Universidad Nacional Experimental Politécnica“Antonio José de Sucre”

Vicerrectorado Puerto OrdazCátedra: Mecánica de los fluidos

Profesor: Bachilleres:Jesús Ferrer Alejandro Barreto…………..22826270

Puerto Ordaz, Noviembre de 2012

VISCOSIDAD

INTRODUCCION

La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. La viscosidad sólo se manifiesta en líquidos en movimiento.

Sin duda alguna, 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 como hemos dicho, es la resistencia que ejercen los fluidos al ser deformado cuando este se aplica un mínimo de esfuerzo cortante. Además esta 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.

Es por esto que nosotros desarrollamos, los experimentos y datos obtenidos al estudiar y determinar experimentalmente la viscosidad absoluta en tres tipos de aceite diferentes. Basándonos en la ley de Stokes.

Por tanto, el siguiente informe que se presentara a continuación mostrara si los objetivos trazados en el experimento se lograron y como se analizaron y comprobaron cada uno de los datos obtenidos experimentalmente.

Este informe está estructurado por puntos, que son: Objetivos generales y específicos, fundamento teórico referente a la viscosidad, el procedimiento experimental utilizado, descripción de los equipos e instrumentos requeridos, resultados (tabla de datos, cálculos y análisis de resultados). Finamente se presenta las conclusiones, recomendaciones y bibliografías.

OBJETIVOS

Objetivo general

Determinar experimentalmente la viscosidad absoluta de tres tipos diferentes de aceite.

Objetivos específicos

Determinar experimentalmente la viscosidad absoluta de los siguientes aceites: SAE 10w30, SAE 15w40 y SAE 20w50, utilizando la ley de Stokes.

Comparar los valores obtenidos con los valores suministrados por el fabricante y determinar el valor porcentual.

Explicación breve y precisa de los diferentes tipos de viscosímetros Indagar acerca de las normas SAE, API, ISO, europeas y militares

FUNDAMENTO TEORICO

De todas las propiedades de los fluidos, la viscosidad requiere la mayor consideración en el estudio del flujo de los fluidos. La viscosidad expresa la facilidad que tiene un fluido para fluir cuando se la aplica una fuerza externa: El coeficiente de viscosidad absoluta, o simplemente la viscosidad absoluta de un fluido, es una medida de resistencia, al deslizamiento o a sufrir deformaciones internas. La melaza es un fluido muy viscoso en comparación con el agua.

La viscosidad es una manifestación del movimiento molecular dentro del fluido. Las moléculas de regiones con alta velocidad global chocan con las moléculas que se mueven con una velocidad global menor, y viceversa, estos choques permiten transportar cantidad de movimiento de una región de fluido a otra.

Los fluidos presentan diferentes propiedades que los distinguen, como la viscosidad, densidad, peso específico, volumen específico, presión, etc. Al analizar las distintas propiedades que poseen los fluidos, la viscosidad requiere la mayor consideración para el estudio de estos materiales; su naturaleza y características, así como las dimensiones y factores de conversión.

Todo fluido tiene una viscosidad específica bajo ciertas condiciones cuando se mueve alrededor de un cuerpo o cuando un cuerpo se mueve dentro del fluido, se produce una fuerza de arrastre (Fa) sobre este. Si el cuerpo en estudio es una esfera, está fuerza de arrastre viene dada por la expresión según la ley de Stokes: 

Fa

Donde es la viscosidad absoluta del fluido; r esa el radio de la esfera; v la velocidad de la esfera con respecto al fluido.

En base a lo anterior, si se deja caer una esfera en un recipiente con un fluido, debe existir una relación entre el tiempo empleado en recorrer una determinada distancia y la viscosidad de dicho fluido. A continuación se hará la deducción de dicha relación.

En la figura 1 se muestra un diagrama de cuerpo libre de la esfera

Aplicando la segunda ley de Newton.

∑ F=m .a→P−(E+Fa)=m .a

Donde:

m: masa de la esfera.

