Medida de la Viscosidad: Viscosimetría

El objetivo de esta práctica es familiarizarse con los diferentes métodos que hay de medida de la viscosidad, y observar cómo varía ésta con diferentes factores, especialmente con la temperatura.

La viscosidad está íntimamente ligada a la oposición que ejerce un fluido para deformarse. De hecho, para una situación como la que se representa en la figura, el coeficiente de viscosidad μ se define como:

Esta relación es conocida como la Ley de Newton.

El coeficiente de viscosidad en el Sistema Internacional se mide en Pa·s, aunque también existe una unidad bastante extendida conocida como Poisse, que es la décima parte del Pa·s.

También se emplea otra magnitud conocida como viscosidad cinemática ν, que se relaciona con la anterior mediante la densidad ρ:

μ=ρ·υ

En el SI esta magnitud tiene unidades de m²/s.

La viscosidad de los fluidos depende prácticamente sólo de la temperatura a la que se encuentre el cuerpo, siguiendo un comportamiento muy diferente los líquidos y los gases. Mientras que los primeros disminuyen considerablemente su viscosidad cuando se aumenta la temperatura, los gases actúan justamente al revés y para ellos la viscosidad es directamente proporcional a la temperatura.

Existen diferentes métodos para determinar este coeficiente de viscosidad entre los más extendidos se encuentran:

·         Viscosímetro Haake: es un tubo inclinado 30º con tres muescas colocadas al principio, en el medio y al final del tubo. Estas muescas ayudan a medir el tiempo de caída de una bola inmersa en el fluido del que se pretende estudiar.

Esta bola, por encontrarse inmersa en el fluido, se encuentra sometida a tres fuerzas: su peso, que la empuja hacia abajo, el empuje por estar inmersa en el fluido que va hacia arriba y la fuerza de rozamiento, que se opone al movimiento y por tanto tiene el mismo sentido que la anterior.

La fuerza de rozamiento puede determinarse como:

F_roz = 3·π·μ·D·ν

Y el coeficiente de rozamiento se determina aplicando las ecuaciones de la dinámica a la bola:

Para nuestro caso los datos son los siguientes:

D (mm)	m (g)	ρbola (gcm3)	k
15,62	16,2397	8,138	0,08050

El fluido se trataba de una mezcla de agua y glicerina en relación 6/4, por tanto su densidad puede determinarse conociendo que las densidades de cada sustancia por separado son:

·         Viscosímetro Engler: este viscosímetro se emplea para comparar la viscosidad de algunos aceites con la del agua.

Se trata de un dispositivo con un depósito con un agujero en el fondo, donde se introducirá el aceite del que se quiere medir la viscosidad, todo ello rodeado por un baño de agua cuya función es mantener la temperatura controlada.

La única medida que se obtiene con este tipo de viscosímetro es el tiempo que tarda en caer el aceite a partir de un nivel predeterminado y se puede convertir a las magnitudes ya conocidas mediante las fórmulas:

Sabiendo que el tiempo de descarga del agua a 20ºC es de 47 segundos.

Para emplear el viscosímetro de tipo Haake se siguen los siguientes pasos:

1.      Una vez que se ha llenado el viscosímetro con el fluido del que pretendemos medir la viscosidad y que se ha introducido la bola de la que conocemos los datos necesarios, nos aseguramos que el viscosímetro se encuentre completamente nivelado, para lo que hay un nivel en la parte trasera, y se ajusta la temperatura a la que queremos efectuar la medida, para lo que habrá que dejar transcurrir el tiempo necesario hasta que el termómetro alojado en su interior marque la temperatura deseada.

2.      Enganchamos el viscosímetro en la marca para que se encuentre inclinado 30º.

3.      Medimos el tiempo de caída entre la primera y la última muesca, para lo que debemos tomar siempre la misma referencia: o el principio o el final de la bola.

Para usar el viscosímetro de Engler seguimos estos sencillos pasos:

1)      Medimos la temperatura a la que se encuentra el aceite interior con ayuda de un termopar. Cuando hemos alcanzado la que deseamos proseguimos.

2)      Introducimos el aceite en el interior del depósito y lo nivelamos.

3)      Lo tapamos para evitar pérdidas de calor y retiramos el tapón, momento en el que activamos el cronómetro.

4)      Detendremos la medida del tiempo cuando por la parte inferior deje de caer un chorro contínuo.

1.- Dibujar un  gráfico mostrando los tiempos entre los trazos superior e inferior para las distintas mediciones, comprobando que la velocidad de caída de la bola es constante.

Como podemos observar, todos los datos se encuentran en torno a un valor muy próximo y puede decirse que se mantiene constante a lo largo de todas las medidas, ya que dichas desviaciones se pueden explicar por errores a la hora de tomar las medidas.

2.- Calcular la viscosidad en kg/ms para cada medición y dar como resultado del ensayo la media de las mediciones.

Aplicando las ecuaciones ya indicadas anteriormente, obtenemos que las viscosidades a las diferentes temperaturas han sido:

25ºC	Tiempo (s)	μ kg/ms		40ºC	Tiempo (s)	μ kg/ms
1	75	0,04246		1	33,15	0,01877
2	73,81	0,04179		2	33,9	0,01919
3	73,32	0,04151		3	33,88	0,01918
4	73,49	0,04161		4	34,07	0,01929
Media	73,905	0,04184		Media	33,75	0,01911

3.- Discutir los resultados.

El tiempo de las cuatro mediciones resulta en los dos casos aproximadamente el mismo, y si el valor oscila, es más que nada debido a errores cometidos a la hora de medir, sin embargo podemos tomar la media como un dato válido ya que todos los valores están muy próximos a ella. Si comparamos los datos de las viscosidades μ calculadas, observamos que ésta disminuye cuando aumenta la temperatura, lo que, dado que se trata de un líquido, concuerda con la teoría estudiada.

4.- Dibujar un gráfico para el viscosímetro Engel en el que se represente en el eje X la temperatura de ensayo y en el eje Y el tiempo de vaciado.

5.- Representar en el eje X los valores de temperatura en el ensayo en ºC y en el eje Y los valores de viscosidad en grados Engel.

6.- Representar en una gráfica en el eje X los valores de la temperatura en ºC y en el Y los valores de viscosidad en Stokes (cm²/s).

Temperatura (ºC)	Tiempo (s)	Viscosidad Engel	Viscosidad Stokes
60	348,43	7,413	0,0646
70	311,65	6,631	0,0636

7.- Discutir los resultados del viscosímetro Engler.

Realmente los datos que tenemos del viscosímetro Engler son muy pocos como para obtener conclusiones contundentes, sin embargo sí que volvemos a comprobar de nuevo cómo la viscosidad es menor para un líquido a mayor temperatura que para uno que está más frio. La medida con este tipo de viscosímetro introduce mucha más incertidumbre en la medida que el viscosímetro Haake, ya que a la hora de enrasar el aceite en el depósito no se hace de una manera muy precisa, el control de la temperatura no puede decirse que sea muy riguroso y tener que parar el cronómetro cuando deja de caer un chorro continuo introduce demasiada incertidumbre en la medida.