Practica No. 5: Medición de viscosidades

Objetivo: Determinar la viscosidad de un fluido con viscosímetros en el laboratorio.

Viscosímetro Zahn

El viscosimetro Zahn es utilizado para la determinación de viscosidad de fluidos Newtonianos y Aproximadamente Newtonianos. Consta de una copa de inmersión (de acero inoxidable) que dispone de un asa larga y curvada de 12 pulgadas 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.

Los parámetros técnicos son:

1. Volumen de la copa (ml): 44 ±12. Número de copa: 1, 2, 3, 4, 5 (Cuanto mayor es el número de copa Zahn

mayor será la viscosidad del líquido que se empleará, por lo cual una copa Zahn 1 se empleará cuando se tiene un líquido con baja viscosidad).

3. Diámetro inferior del orificio: 2.0, 2.7, 3.8, 4.3, 5.34. Coeficiente de corrección: .95-1.05 (25oC±.2oC).

Para determinar la viscosidad de un fluido, la copa Zahn se sumerge dentro del fluido. Después de sacar la copa desde dentro del líquido se mide el tiempo que transcurrirá para que el líquido se vacíe completamente desde la copa Zahn. A esto se denomina el "tiempo de flujo". Cada copa Zahn es suministrada con una tabla de conversión con el tiempo de flujo en segundos (en décimas de segundo) para medir la viscosidad en centistokes (unidad de medición de la viscosidad).

Material y reactivos.

Viscosímetro Zahn Termómetro Parrilla

Glicerina Aceite de cocina (1-2-3)

Guantes de asbesto 4 Vasos de Precipitado de 250ml

Procedimiento.

1. Seleccionar la copa Zahn de acuerdo a la sustancia a utilizar.2. Limpiar la copa para eliminar residuos.3. Sumergir por completo la copa dentro del vaso de precipitado que contenga

el fluido a utilizar.4. Levantar cuidadosamente la copa, manteniéndola verticalmente sin hacer

movimiento y empezar a cronometrar. Detener el cronometro una vez que se vacíe la copa.

5. Anotar resultados.

Cálculos y resultados.

Para obtener la viscosidad en centistokes se utiliza la siguiente formula:

µ=K(t-c)Donde t es el tiempo promedio que duró en caer la sustancia y los valores de K y C son obtenidos de tablas, dependiendo del número de copa utilizado.

Los datos y resultados obtenidos fueron los siguientes:

Aceite caliente (copa #1)Temperatura (C) Tiempo 1 (seg) Tiempo 2 (seg) Tiempo prom K C µ=K(t-c)

60 46.1 48.71 47.405 1.1 29 20.245553 49 49.38 49.19 1.1 29 22.20949 50.2 51.04 50.62 1.1 29 23.782

Aceite a temperatura ambiente (copa #1)Temperatura (C) Tiempo 1 (seg) Tiempo 2 (seg) Tiempo prom K C µ=K(t-c)

23 (1er medición) 77.2 77.91 77.555 1.1 29 53.410523 (2da medición) 79.6 81.04 80.32 1.1 29 56.452

Glicerina a temperatura ambiente (copa #4)Temperatura (C) Tiempo 1 (seg) Tiempo 2 (seg) Tiempo prom K C µ=K(t-c)

23 (1er medición) 28.9 31.07 29.985 14.8 5 369.77823 (2da medición) 31.8 29.94 30.87 14.8 5 382.87623 (3ra medición) 29.2 29.9 29.55 14.8 5 363.34

Conclusión.

Las viscosidades obtenidas de acuerdo al experimento se encuentran dentro del rango de viscosidad de acuerdo a las tablas. Por lo tanto los resultados son confiables.

Viscosímetro Stormer

El método se basa en determinar la carga en gramos necesaria para producir una velocidad de 100 RPM en un motor de paleta sumergido en el producto.

Se caracteriza por una estructura compuesta de un conjunto de cilindros, dos de ellos estáticos en donde se contiene el fluido más un cilindro interno que se hace girar mediante un mecanismo accionado por una pesa.

Calibración del aparato

Sacar del viscosímetro el rotor y el porta pesas. Asegurarse que la cuerda esté enrollada en forma pareja en el carrete y no se sobreponga a sí misma. Colocar en la cuerda una masa de 5 gr y soltar el freno. El viscosímetro puede usarse satisfactoriamente si inicia la carrera desde este punto muerto y continúa haciéndolo por varias revoluciones del carrete. Si el instrumento no es capaz de iniciar la carrera sin ayuda al agregar la masa de 5 gr, debe ser reacondicionado antes de su uso. Seleccionar dos aceites patrones que tengan valores de carga para producir 100 RPM dentro del rango de los valores esperados para la muestra. Ajustar la temperatura de los aceites patrones y del aparato a 25 - 0,2ºC. Si no se puede obtener la temperatura especificada, registrar la temperatura del aceite, con una aproximación de 0,2ºC, al comienzo y al final del ensayo.