Expresando en función de los parámetros cinemáticos queda:

P−E−6 .π . μ .r .v=m .dvdt

dividiendo por la masa:

P−Em

−6 .π .μ . r .vm

=dvdt

Se pueden designar dos constantes para abreviar la ecuación diferencial:

A=P−Em

B=6 . π .μ . r .m

P: Peso de la Esfera

E: Empuje Hidrostatico Fa:Fuerza de Arrastre

Por tanto:

dvdt

=A−B .v

Separando variables:

dvA−B .v

=dt

Si se toma en consideración que para un tiempo t=0 la velocidad es v=0, la solución de dicha ecuación diferencial es:

v= AB

. (1−e−B . t )

Expresando la velocidad como la variación de la posición con respecto al tiempo y sustituyendo en la anterior ecuación, se genera una nueva ecuación diferencial:

dx= AB

. (1−e−B . t ).dt

Tomando en cuenta que para un tiempo t=0 el desplazamiento de la esfera es x=0, la solución de esta ecuación diferencial es:

x= A

B2. (B . t+e−B . t−1 )

Reordenando se obtiene:

Considerando las características de la esfera y el aceite, y el tiempo empleado por la esfera en experimentos previos, se puede demostrar que el término e-B.t es despreciable, siempre que el tiempo sea expresado en segundos. Por lo tanto la expresión se reduce a:

x . B2−A .t . B+A=0

La solución de esta ecuación cuadrática que expresa el término real de B con el cual se puede calcular la viscosidad es :

x . B2−A . (B .t+e−B . t−1 )=0

B=A .t+√ (A .t )2−4 . A .x

2 .x

Conocidos experimentalmente los valores del espacio recorrido x, y el tiempo empleado t se puede calcular el valor de B a su vez, mediante las relaciones dadas el valor de la viscosidad absoluta del fluido.

Luego se sabe que:

6 .π .μ . rm

=A . t+√( A . t )2−4 . A . x

2. x , despejando queda:

μ=A . t+√ ( A . t )2−4 . A . x

12 .π . r .x.m

Viscosidad absoluta o dinámica

Es la fuerza tangencial por unidad de área, de los planos paralelos por una unidad de distancia, cuando el espacio que los separa esta lleno con un fluido y uno de los planos se traslada con velocidad unidad en su propio plano con respecto al otro también denominado viscosidad dinámica; coeficiente de viscosidad

La unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal segundo (Pa.s) o también newton segundo por metro cuadrado (N.s/m2), o sea kilogramo por metro segundo (kg/ms): Esta unidad se conoce también con el nombre de poiseuille(Pl) en Francia, pero debe tenerse en cuenta que no es la misma que el poise (P) descrita a continuación:

El poise es la unidad correspondiente en el sistema CGS de unidades y tiene dimensiones de dina segundo por centímetro cuadrado o de gramos por centímetro cuadrado. El submúltiplo el centipoise (cP), 10-2 poises, es la unidad más utilizada para expresar la viscosidad dinámica dado que la mayoría de los fluidos poseen baja viscosidad. La relación entre el pascal segundo y el centipoise es:

1Pa.s = 1 N.s/m2 = 1 kg/(m.s) = 103 cP 1cP = 10-3 Pa.s  

Viscosidad cinemática

Es la razón de viscosidad a densidad de masa. En el sistema internacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado por segundo (m2/s). La unidad CGS correspondiente es el stoke (St), con dimensiones de centímetro cuadrado por segundo y el centistoke (cSt), 10-2 stokes, que es el submúltiplo más utilizado.

