Tema Viscocidad

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE MINAS

VISCOSIDAD ALUMNOS: •ALTAMIRANO GUILLERMO, Kevin •CONSA BOCANEGRA, Ubaldo •HOYOS RUIZ, Marjory Malena •MARIN JARA, Harvey Eduar •MURGA ARANDA, Yesica karol •OBANDO AMAYA, Marina •VELASQUEZ GRANDA, Joaquin PROFESOR:ALVARADO CASTRO EDWIN JAMILTON

1. DEFINICIÓN La viscosidad es la medida de la fricción interna de un líquido. Esta fricción llega a ser evidente por el efecto de corte o deslizamiento del movimiento de una capa de fluido con respecto a otra. La viscosidad es una propiedad física característica de todos los fluidos que emerge de las colisiones entre las partículas del fluido que se mueven a diferentes velocidades, provocando una resistencia a su movimiento. Cuando un fluido se mueve forzado por un tubo, las partículas que componen el fluido se mueven más rápido cerca del eje longitudinal del tubo, y más lentas cerca de las paredes. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. La viscosidad nula solamente aparece en superfluidos a temperaturas muy bajas. La viscosidad de algunos fluidos se mide experimentalmente con viscosímetros y reómetros.

La parte de la física que estudia las propiedades viscosas de los fluidos es la reología.

2. TIPOS DE VISCOSIDAD La viscosidad se manifiesta en líquidos y gases en movimiento. Se ha definido la viscosidad como la relación existente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad.  Se define al esfuerzo cortante. denotado con la letra griega τ (tau). como la fuerza que se requiere para que una unidad de área de una sustancia se deslice sobre otra, y se mide en las unidades de N/m2 (Pa) o lb/pie2.  El gradiente de velocidad es una medida del cambio de velocidad, y se define como Δυ/Δy. También se le denomina tasa cortante

τ = η(Δυ/Δy)

A. VISCOSIDAD DINÁMICA

B. VISCOCIDAD CINEMATICA

• La viscosidad dinámica se toma del tiempo que tarda en fluir un líquido a través de un tubo capilar a una determinada temperatura y se mide en "poises" (gr/cm*seg). Es decir, es inherente a cada líquido en particular pues depende de su masa. • Conforme un fluido se mueve, dentro de él se desarrolla un esfuerzo cortante cuya magnitud depende de la viscosidad del fluido. • Se representa por la letra griega η y se define como: η = τ(Δy/Δυ)

• Desecha las fuerzas que generan el movimiento • Para calcular la viscosidad cinemática basta con dividir la viscosidad dinámica por la densidad del fluido y se obtiene una unidad simple de movimiento: cm2/seg (stoke), sin importar sus características propias de densidad. • Se representa por la letra griega ν, y se como: ν = η / p • Debido a que η y p son propiedades del fluido, ν también es una propiedad

3. UNIDADES DE LA VISCOSIDAD

Dinámica

Cinemática

Un fluido newtoniano se caracteriza por cumplir la Ley de Newton, es decir, que existe una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación. Esto es debido a que el término "n” (viscosidad) es constante para este tipo de fluidos y no depende del esfuerzo cortante aplicado.

Ejemplo de este tipo de fluidos son: el agua, aceite, combustible, lubricantes, entre otros

La viscosidad de un fluido newtoniano no depende del tiempo de aplicación del esfuerzo, aunque sí puede depender tanto de la temperatura como de la presión a la que se encuentre

Este tipo de fluido se representan con dos tipos de gráficas, la" curva de Fluidez” y la" curva de Viscosidad”. En la Curva de Fluidez se grafica

el

esfuerzo cortante Vs la velocidad de deformación ( 𝜏 vs

∆𝑣 ∆𝑦

), mientras que en la Curva de Viscosidad se

representa la viscosidad Vs la velocidad de deformación (𝜏 vs



∆𝑣 ∆𝑦

 tan 𝜃 =τ/

𝜃

∆𝑣 ∆𝑦

).