Material y reactivo.

Vaso de precipitado de 500 ml Termómetro Parrilla Lentes de protección Viscosímetro Stormer Guantes de asbesto

Glicerina Agua

Procedimiento.

Se calienta 500 ml de agua a 90°C en la parrilla. El equipo Stormer se somete a calibración. Dentro de los cilindros se vierten los reactivos, la glicerina en el cilindro

concéntrico interno hasta la marca señalada en el mismo y el agua en el cilindro concéntrico externo hasta llegar aproximadamente debajo del borde del cilindro interno.

Ya listos los fluidos dentro de los cilindros se procede a preparar el cronómetro.

Se suelta el freno de la rueda embobinadora y se toma el tiempo que tarda en dar una vuelta el puntero en el contador de revoluciones, se para el cronómetro tomando el tiempo y se pone el freno de la rueda.

Se hacen varias lecturas con variación en la temperatura de la glicerina.

Cálculos y resultados.

Para la obtención de la viscosidad en el equipo Stormer se utilizó el modelo matemático de la ecuación de continuidad y=mx+b y los valores de los puntos fueron dados de la masa de la pesa (50gr).

Donde

m=y2− y1x2−x1

→ 250−150350−200

=23

b= y−mx→250−( 23 )350=503 y=23 x+ 503Despejando x se obtiene que: x=( y−50

3) 32

Se obtiene la siguiente tabla utilizando la formula anterior para cada uno de los tiempos y temperaturas tomados en el viscosímetro.

No. X = µ (cp.) Temperatura (°C)

µ (N.s/m2)

1 59.587 52 0.059582 68.6 50 0.0683 70.4 48.7 0.07044 78.5 46.5 0.07855 83 45.5 0.0836 89.3 44.9 0.08937 98.3 42.5 0.09838 109.1 41 0.10919 155.9 40 0.155

10 164.9 39 0.164

Gráfica de la viscosidad en la glicerina

Conclusión.

Se compararon los resultados de la tabla con una gráfica que estima el comportamiento de distintas sustancias, entre ellas la glicerina que fue la que se utilizó en la presente práctica y se observó un compartimiento parecido o similar al de la gráfica, comparado con los datos experimentales que se obtuvieron con el viscosímetro.

Viscosímetro Ostwald

El viscosímetro de Ostwald 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 marca M1 y M2.

Este viscosímetro está formado por un capilar unido por su parte inferior a una ampolla L y por su parte superior a otra ampolla S. Se llena la ampolla inferior L de agua introduciéndola por A. Se aspira por la rama B hasta que el nivel del agua sobrepase la ampolla superior procurando que no queden burbujas de aire. Se deja caer el agua y se cuenta el tiempo que tarda en pasar entre los niveles M1 y M2. Se repite esta operación varias veces y se calcula el valor medio de los tiempos, t. A continuación se procede de manera análoga con el líquido cuya viscosidad se desea conocer, obteniéndose el valor medio t´. Una vez obtenidos los tiempos se calcula el valor de la viscosidad dinámica. Cuando se comience a trabajar tanto con el líquido como con el agua el viscosímetro debe estar limpio y seco.

Así pues, podemos conocer la viscosidad dinámica de un líquido midiendo su densidad y la razón entre los tiempos que tarda en fluir el mismo volumen de líquido y de agua. La viscosidad del agua debe buscarse en las tablas en que

aparece su variación con la 3 temperatura.

Fórmula para equipo Ostwald:

Donde

n= Viscosidad de la sustancia

nH2O= Viscosidad Del Agua

p= Densidad de la sustancia

pH2O= Densidad del agua

t´= Tiempo de recorrido de la sustancia

t = Tiempo de recorrido del agua

Material y reactivos.

Viscosímetro Ostwald Cronometro Termómetro

Agua destilada Alcohol Etílico Agua Oxigenada

Procedimiento.

1. Se llena la ampolla inferior (L) de agua introduciéndola por A. 2. Se aspira por la rama B hasta que el nivel del agua

sobrepase la ampolla superior (M1) procurando que no queden burbujas de aire.

3. Se deja caer el agua y se cuenta el tiempo que tarda en pasar entre los niveles (M1) y (M2)

4. Se repite el procedimiento con el líquido cuya viscosidad se desea conocer, obteniéndose el valor medio t´.

5. Una vez obtenidos los tiempos se calcula el valor de la viscosidad dinámica.

Nota: Utilizar el viscosímetro limpio y seco para cada prueba.

