TÍTULO DEL EXPERIMENTO: Determinación de un fluido Newtoniano por el método del viscosímetro de Ostwald

FECHA DE LA EXPERIENCIA: 12 de setiembre del 2013

FECHA DE ENTREGA DE INFORME: 19 de setiembre del 2013

I. RESUMEN

En el presente informe se desarrollara el procedimiento y cálculos para

determinar la viscosidad de un fluido newtoniano por el método del viscosímetro de

Ostwald usando dos fluidos el agua y el líquido en investigación el alcohol.

El viscosímetro de Ostwald es un tubo en forma de U, que posee dos bulbos

con señales a y b, y existe un capilar dentro del ensanchamiento, donde se agregara

dentro del viscosímetro un fluido de referencia que será el agua y se dejara insuflar

hasta la señal a, para luego quitar la pipeta y medir el tiempo en el que el líquido

transcurre desde la señal a hasta la señal b, estas prueba se experimentará a

diferentes temperaturas donde es importante uniformizar la temperatura del fluido

como del viscosímetro en un baño maría, de esa forma repetir la experimentación para

el alcohol recopilando los datos de temperatura y tiempo.

Finalmente con los datos recopilados se determinó la viscosidad para el alcohol

a ciertas temperaturas ya que los datos de viscosidad para el agua a diferentes

temperaturas se obtienen en tablas reemplazadas en la ecuación n1=n2 p1t 1

p2t 2.

II. OBJETIVOS

II.1. OBJETIVO GENERAL

Determinación de la viscosidad de un fluido a través de un capilar.

II.2. OBJETIVO ESPECÍFICO

Determinar la viscosidad de un líquido con el viscosímetro de

Ostwald.

Estudiar la influencia de a temperatura en la viscosidad del líquido.

III. MARCO TEORICO

III.1. DEFINICION DE FLUIDO.-

Se denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre

cuyas moléculas hay una fuerza de atracción débil. Los fluidos se caracterizan por

cambiar de forma sin que existan fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma

"original" (lo cual constituye la principal diferencia con un sólido deformable). Un fluido

es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre si por fuerzas cohesivas

débiles y/o las paredes de un recipiente; el término engloba a los líquidos y los gases.

En el cambio de forma de un fluido la posición que toman sus moléculas varía, ante

una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen. Los líquidos toman la forma

del recipiente que los aloja, manteniendo su propio volumen, mientras que los gases

carecen tanto de volumen como de forma propios. Las moléculas no cohesionadas se

deslizan en los líquidos, y se mueven con libertad en los gases. Los fluidos están

conformados por los líquidos y los gases, siendo los segundos mucho menos viscosos

(casi fluidos ideales).

III.2. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS.-

Los fluidos, tienen propiedades físicas que permiten caracterizar y cuantificar su

comportamiento así como distinguirlos de otros; la viscosidad, tensión superficial y

presión de vapor solo se pueden definir en los líquidos y gases. Sin embargo, el peso

específico y la densidad son atributos de cualquier materia.

III.2.1. Densidad.-

Es la cantidad de materia por unidad de volumen de una sustancia.

Unidades de la densidad del agua

Sistema internacional es 1000Kg /m3 .

Sistemacgs es 1g /cm3.

III.2.2. Masa especifica.-

Magnitud que mide la masa de una sustancia en relación con su volumen. Empleando

el sistema Internacional (SI), en la que la definición de la unidad de masa se ha hecho

a partir de una unidad de volumen de agua, la masa específica coincide con la

densidad.

La masa específica es la cantidad de masa por unidad de volumen. Matemáticamente

se define como el cociente entre la masa y el volumen de un cuerpo.

La unidad de masa específica

ρ=mv

Sistema internacional de unidades es kg /m ³, pero por

razones prácticas se utiliza normalmente el kg /dm ³ o el

g/cm3.

III.2.3. Gravedad Específica (GE) o Densidad Relativa (ρrel).

Es la relación entre la densidad absoluta de la sustancia y la densidad de una

sustancia patrón.