Los fluidos no newtonianos son aquellos en los que la relación entre esfuerzo

cortante y la velocidad de

deformación no es lineal. Un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante.

Estos fluidos a su vez se diferencian en dependientes e independientes del tiempo.

FLUIDOS INDEPENDIENTES DEL TIEMPO Estos fluidos se pueden clasificar dependiendo de si tienen o no esfuerzo umbral, es decir, si necesitan un mínimo valor de esfuerzo cortante para que el fluido se ponga en movimiento.

FLUIDOS INDEPENDIENTES DEL TIEMPO Seudoplasticos o tixotrópicos: Ejemplos de estos fluidos son el plasma sanguíneo, polietileno fundido, látex, almibares, adhesivos, melazas y tintas. Se caracterizan por una disminución de su viscosidad, y de su esfuerzo cortante, con la velocidad de deformación.

Fluidos dilatantes: Algunos ejemplos de fluido dilantantes

son

los

compuestos

acuosos

con

concentraciones altas de solidos; el almidón de maíz en etilenglicol, almidón en agua y dióxido de titanio, un ingrediente de las pinturas.

seudoplasticos dilatantes

Fluidos de bingham: En ocasiones reciben el nombre de fluidos de inserción y requieren la aplicación de un nivel significativo de esfuerzo cortante antes de que comience el flujo, como se ilustra en la figura 2. Una vez que el flujo se inicia, la pendiente de la curva lineal, en esencia, lo que indica viscosidad aparente constante. Algunos ejemplos de fluidos de Bingham son de chocolate, salsa cátsup. Mostaza, mayonesa, pasta de dientes, pintura, asfalto, ciertas grasas y suspensiones de agua y ceniza o fango de drenaje. Fluido de bingham

FLUIDOS DEPENDIENTES DEL TIEMPO:

Fluidos Tixotrópicos: Los fluidos tixotrópicos se caracterizan por un cambio de su estructura interna al aplicar un esfuerzo. Dichos fluidos, una vez aplicado un esfuerzo cortante, sólo pueden recuperar su viscosidad inicial tras un tiempo de reposo Ejemplos: las pinturas, el yogurt, las tintas de impresión, algunos aceites del petróleo, el nylon, etc. Fluidos Reopécticos: Se caracterizan por tener un comportamiento contrario a los tixotrópicos, es decir su viscosidad aumenta con el tiempo y con la velocidad de deformación aplicada. Existen pocos fluidos de este tipo. Algunos ejemplos son: el yeso y la arcilla bentonítica, entre otros.

VISCOSIDAD DE POLÍMEROS LIQUIDOS

Son objeto de muchos estudios industriales, debido a su importancia en el diseño de productos, manufacturas, lubricación y cuidado de salud. Existen cinco factores adicionales de la viscosidad de los polímeros:  Viscosidad relativa: Relación de las viscosidades de la solución del polímero y el solvente puro a la misma temperatura.  Viscosidad inherente: Relación del logaritmo natural de la viscosidad relativa y la concentración C.

 Viscosidad específica: Viscosidad relativa de la solución del polímero menos 1.  Viscosidad reducida: Viscosidad especifica dividida entre la concentración.  Viscosidad intrínseca: (también se llama número limitante de viscosidad). La viscosidad intrínseca es una medida del peso molecular del polímero o el grado de polimerización.

Variación de la Viscosidad con la Temperatura Viscosidad: Es una manifestación del movimiento molecular dentro del fluido. Las moléculas con alta velocidad chocan con las de una velocidad menor, y viceversa.

Estos choques permiten transportar cantidad de movimiento de una región de fluido a otra dada la dilatación térmica.

