Universitario 1630450]

Resumen—La viscosidad es la propiedad de un fluido quetiende a oponerse a su flujo cuando se le aplica una fuerza; losfluidos de alta viscosidad presentan una cierta resistencia a fluir;los fluidos de baja viscosidad fluyen con facilidad. El objetivode este laboratorio era determinar la viscosidad de un aceitemultigrado SAE 20W-50, mediante el viscosímetro de HopplerMLV; lo primero que se realizo fue llenar el tubo capilar conaceite SAE, y se dejó caer una esfera N°4 con diámetro 15,156 mmy masa 14,8056 g. Se tomaron los tiempos que la esfera tardaen recorrer la longitud del tubo y con los datos obtenidos secalcularon los tiempos promedios para diferentes temperaturas,para luego determinar las viscosidades dinámicas experimentalesa cada temperatura para el aceite.

Index Terms—Viscosidad,Aceite multigrado SAE 20W-50, vis-cosimetro de Hoppler

I. INTRODUCCIÓN

E El estudio de la mecánica de fluidos puede ayudarnos acomprender el medio natural ya que está siempre presente

en nuestra vida cotidiana, La hidráulica estudia los fluidos ysu comportamiento, tanto en reposo (hidrostática), como enmovimiento (hidrodinámica). La viscosidad ha sido un aspectoque ha sido evaluado y controlado en el desarrollo industrial,por ello el estudio de estos aspectos a nivel de laboratorionos brindan los conocimientos y nuevas experiencias .El poderestudiar la viscosidad de una sustancia nos ayuda a concluircuanto varia con respecto a la temperatura, si es mas viscosoo menos viscoso, es por eso que Los objetivos planteados enesta práctica son describir e interpretar el método de análisisde la viscosidad de un fluido mediante el uso del viscosímetrode Hoppler junto con las variables que afectan esta medida.

II. MARCO TEORICO

La viscosidad es la principal característica de la mayoríade los productos lubricantes. Es la medida de la fluidez adeterminadas temperaturas, si la viscosidad es demasiado bajael film lubricante no soporta las cargas entre las piezas ydesaparece del medio sin cumplir su objetivo de evitar elcontacto metal-metal, si la viscosidad es demasiado alta ellubricante no es capaz de llegar a todos los intersticios endonde es requerido.

Al ser alta la viscosidad es necesaria mayor fuerza para mo-ver el lubricante originando de esta manera mayor desgaste enla bomba de aceite, además de no llegar a lubricar rápidamenteen el arranque en frio. La medida de la viscosidad se expresacomúnmente con dos sistemas de unidades SAYBOLT (SUS)o en el sistema métrico CENTISTOKES (CST). La viscosidades una propiedad que depende de la presión y temperatura y sedefine como el cociente resultante de la división de la tensión

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de cizallamiento (t ) por el gradiente de velocidad (D). m =t/ D.

Existen diversos modelos de viscosidad aplicables a sustan-cias que presentan comportamientos viscosos de diferente tipo.El modelo o tipo de fluido viscoso más sencillo de caracterizares el fluido newtoniano, que es un modelo lineal (entre elgradiente de velocidades y las tensiones tangenciales) perotambién existen modelos no lineales con adelgazamiento oespesamiento por cortante o como los plásticos de Bingham.

Fluido newtoniano: En un fluido newtoniano la fuerza deresistencia experimentada por una placa que se mueve, avelocidad constante por la superficie de un fluido viene dadapor:

donde: FR = fuerza cortante (paralela a la velocidad) A= área superficial del sólido en contacto con el fluido ,coeficiente de viscosidad dinámica. , altura del nivel de fluidoo distancia entre la placa horizontal y el fondo del recipienteque contiene al fluido. Esta expresión se puede reescribir entérminos de tensiones tangenciales sobre la placa como:

donde es la velocidad del fluido.Medidas de la viscosidad: La viscosidad de un fluido

puede medirse por un parámetro dependiente de la temperaturallamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosi-dad.Coeficiente de viscosidad dinámico, designado como 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∗m