G .E .=DensidadAbsolutaDensidadPatron

= ρρP

Para líquidos y sólidos, se toma como sustancia patrón el agua y para gases el aire.

ρagua= g

cm3=1000Kg

m3ρaire=0.00129 g

cm3=1.29 Kg

m3

III.2.4. Peso Específico (γ )

Es la fuerza con que la tierra atrae a una unidad de volumen. La masa y el peso

específico están relacionados por:

γ= PesoVolumen

=WV

Sabiendo que W =mgy que ρ=mV

, tenemos que m=ρV .

Si sustituimos estos resultados en la ecuación del peso específico tenemos:

γ=WV

=mgV

=ρ g

Donde g representa la gravedad.

Las unidades del peso específico pueden ser:

N

m3,Dinas

cm3

III.2.5. Peso Específico Relativo (γ rel )

Es la relación entre el peso específico de una sustancia y el peso específico de una

sustancia patrón.

γ rel=γ sustancia

γPatron

Para sólidos y líquidos la sustancia patrón es el agua y para los gases es el aire.

γ agua=1.0 grfcm 3

=1000 kgf

m3=9.8 dinas

cm3

El peso específico relativo de una sustancia es un número sin dimensiones o es decir

es a dimensional.

FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS

Fluidos newtonianos son todos aquellos para los que la viscosidad (resistencia a fluir)

es constante con la temperatura como el agua, el alcohol, etc.

Los fluidos no newtonianos son sustancias que pueden comportarse como sólidos y

líquidos, dependiendo de la presión a la que se les someta. Su viscosidad  es función

de la tensión a las que se les someta.

Figura N°1. Flujo de Líquido No-Newtoniano entre dos placas

paralelas

III.3. DIFERENCIA ENTRE LOS FLUIDOS NEWTONIANOS Y FLUIDOS NO

NEWTONIANOS:

En el primero la viscosidad es constante independientemente del esfuerzo de corte al

cual se somete el fluido. Y en el segundo la viscosidad depende del esfuerzo de corte

aplicado. Un gráfico de esfuerzo de corte o viscosidad en función de la velocidad de

corte se conoce como reograma. El reograma para un fluido Newtoniano es una línea

recta cuya pendiente es la Viscosidad. La mayoría de los materiales con algún

significado industrial son no Newtonianos. Hay varios tipos de comportamientos no

Newtoniano.

III.4. VISCOSIDAD:

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.

III.4.1. EXPLICACIÓN DE LA VISCOSIDAD:

Imaginemos un bloque sólido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial (por

ejemplo: una goma de borrar sobre la que se sitúa la palma de la mano que empuja en

dirección paralela a la mesa.) En este caso (a), el material sólido opone una

resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma (b), tanto más cuanto menor sea su

rigidez.

Si imaginamos que la goma de borrar está formada por delgadas capas unas sobre

otras, el resultado de la deformación es el desplazamiento relativo de unas capas

respecto de las adyacentes, tal como muestra la figura (c).

Deformación de un sólido por la aplicación de una fuerza tangencial.

En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina

viscosidad. Es su pequeña magnitud la que le confiere al fluido sus peculiares

características; así, por ejemplo, si arrastramos la superficie de un líquido con la palma

de la mano como hacíamos con la goma de borrar, las capas inferiores no se moverán

o lo harán mucho más lentamente que la superficie ya que son arrastradas por efecto

de la pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con

facilidad. Igualmente, si revolvemos con una cuchara un recipiente grande con agua

en el que hemos depositado pequeños trozos de corcho, observaremos que al revolver

en el centro también se mueve la periferia y al revolver en la periferia también dan

vueltas los trocitos de corcho del centro; de nuevo, las capas cilíndricas de agua se

mueven por efecto de la viscosidad, disminuyendo su velocidad a medida que nos

alejamos de la cuchara.