Luego encontraríamos mayor separación entre ellas y menor oposición al movimiento, es decir, a mayor temperatura, debería de disminuir la viscosidad, aumentara la velocidad, luego velocidad y temperatura serían directamente proporcionales

En los gases: 

Podemos decir que en tanto la temperatura sea mayor, mayor es la agitación y los choques de las moléculas de gas, oponiéndose al movimiento y produciendo un aumento de la viscosidad del gas.

En los líquidos:  Para los líquidos más viscosos esta dependencia es mayor, y se ha de tomar mayores precauciones en el control de la temperatura.

La ecuación de Arrhenius 

La viscosidad disminuye con al temperatura, esto se debe a que conforme aumenta la temperatura, las fuerzas viscosas son superadas por la energía cinética, provocando que la viscosidad disminuya.

Los procedimientos y equipo para medir la viscosidad son numerosos. Algunos utilizan principios fundamentales de la mecánica de fluidos para expresar la viscosidad en sus unidades fundamentales. Otros, indican solo valores relativos de la viscosidad, usados para comparar fluidos diferentes. En esta sección describiremos varios métodos comunes empleados para medir la viscosidad.

VISCOSÍMETRO Un viscosímetro (denominado también viscómetro) es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos otros parámetros de flujo de un fluido. Fue Isaac Newton el primero en sugerir una fórmula para medir la viscosidad de los fluidos, postuló que dicha fuerza correspondía al producto del área superficial del líquido por el gradiente de velocidad, además de producto de una coeficiente de viscosidad. En 1884 Jean Léonard Marie Poiseuille mejoró la técnica estudiando el movimiento de líquidos en tuberías

En la industria de la pintura existen un gran número de métodos de medida, desde las sencillas copas de fluidez hasta los viscosímetros rotacionales controlados por ordenador, que han sido establecidos para la determinación de la viscosidad. BYK-Gardner ofrece una línea completa de instrumentación de medida de la viscosidad.

VISCÓSIMETRO DE TAMBOR ROTATORIO.

VISCOSÍMETRO DE TUBO TABULAR

VISCOSÍMETRO DE BOLA QUE CAE.

VISCOSÍMETROS DE VIDRIO CAPILAR ESTÁNDAR CALIBRADAS.

VISCOSMETRO DE TAMBOR ROTATORIO Es un aparato que aparece en la figura 1 que mide la viscosidad por medio de la definición de viscosidad dinámica que se da en la ecuación “I”. El recipiente exterior se mantiene estático mientras que el motor acoplado al medidor hace girar el tambor rotatorio. El espacio Δy entre el tambor rotatorio y el recipiente es pequeño. La parte del fluido que está en contacto con éste es estacionaria, mientas que el fluido en contacto con la superficie del tambor interior se mueve a una velocidad similar a dicha superficie. Por tanto, en el fluido se establece un gradiente de velocidad conocido Δr/Δ v. La viscosidad del fluido ocasiona en él un esfuerzo cortante t que ejerce un torque de arrastre sobre el tambor rotatorio. El medidor detecta el arrastre e indica la viscosidad directamente en la pantalla analógica.

Fig.1 Este probador se usa para fluidos muy variados: pintura, tinta, comida, derivados del petróleo, cosméticos y adhesivos. n = r /(Δv/Δy)…….”I”

VISCOSÍMETRO DE TUBO TABULAR. 

En este método se hace una medición del tiempo necesario para que cierta cantidad de fluido pase por un tubo capilar (o de calibre pequeño) de longitud y diámetros conocidos, bajo una diferencia medida y constante de presiones. Se puede aplicar la ley de Hagen – Poiseuille, en el caso de que el flujo sea laminar, para calcular la viscosidad 𝒏.



La magnitud de la caída de presión se relaciona con la viscosidad del fluido en la ecuación siguiente 𝑛=

(𝑝1 −𝑝2 )𝐷2 32𝑣𝐿

y 2, en los que se mide la presión donde D es el diámetro interior del tubo, v la velocidad del fluido. Y L la longitud del tubo entre los puntos 1 n

VISCOSÍMETROS DE VIDRIO CAPILAR ESTÁNDAR CALIBRADAS.