Cálculos y resultados.

Temperatura Ambiente: 22°C

1) Sustancia: Alcohol

Temperatura: 23°C

Tiempo:

A) 03min:10seg:21B) 03min:11seg:27C) 03min:10seg:50

2) Sustancia: Agua Oxigenada Densidad : 1,45 g/cm³

Temperatura: 24°C

Tiempo:

A) 01min:31seg:21

3) Sustancia: Agua Destilada

Temperatura: 23°C

Tiempo:

A) 01min:36seg:48B) 01min:37seg:04

Sustancia Temp (°C) p (Kg/m3)

Tiempo 1(seg)

Tiempo 2 (seg)

Tiempo prom

Viscocidad Dinamica (Kg/ms)

Agua 23 997.62 96 97 96.5 0.000933Alcohol 23 801.3 190.3 191.45 190.87

50.001482291

Agua Oxigenada

24 1450 91.34 ----- 91.34 0.001283566

Viscosímetro Brookfield

El funcionamiento del viscosímetro Brookfield se basa en el principio de la viscosimetria 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.

Cada viscosímetro está compuesto por los siguientes elementos:

1. Cuerpo del viscosímetro, el cual es constituido por un motor eléctrico y un dial de lectura.

2. Vástagos intercambiables, los cuales se numeran del 1 al 7, siendo el 1 el más grueso.

3. El ajuste y calibrado de estos vástagos es efectuado por el propio fabricante.

4. Baño termostático, para mantener el producto a ensayar a la temperatura del ensayo.

5. Soporte, para permitir sostener el aparato y desplazarlo en un plano vertical.

6. Vasos, entre 90 y 92 mm de diámetro y 116 a 160 mm de altura.

Elección de la velocidad y del vástago:

Se elegirá la relación viscosidad/vástago, en función del valor de la viscosidad a medir, de la precisión deseada y del gradiente de velocidad ensayado.

Material y reactivos.

Equipo de Brookfield Aceite de cocina

1 termómetro Glicerina 7 lentes de seguridad 2 matraces 500 ml 1 matraz 250 ml

1 parrilla 2 guantes de tela

Procedimiento.

1. Se prepara el equipo de Brookfield.2. Se lavan los matraces.3. Se agrega el reactivo a un matraz de 250 ml hasta los 200 ml.4. Se coloca el spindle en el viscosímetro y se presiona la tecla SPDL.5. Se selecciona la opción de CPS.6. Se mide la viscosidad hasta que quede un número fijo.7. Se presiona AUTOZERO y se repite con la siguiente sustancia.

Cálculos y resultados.

Sustancia Temperatura Spindle Viscosidad (cps)

Viscosidad (kg/m*s)

Aceite de cocina

22°C 5 64 0.064

Aceite de cocina

44°C 4 40 0.04

Glicerina 23°C 5 440 0.44

Glicerina 40°C 4 156 0.156

Observaciones.

Para el viscosímetro Stormer, las primeras mediciones no fueron correctas. Además, estando el agua contenida en el cilindro concéntrico exterior, su temperatura fue de 58°C y fue disminuyendo paulatinamente conforme se tomaba el tiempo en el que giraba el cilindro interno que contenía a la glicerina.

En Ostwald tuvimos un error en una medición y tuvimos que rehacerla debido a que el flujo del agua después del bulbo es demasiado rápido y la cronometración no es totalmente precisa.

Durante la práctica, utilizando el viscosímetro Brookfield, cuando se calentaron los reactivos su temperatura aumentó más de 10°C esperados ya que no se apagó la parrilla al tiempo correspondiente.

Fuentes de información.

Manual de operaciones copas de viscosidad. Recuperado de:

http://www.knightblack.com/PDF/Manual-de-Operacion-Viscosimetro-Zahn.pdf

Copa Zahn para viscosidad de tintas. Recuperado de:

http://www.adendorf.net/copa-zahn-para-viscosidad-de-tintas-p-108.html

Dip Viscosity Cups, Zahn Type. Recuperado de:

http://www.brookfieldengineering.com

Viscosímetro Stormer. Recuperado de:

http://alba-einstein.blogspot.mx/2008/12/practicar-viscosimetro-de-stormer.html

Viscosímetro de Ostwald. Recuperado de:

http://www.ugr.es/~museojtg/instrumento44/ficha_esquema.htm

Determinación de viscosidad: Método de Brookfield. Recuperado de:

http://www.matematicasypoesia.com.es/metodos/melweb08_Brookfield.htm