1m2/s = 106 cSt 1cSt = 10-6 m2/s

Viscosidad de los aceites

Los aceites presentan notables diferencias en su grado de viscosidad o fluidez, influyendo mucho estas diferencias en algunas de sus aplicaciones. El grado de viscosidad de los aceites tiene importancia en los aceites destinados a arder y los utilizados como

lubricantes. En los primeros influye la viscosidad de modo que los aceites fluidos ascienden fácilmente por capilaridad en las mechas de las lámparas, mientras que los muy viscoso o poco fluidos requieren disposiciones especiales para conseguir que llegue a la llama en la unidad de tiempo suficiente cantidad de combustible. Cuando se emplea aceites como lubricantes, la materia grasa debe tener consistencia apropiada para impedir el contacto inmediato de las superficies que frotan entre sí impidiendo con ello se desgaste; para lograr esto conviene que la materia grasa no sea demasiado fluida ni tampoco demasiado viscosa.

Sistemas Unidades

S.I.: N.s / m2 = Kg / m.s C.G.S.: g /cm.s = Poise S.B.G.: slug / ft.seg S.I.I.: lb.seg / ft2

CLASIFICACIÒN DE LOS ACEITES

La clasificación de los aceites atendiendo a su velocidad , generan en la etiqueta de los envases una serie de siglas , acompañados por unos dígitos , identificando el grado de viscosidad del lubricante , qué se refiere a su temperatura sin añadir datos alguno de sobre atrás apreciaciones o condiciones. El índice de viscosidad representa la tendencia más o menos que se espera a medida que se enfría o se calienta. Los aceites multigrado con base sintéticos se obtienen haciendo una mezcla de aceites de síntesis de baja graduación SAE y de aceites mineral de altas viscosidad.

La Organización de Estandarización Internacional ISO , estableció su ordenación para los lubricantes de aplicación industrial , o a la Sociedad de Ingenieros de Automoción -Society of Automotive Engineers- (SAE) de los Estados Unidos , creo su escala de denominación para definir rangos de viscosidad en lo lubricantes de automóviles

Clasificación SAE:

La Sociedad de Ingenieros de Automotores de EE.UU.(SAE) clasificó a los aceites según su viscosidad adoptando como temperatura de referencia 100 grado centígrado y manteniendo la viscosidad en centistoke (cst). Se dividió el rango total de viscosidades de los aceites en grupos arbitrarios designados por los siguientes números: 20, 30, 40 y 50, originalmente existió un grado 60 que luego fue suprimido.

Esta clasificación no tuvo en cuenta que un aceite SAE 20 en condiciones de baja temperatura aumentaba considerablemente su viscosidad no siendo apto para una operación correcta en climas fríos. Surgen así los aceites tipo W (winter: invierno) que cubrirían esta deficiencia. Se amplió entonces la clasificación incorporando los grados SAE 5W, SAE 10W, SAE 20W a los ya existentes.

Estas primeras clasificaciones sólo tomaron en cuenta la viscosidad del aceite, posteriormente con el advenimiento de los aditivos mejoradores se incorporan siglas que caracterizan al aceite también por sus propiedades especificas (ejemplo: HD SAE 30, SAE 20 S1, etc.) como tener capacidad detergente-dispersante, propiedades anti-desgaste, propiedades anticorrosivas, etc.

Clasificación SAE de viscosidad de aceites para motor (SAE J306, DIC 96)

Grado SAE

Viscosidad Max. (cP)

Arranque en frío a

la temperatura

indicada en ºC

Viscosidad Max. (cP)

Bombeo a baja

temp. s/esfuerzo de

fluencia a la Temp. indicada en

ºC

Viscosidad en

cSt @ 100ºC

Viscosidad alta

temperatura alta

tasa de corte (cP) a 150ºC y 106s

Min.

Max.