Es un método para determinar la viscosidad cinemática de líquidos transparentes y opacos, para preparar la prueba de viscosidad, el tubo viscómetro es cargado con una cantidad específica del fluido de prueba. Después de estabilizar la temperatura de prueba, el liquido se saca mediante succión a través del bulbo y se le deja ligeramente por encima de la marca de regulación superior. Se retira la succión y se permite al líquido fluir bajo el efecto de la gravedad, se registra el tiempo requerido para que el borde superior del menisco pase de la marca de regulación superior a la inferior como se muestra en la siguiente figura.

Viscosímetro de rutina

Viscosímetro Ubbelohde

VISCOSÍMETRO DE BOLA QUE CAE. El viscosímetro de bola que cae (ilustrado en la figura. a) hace uso de este principio para ocasionar que una bola esférica tenga una caída libre a través del fluido, y se mida el tiempo que requiere para recorrer una distancia conocida. Así, es posible calcular la velocidad. En la figura b se muestra un diagrama de cuerpo libre de la bola, donde W es el peso de la bola. 𝐹𝑏 la fuerza

Fig. a

Fig.b



En la figura b se muestra un diagrama de cuerpo libre de la bola, donde W es el peso de la bola. 𝐹𝑏 la fuerza de flotación y 𝐹𝑑 la fuerza de arrastre viscoso sobre la bola. Cuando alcanza su velocidad terminal, la bola está en equilibrio. Por tanto, se tiene. w - 𝐹𝑏 - 𝐹𝑑 =0……I



Si 𝑦𝑠 es el peso específico de la esfera, 𝑦𝑓 el peso específico del fluido, V el volumen de la esfera y D el diámetro de la esfera, se tiene. W= 𝑦𝑠 V =

𝐹𝑏 = 𝑦𝑓 V = 

𝑦𝑠 𝜋𝐷3 6 𝑦𝑓 𝜋𝐷3 6

Para fluidos muy viscosos y una velocidad pequeña, la fuerza de arrastre sobre la esfera es. 𝐹𝑑 =3 𝜋n𝑣D



Entonces, la ecuación “I” se convierte en. 𝑛=

(𝑦𝑠 −𝑦𝑓 )𝐷2 18𝑣

USO: Este viscosímetro se utiliza principalmente para substancias de baja

viscosidad, entre 0,6 y 100.000 mPa·s, como:

- Industria de aceites minerales (aceites, líquidos hidrocarbonos) - Industria alimentaria (soluciones de azúcar, miel, cerveza, leche, gelatina, zumos de frutas) - Industria química (soluciones de polímeros, disolventes, soluciones de resinas, dispersiones de látex, soluciones adhesivas). - Industria Cosmética/Farmacéutica (materias primas, glicerina, emulsiones, suspensiones, soluciones, extractos) - Industria petrolera (crudo, aceite para máquinas, petróleo) - Carburantes (petróleo, aceite diésel y parafina) - Industria papelera (emulsiones, dispersiones de pigmentos, aditivos del papel) - Pinturas y barnices (tintas para impresión, barnices, aquarelas, tintas) - Detergentes

VISCOSÍMETRO DE SAYBOLT

La facilidad con la que un fluido pasa por un orificio de diámetro pequeño es un indicador de su viscosidad. Este es el principio en que se basa.



La muestra de fluido se coloca en un aparato similar al que se ilustrará en la fig. 2.11 (a)

Después de que se establece el flujo se mide el tiempo que se requiere para reunir 60ml del fluido. El tiempo resultante de reporta como la viscosidad del fluido en segundos universal (SUS). Los resultados son relativos debido a que la medida no se basa en la definición fundamental de la viscosidad. Sin embargo, sirve para comparar las viscosidades de fluidos diferentes.

la ventaja de este procedimiento es su sencillez, además que no requiere equipo complejo, relativamente. Las fig. 2.11(b) y (c) ilustran un viscosímetro de Saybolt, disponible comercialmente, y el matraz de 60 ml que se usa para recabar la muestra.