PRINCIPIOS DE LUBRICACION: : Debido a las presionesextremas que se desarrollan en engranajes y rodamientos, y laincapacidad de los lubricantes convencionales de petróleo para

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lubricar adecuadamente estas partes, es necesario fortificar losaceites y las grasas con diversos componentes que aumentenla capacidad de carga de los lubricantes. La mayoría de lascompañías usan químicos para lograr esto. A pesar de que es-tos químicos aumentan temporalmente la resistencia a la carga,pueden convertirse en abrasivos que contrarrestan la capacidaddeslizante del lubricante en sí. Cuando estos químicos entranen contacto con el agua y el calor, forman ácidos que atacan laspartes movibles y sus bases de petróleo. Estos ácidos llegana ser tan fuertes que pueden producir corrosión y desgastea menos que el lubricante sea cambiado con frecuencia. Lafricción causa que los lubricantes se deterioren y pierdan suhabilidad de proteger y lubricar.

Algunos lubricantes derivan su capacidad de manejo decarga y capacidad deslizante de sus bases sintéticas y sólidosmetálicos autolubricantes, que son química y térmicamenteestables. Estos fortificadores metálicos o sólidos metálicosautolubricantes, están divididos en partículas micrónicas ysubmicrónicas, para luego ser científicamente suspendidas omezcladas en aceites y grasas. Debido a que los aceitessintéticos o los hidroprocesados tienen una vida útil mayor,y gracias a la estabilidad de los sólidos metálicos, estos tiposde lubricantes no necesitan ser cambiados tan frecuentementecomo los convencionales. Uno de los sólidos metálicos másimportantes contenido en estos lubricantes es el Disulfuro deMolibdeno (o MOLY) cuya formula química es: MoS2,. El Co-mité Nacional de Consejeros de Aeronáutica (USA) descubrióque el Disulfuro de Molibdeno, en su búsqueda de lubricantespara ser usados en aviación, plataformas de lanzamiento decohetes y otras aplicaciones de alta temperatura y alta carga,tenía uno de los más altos niveles de lubricidad que cualquierotra sustancia descubierta hasta la fecha."Hace rodar la carga"como si fuera un rodamiento.

III. METODOLOGÍA

Se inicio verificando las condiciones del viscosímetro deHoppler, depositamos el aceite SAE 20W - 50 en el capilarcomprobando que no hubiera burbujas de aire en el tubo, acontinuación se introdujo la esfera N° 4 en la parte superiordel tubo, al mismo tiempo tomamos el cronometro y contabi-lizamos el tiempo que demora en recorre la espera la longitudcompleta del tubo capilar. Del mismo modo realizamos elprocedimiento para las temperaturas de 27°C, 35°C, 45°C,55°C, 65°C y finalmente 75°C.

IV. RESULTADOS

Figura 1. Datos Obtenidos

Figura 2. Datos preliminares

V. ANALISIS

VISCOSIDAD: La viscosidad dinámica se calcula con lasiguiente formula

υ = k ∗ (δe− δf) ∗ t

ecuacion Para las temperaturas manejadas se tiene:υ(27°C) = 0, 8mPa∗cm3

gr ∗ [8, 122 grcm3 − 0, 87 gr

cm3 ] ∗ 65, 13sυ(27°C)= 377,86 mPa*sυ(35°C) = 0, 8mPa∗cm3

gr ∗ [8, 122 grcm3 − 0, 87 gr

cm3 ] ∗ 49, 66sυ(35°C) = 288,1 mPa*sυ(45°C) = 0, 8mPa∗cm3

gr ∗ [8, 122 grcm3 − 0, 87 gr

cm3 ] ∗ 27, 01sυ(45°C)= 156,70 mPa*sυ(55°C) = 0, 8mPa∗cm3

gr [8, 122 grcm3 − 0, 87 gr

cm3 ] ∗ 16, 46sυ(55°C)= 95,49 mPa*sυ(65°C) = 0, 8mPa∗cm3

gr [8, 122 grcm3 − 0, 87 gr

cm3 ] ∗ 10, 57sυ(65°C)= 61,32 mPa*sυ(75°C) = 0, 8mPa∗cm3

gr [8, 122 grcm3 − 0, 87 gr

cm3 ] ∗ 7, 4sυ(75°C)= 42,93 mPa*s

RELACION VISCOSIDAD - TEMPERATURA

Figure 3. Relacion viscosidad frente a la Temperatura

En la grafica se puede observar claramente que hay unarelación inversamente proporcional entre la temperatura y laviscosidad. A medida que aumenta la temperatura la viscosi-dad disminuye, y así la resistencia del movimiento disminuirácada vez que aumentemos la temperatura.