0W3250 a

-3060000 a -40

3,8

- -

5W3500 a

-2560000 a -35

3,8

- -

10W

3500 a -20

60000 a -25

4,1

- -

15W

3500 a -15

60000 a -25

5,6

- -

20W

4500 a -10

60000 a -20

5,6

- -

25W

6000 a -5

60000 a -15

9,3

- -

20 - -

5,6 menor

que 9,3

2,6

30 - -

9,3 menor

que 12,5

2,9

40 - - 12,5 menor

2,9 (*)

que 16,3

40 - -

12,5 menor

que 16,3

3,7 (**)

50 - -

16,3 menor

que 21,9

3,7

60 - -

21,9 menor

que 26,1

3,7

Nota: 1 cP = 1 mPa x s; 1cSt = 1 mm2/s

(*) Los Grados 0w/40, 5w/40, 10w/40

(**) Los Grados 15w/40, 20w/40, 25w/40, 40

Aceites multigrado

Con el uso de aditivos mejoradores de índice de viscosidad y partiendo de bases refinadas es posible formular aceites cuya viscosidad a altas y bajas temperaturas le permiten cumplir con los requerimientos del servicio. De esta manera se obtienen aceites de características SAE 30 a 100 ºc y SAE 10W a -20ºc, son los denominados “multigrado” generalmente designados SAE 10W30 o similares.

Las ventajas de usar aceites multigrados son:

Facilidad de arranque en frío.

Rápida entrada en régimen térmico del motor.

Ahorro de baterías y sistemas de arranque.

Adecuada viscosidad en todo el rango de temperatura.

Clasificación de viscosidad ISO para industriales aceites lubricantes

A lo largo del tiempo se ha adoptado diferentes siglas (ASTM, DIN, etc. ) para clasificar los Aceites Lubricantes Industriales por su viscosidad medida en diversas unidades, llevando a la necesidad del uso de tablas de conversión para pasar de un sistema a otro.

Esta situación generó en los Institutos de Normalización de los piases miembros de la Organización Internacional de Estandarización (ISO) el deseo de uniformar criterios para crear un único sistema de clasificación.

Sistema ISO de clasificación según la viscosidad para aceites industriales

Grado de

Viscosidad

Límites de Viscosidad

viscosidad

Cinemática

media

Cinemática en cSt @ 40

ºC

Mínima

Máxima

ISO VG 2

2,2 1.98 2,42

ISO VG 3

3,2 2,88 3,52

ISO VG 5

4,6 4,14 5,03

ISO VG 7

6,8 6,12 7,48

ISO VG 10

10,0 9,00 11,00

ISO VG 15

15,0 13,50 16,50

ISO VG 22

22,0 19,80 24,20

ISO VG 32

32,0 28,80 35,20

ISO VG 46

46,0 41,40 0,60

ISO VG 68

68,0 61,20 74,80

ISO VG 100

100,0 90,00110,0

0

ISO VG 150

150,0135,0

0165,0

0

ISO VG 220

220,0198,0

0242,0

0

ISO VG 320,0 288,0 352,0

320 0 0

ISO VG 460

460,0414,0

0506,0

0

ISO VG 680

680,0612,0

0748,0

0

ISO VG 1.000

1.000,0900,0

01100,

00

ISO VG 1.500

1.500,01.350,

001650,

00

Nota: La clasificación ISO corresponde a la norma COVENIN 1121

Este esfuerzo conjunto permitió el nacimiento de la clasificación ISO para Aceites Lubricantes Industriales, con las siguientes características:

Posee 18 grados de viscosidad entre 2 y1500 centistokes (cst) a 40 ºc, cubriendo la totalidad del rango de viscosidad, desde los aceites más livianos a los mas pesados.

Cada grupo se designa el número a su viscosidad cinemática media. Cada grupo representa un intervalo de viscosidad generado apartar de su

viscosidad cinemática media +/- 10% de este valor. Cada viscosidad cinemática media es aproximadamente 50% mayor a la

correspondiente al grado anterior.

Sistema de clasificación API

Motores a gasolina Algunas designaciones son: SA, SB, SC, SD, SE, SF, SG, SH. El primero usado para motores a gasolina y Diesel.