GRADOS SAE DE VISCOCIDAD

SAE Internacional desarrollo un sistema de clasificación de aceites para motores y lubricantes de engranes automotrices que indica la viscosidad de los aceites a temperaturas especificas

• Los aceites con el sufijo W se basan en la viscosidad dinámica máxima a temperaturas frías. También deben presentar una viscosidad cinemática por a arriba de un mínimo especificado de 100° C.

• Aquellos sin el sufijo W se clasifican a temperaturas mas elevadas con dos métodos diferentes. La viscosidad cinemática en condiciones de poco esfuerzo cortante a 100° C debe estar en el rango de 9.3 a 26.1 . La viscosidad dinámica en condiciones de esfuerzo cortante alto a 150° F debe ser mayor a 3.7

Las especificaciones de valores de viscosidad máxima a temperatura baja para los aceites se relacionan con la capacidad de estos para fluir hacia las superficies que necesitan lubricación, a las velocidades del motor durante el arranque a temperaturas bajas.

La viscosidad de bombeo indica la capacidad del aceite para fluir hacia la entrada de la bomba de aceite de un motor.

El rango de especificaciones de viscosidad a temperatura alta se relaciona con la capacidad que tiene el aceite de proporcionar una película satisfactoria, que maneje las cargas esperadas sin tener una viscosidad muy alta que incrementara la fricción y perdidas de energía generadas por las partes móviles.

Temperatur a

baja. Viscocidad

dinamica

Temperatura alta

Temperatura alta

Grados de viscosidad SAE

Condicion de cigüeñal (cP) max. a (°C)

Condicion de bombeo (cP) max. a (°C)

Viscocidad cinematica a 100° (cSt)

Tasa cortante elevada Viscocidad dinámica a 150 °C (cP) min.

0W

6200 a -35

60000 a -40

3.8

5W

6600 a -30

60000 a -35

3.8

10 W

7000 a -25

60000 a -30

4.1

15 W

7000 a -20

60000 a -25

5.6

20 W

9500 a -15

60000 a -20

5.6

25 W

13000 a -10

60000 a -15

9.3

Max.

Min.

20

5.6

<9.3

2.6

30

9.3

<12.5

2.9

40

12.5

<16.3

2.9

40

12.5

<16.3

3.7

50

16.3

<21.9

3.7

60

21.9

<26.1

3.7

Observe las dos clasificaciones diferentes para el grado SAE 40. El primero es común en los aceites con viscosidad multigrado que se emplean en motores ligeros. El segundo es normal en los aceites con viscosidad de grado único SAE 40, y los de viscosidad multigrado que se usan en motores pesados. Los aceites con viscosidad multigrado, como el SAE 10W-40, deben satisfacer los estándares en condiciones de temperatura baja y alta.

Grados de viscosidad SAE

Temperatura máxima para viscosidad dinámica de 150000 cP (°C)

Viscosidad cinemática a 100 °C (cSt) Min.

70 W

-55

4.4

75 W

-40

4.1

80 W

-26

7.0

85 W

-12

11.0

Max.

80

7.0

<11.0

85

11.0

<13.5

90

13.5

<24.0

140

24.0

<41.0

250

41.0

GRADOS DE ISO VISCOSIDAD 

DEFINICION:



A atraves de los años se han adquirido sistemas para clasificar la viscosidad (medida de la resistencia interna al fluir un líquido) de los lubricantes líquidos. como SAE (EE. UU), DIN (Alemania) y otras basadas en la medición de las viscosidades en distintas unidades lo cual conlleva a que continuamente se emplean tablas de conversión para pasar de un sistema a otro.



se desarrolló La Organización Internacional para la Estandarización (ISO) desde 1975 para especificar la viscosidad de los aceites industriales. El sistema ISO, establece 18 grados de viscosidad, comprendidos entre 2 y 1500 cSt a 40°C mediante un número estándar que se coloca al final del nombre del aceite industrial.