VI. CONCLUSIONES

A través de los resultados de esta práctica se ha podidointerpretar la dinámica de la viscosidad mediante el métodode Hoppler, destacando que la viscosidad varía de acuerdo ala temperatura (a mayor temperatura, menor viscosidad), reco-nociendo la importancia de la viscosidad en la vida cotidiana

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ya que los fluidos están presentes en muchos aspectos, comopor ejemplo en las plantas que utilizan la leche para producirsubproductos lácteos y así en muchas otras situaciones.

VII. APÉNDICE

Cuestionario

Otros métodos para medir viscosidad: Método Brookfield:El método consiste en efectuar una serie de dimensionesde viscosidad mediante un viscosímetro de tipo rotacionalsobre una muestra de pintura u otros materiales que tenganpropiedades tixotrópicas de alta viscosiad, con propiedadesreológicas dependientes del tiempo. La agitación de la pinturaque precede a las mediciones de viscosidad debe controlarsecuidadosamente.

Procedimiento del método BrookfieldTodas las mediciones deben efectuarse con el viscosíme-tro Brookfield a 25 ± 1.0°C.Bajar lentamente la aguja núm. 4, la que debe estarbien sujeta al viscosímetro, hasta que quede muy cercadel centro de la superficie de la muestra y sumergir ala profundidad adecuada. Después, correr lentamente elrecipiente en un plano horizontal hasta que la aguja estélocalizada aproximadamente en el centro del recipiente,para que la prueba sea efectuada en una zona sin turbu-lencias.Iniciar la prueba con el viscosímetro a 6 rpm y anotarla lectura de la escala después de 10 revoluciones.Incrementar la velocidad del viscosímetro a 12 rpm yanotar la lectura de la escala después de 10 revoluciones.Hacer las observaciones de la misma manera a 30 y 60rpm. Después de haber efectuado la observación a 60rpm, reducir la velocidad a 30, 12 y 6 rpm, anotandolas lecturas de la escala después de 10 revoluciones acada una de las velocidades mencionadas. Una vez queha sido tomada la última lectura a 6 rpm, desconectar elviscosímetro, dejando que tanto el viscosímetro como lamuestra estén en reposo durante 2 minutos. Al términodel período de reposo de 2 minutos, conectar de nuevoel viscosímetro y anotar la lectura de la escala despuésde 10 revoluciones.

Precisión del método Brookfield La precisión varía conformea la velocidad del viscosímetro y con el grado de viscosidad dela muestra. La repetitividad y la reproducibilidad de la lecturade viscosidad deben estar dentro del 10 %, excepto las lecturasde viscosidad inicial a la más baja velocidad.

Medida de la viscosidad por el método de Stokes: Sefundamenta por el arrastre sobre un cuerpo sumergido. Cuandoun cuerpo se mueve a través de un fluido, aparece una fuerzasobre el cuerpo que se opone a dicho movimiento. Dichafuerza, que recibe el nombre de fuerza de arrastre, tiene suorigen en los esfuerzos tangenciales y normales que ejerce elflujo sobre la superficie del cuerpo.La fuerza de arrastre sobreun cuerpo de geometría dada resulta muy difícil de determinaranalíticamente, ya que depende de gran número de factores.Por eso es necesario recurrir básicamente a la adquisiciónde datos experimentales y, con esta finalidad, es costumbreexpresar dicha fuerza en la forma:

Normas ISO: Normalmente se habla de viscosidad ISO paraaceites industriales y viscosidad SAE para aceites automotriz.Los términos de viscosidad ISO y SAE no implican ningunacombinación de aditivos ni propósito específico. Solamenterefieren a la viscosidad. A veces se utiliza las medidas de vis-cosidad SUS (SSU), Redwood, Engler, e otros. Estos sistemasde medición de viscosidad pueden ser convertidos al cSt porformulas matemáticas. Cuando se usa el término “ViscosidadISO”, se refiere a la viscosidad del aceite en cSt a 40°C (ISO46 = 46 cSt a 40°C, ISO 150 = 150 cSt a 40°C, etc.). Eltérmino “VG” simplemente refiere al Viscosity Grade (Gradode Viscosidad) (VG 46, VG 68, etc.) bajo la norma DIN 51519.