Clasificación API (Instituto de Petróleo Americano) de calidad de los aceites para motor

Clasificación de servicio

API

Gasolina

Servicio API

previo

Descripción de los

fabricantes de equipos

y especificac

iones militares

relacionadas

Gasolina SA ML Aceite mineral

puro

SB MM

Aceite inhibid

o (1930)

SC MS (1964)

Garantía de

servicio para motore

s a gasolin

a (1964-1967)

SD MS (1968)

Garantía de

servicio para motore

s a gasolin

a (1968-1971)

SE

Garantía de

servicio para motore

s a gasolin

a (1972-1980)/MIL-L-46152 y MIL-L4615

2A

SF Garantía de

servicio para motore

s a

gasolina

(1980-1988)/MIL-L-46152

B

SG

Garantía de

servicio para motore

s a gasolin

a (1989-1992)/ MIL-L-46152

D

SH

Garantía de

servicio para motore

s a gasolin

a (1993-19996)

SJ

Garantía de

servicio para motore

s a gasolin

a (1996-2000)

SL Garantía de

servicio para motore

s a gasolin

a (2001)

ALGUNOS DE LOS MEDIDORES DE VISCOSIDAD CONOCIDOS

Viscosímetro

Es un instrumento para medir la viscosidad de un fluido

Viscosímetro de tubo capilar

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 ctte. 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:

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 deposito 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 Materials.

Viscosímetro de caída libre

Consiste en varios tubos llenos con líquido “estandares” 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 practica utilizaremos el método de STOKES para la obtención de la viscosidad. Sr. Jeorge Grabiel 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.

DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS DE LABORATORIO

En este laboratorio se utilizaron equipos del laboratorio para conseguir los distintos datos y resultados, los cuales son:

Viscosímetro de caída libre: Consiste en varios tubos llenos con líquido “estándares” en el caso del experimento fueron 3 tubos diferentes con distintos tipos de aceite, de viscosidades conocidas con una esfera de acero en cada tubo. El tiempo necesario para que la esfera recorra la longitud la cual dimos nosotros que fue 10 cm para cada tubo. Esto permitiría obtener datos.

Termómetro FisherBrand: El cual se utilizo para medir las temperaturas de los distintos aceites que se iban a utilizar, el termómetro constaba con la siguiente escala:

76MM iMM 14-985-5E

Cronómetro digital: Utilizado para medir el tiempo requerido para llenar el recipiente calibrado.

Marca: Casio Apreciación: 1 milisegundo

Esfera de acero: Esfera común cuyo material principal es el acero, se utilizo para dejarse caer en cada uno de los tubos y así poder medir el tiempo en que recorre cada una de las marcas.

Regla: Se utilizo para medir la separación entre cada marca hecha al tubo, escala en cm

Pasador: Se utilizo para dejar caer la esfera y del mismo modo recogerla en el fondo del tubo.

Aceite: 3 aceites multigrados de viscosidades:

SAE 20W50

SAE 15W40 SAE 10W30

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se marca con la regla la distancia donde se tomara el tiempo (10 cm) Se coloca la esfera en el pasador en el tubo. Se sumerge cuidadosamente el pasador, el cual sostiene la esfera. Se deja descender libremente la esfera, cuidando que no roce las paredes del tubo

y Cuando la esfera pase por la referencia indicada, se acciona el cronómetro Una vez que la esfera pase por la segunda referencia indicada, se detiene el

cronómetro y se toma nota del tiempo empleado. Se repite la operación anterior 5 veces por cada aceite empleado en la practica. Compare los valores da las distintas viscosidades experimental con el obtenido

mediante la bibliografía y los respectivo errores porcentuales obtenido.

TABLA DE DATOS

ACEITE TIEMPO(seg) TEMPERATURA(ºC)

15W40

7.023

287.411

7.528

7.555

7.0921

ACEITE TIEMPO(seg) TEMPERATURA(ºC)

10W30

3.037

273.105

3.054

3.265

3.245

ACEITE TIEMPO(seg) TEMPERATURA(ºC)

20W50

7.846

277.890

7.243

7.510

7.485