Viscosidad Cinemática a 40 °C (cSt) o (mm2/s)

 GRADO DE VISCOSIDAD ISO

GRADO ISO VG

Nominal

Mínimo

Máximo

2.0

2.2

2.0

2.4

3.0

3.2

2.9

3.5

5.0

4.6

4.1

5.1

7.0

6.8

6.1

7.5

10.0

10.0

9.0

11.0

15.0

15.0

13.5

16.5

22.0

22.0

19.8

24.2

32.0

32.0

28.8

35.2

46.0

46.0

41.4

50.6

68.0

68.0

61.2

74.8

100.0

100.0

90.0

110.0

150.0

150.0

135.0

165.0

220.0

220.0

198.0

242.0

320.0

320.0

288.0

352.0

460.0

460.0

414.0

506.0

680.0

680.0

612.0

748.0

1000.0

1000.0

900.0

1100.0

1500.0

1500.0

1350.0

1650.0

2200.0

2200.0

1980.0

2420.0

3200.0

3200.0

1880.0

3520.0

 BENEFICIOS

Este sistema reduce las posibilidades de que el usuario se equivoque en la selección del aceite a utilizar ó que mezcle lubricantes de diferentes viscosidades.

Facilita en hallar de manera inmediata el equivalente en viscosidad de un aceite con otro, puesto que el nombre del aceite debe traer al final el grado ISO correspondiente

 FLUIDOS HIDRÁULICOS PARA SISTEMAS DE FLUIDOS DE POTENCIA 

DEFINICIÓN:



Las características de los fluidos hidráulicos tienen la mayor influencia en el rendimiento y duración de cualquier sistema hidráulico pues resulta primordial utilizar fluidos limpios y de alta calidad para lograr un funcionamiento eficiente del sistema.



En la búsqueda de ese rendimiento óptimo se han utilizado varios tipos de fluidos a lo largo de la historia, los cuales van desde el agua hasta los modernos compuestos cuidadosamente preparados que además de poseer un fluido base contienen aditivos especiales que ayudan a obtener fluidos hidráulicos con las características necesarias para cumplir una tarea específica

 características 

Viscosidad adecuada para el propósito en cuestión



Capacidad de alta lubricación, a veces llamada lubricidad



Limpieza



Estabilidad química a temperaturas de operación



No son corrosivos con los materiales que se usan en los sistemas de fluido de potencia



No permiten el crecimiento de bacterias



Aceptables en lo ecológico



Modulo volumétrico elevado (comprensibilidad baja)

Transmitir potencia: todos los fluidos serían válidos (excepto los gases por ser compresibles), el fluido deberá fluir fácilmente a través de los conductos internos de los componentes

Lubricar las partes en movimiento: La lubricación es la capacidad del fluido de formar una película sobre las superficies, y hacer que esta película facilite el desplazamiento de esta superficie sobre otras

FUNCIÓN DE LOS FLUIDOS HIDRÁULICOS.

Disipar calor o refrigerar: El fluido debe ser capaz de absorber el calor generado para luego liberarlo al ambiente manteniendo estable la temperatura

Sellar los espacios libres entre elementos: Se quiere diseñar cualquier sistema de transmisión de potencia fluídica se deberá seleccionar el fluido hidráulico cuyas propiedades sean las mejores para la aplicación particular deseada.

Aceite mineral

Fluidos sintéticos no acuosos

Emulsión de aceite en agua

CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS HIDRÁULICOS

Fluidos aguaglicol

Emulsión de agua en aceite

Fluidos con Base de Agua Elevada

Fluidos De Silicón