Este término tampoco tiene que ver con la calidad o supropósito y en general es redundante porque un aceite ISO VG46 es lo mismo que ISO 46. El término viene de la época antesde la estandarización por la ISO, cuando se fabricaba VG 29,VG 32, VG 37, etc. Además de la estandarización de rangosde viscosidad por la ISO se determinó que en la mayoría delos casos, el equipo diseñado para VG 29 podría funcionarbien con una viscosidad de 32 cSt a 40°C. La ISO permitauna variación de 10 % encima y debajo de ese número paraclasificarse así. Por ende, un ISO 32 puede ser entre 28.8 cSty 35.2 cSt a 40°C. Lo importante es controlar la temperaturaoperacional y calcular la viscosidad a esa temperatura.

Normas SAE: Para el uso automotriz se utiliza una tablade viscosidades criada por la Sociedad de Ingenieros Auto-motrices (SAE) basada en la viscosidad cinemática (cSt) a100°C para la temperatura de operación y una tabla especialde viscosidad en bajas temperaturas para cuidar el motoren el momento de arranque en frío (se define "frío" comotemperaturas debajo de 20°C). De acuerdo a esta tabla, lossiguientes aceites tienen una viscosidad SAE 40 a 100°C.El comportamiento en calor y frío depende de su índice deviscosidad y aditivos de bombeabilidad que mejoran su puntode fluidez.

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Todos estos aceites tienen la misma viscosidad a 100°C.Esta es la temperatura normal del aceite dentro del motor enfuncionamiento (promedio - en realidad se encuentra tempe-raturas cerca de 150°C en los anillos y puntos presión en elárbol de levas, y más de 280°C en el turbo). Un motor queopera debajo de 90°C no está funcionando bien, tendrá altosdepósitos y lodos, y consumirá mayor combustible.

Que es el índice de viscosidad: Es la medida de viscosidadde una sustancia comparada con la viscosidad estándar de lasustancia medida a T° de 40°C (VI=0) y a 100 °C (VI=100°C).el índice de viscosidad no tiene unidades debido a que esadimencional.

Citation: [?]

AGRADECIMIENTOS

Agradezco al profesor José Rafael Eugenio Lopez por losconocimientos brindados y por la motivacion en el desarrollode nuevos programas [Lyx] que me permiten enriquecer mishabilidades. De la misma forma al personal del laboratorio demecánica de fluidos de la universidad que nos brindo su aval.

REFERENCIAS

[1] Maron S., Lando J, "Fisicoquímica Fundamental", 2da ed, Ed. Limusa,México, 1987, pag 70 – 75.

[2] Crockford H., Navell J., "Manual de Laboratorio de Química Física", 1raed, Ed. Alambra, Madrid, 1961, pag 70 – 73.

[3] Glasstone S. "Tratado de química física", 7ma ed, Ed. Aguilar, España,1979, pag 449 – 452.

[4] Pons Muzzo G., "Fisicoquímica", 5ta edición, Ed. Universo SA, Lima,1981.

[5] CRC, "Handbook of Chemestry and Physics", 847d ed, Ed CRC Press,2003 – 2004, pag 10 – 141 15 – 23. Norbert Adolph Lange, "Handbookof Chemestry", Ed. Mc Graw Hill, Book Company,1974.

Heli Obregon Barbosa Nacio el 6 de enero de 1991en El Tarra[ Norte de Santander ], actualmente resideen Cucuta donde estudia Ingenieria Pecuaria en launiversidad Francisco de Paula Santander