III.4.2. VISCOSIDAD CINEMÁTICA:

Se obtiene como cociente de la viscosidad dinámica (o absoluta) y la densidad. La

unidad en el SI es el (m²/s). La unidad física de la viscosidad cinemática en el sistema

CGS es el Stoke (abreviado S o St), cuyo nombre proviene del físico irlandés George

Gabriel Stokes (1819-1903). A veces se expresa en términos de centistokes (cS o

cSt).

1 stoke = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0, 0001 m²/s

III.4.3. VISCOSIDAD ABSOLUTA O DINÁMICA:

La viscosidad absoluta o dinámica normalmente se expresa en poise (P) o centipoise.

1cP=0.01Poises

1Pa−s=10 Pascales

Poise= Dinas× Seg

cm2

La viscosidad dinámica, la cual es función sólo de la fricción interna del fluido, es la

cantidad usada más frecuentemente en el diseño de cojinetes y el cálculo de flujo de

aceites.

III.4.4. ECUACIÓN DE POISEUILLE (1835):

En función del coeficiente de viscosidad, se puede demostrar que la caída de presión

para un flujo estacionario en una longitud Lde un tubo circular de radiores:

La Ley de Poiseuille se aplica sólo al flujo laminar (no turbulento) de un fluido de

viscosidad constante que es independiente de la velocidad del fluido.

III.4.5. TIPOS DE VISCOSÍMETROS:

4.5.5.1 Viscosímetros capilares: que miden la velocidad de flujo de un volumen fijo

de fluido a través de un orificio de diámetro pequeño, a una temperatura constante y

controlada. La velocidad de corte puede variar entre casi 0 a 106 s-1 cambiando el

diámetro del capilar y la presión aplicada. Todas las viscosidades cinemáticas se

miden con viscosímetros capilares. Los tipos de viscosímetros capilares son:

- Viscosímetros de capilar de vidrio

- Viscosímetros capilares de alta presión

4.5.5.2. Viscosímetros rotatorios, que usan el troqué de un eje rotatorio para medir

la resistencia al flujo del fluido. El Simulador de Cigueñal Frío (CCS), el mini-

viscosímetro rotatorio (MRV), el viscosímetro Brookfield y el Simulador de Cojinete

Cónico (TBS) son viscosímetros rotatorios. La velocidad de corse se puede cambiar

modificando las dimensiones del rotor, el espacio entre el rotor y la pared del estator, y

la velocidad de rotación.

III.5. ALCOHOL

En química se denomina alcohol ("el espíritu", "toda sustancia pulverizada", "líquido

destilado") a aquellos compuestos químicos orgánicos que contienen un grupo

hidroxilo (-OH) en sustitución de un átomo de hidrógeno enlazado de forma covalente

a un átomo de carbono. Si contienen varios grupos hidroxilos se denominan

polialcoholes.

Los alcoholes pueden ser primarios, secundarios o terciarios, en función del número

de átomos de hidrógeno sustituidos en el átomo de carbono al que se encuentran

enlazado el grupo hidroxilo.

A nivel del lenguaje popular se utiliza para indicar comúnmente una bebida alcohólica,

que presenta etanol, con formula química CH3CH2OH

Los alcoholes suelen ser líquidos incoloros de olor característico, solubles en el agua

en proporciones variable y menos densa que ella. Al aumentar la masa molecular,

aumentan sus puntos de fusión y ebullición, pudiendo ser sólidos a temperatura

ambiente (p.e. el pentaerititrol funde a 260 °C). A diferencia de los alcanos de los que

derivan, el grupo funcional hidroxilo permite que la molécula sea soluble en agua

debido a la similitud del grupo hidroxilo con la molécula de agua y le permite formar

enlaces de hidrógeno. La solubilidad de la molécula depende del tamaño y forma de la

cadena alquílica, ya que a medida que la cadena alquílica sea más larga y más

voluminosa, la molécula tenderá a parecerse más a un hidrocarburo y menos a la

molécula de agua, por lo que su solubilidad será mayor en disolventes apolares, y

menor en disolventes polares. Algunos alcoholes (principalmente polihidroxílicos y con

anillos aromáticos) tienen una densidad mayor que la del agua.

IV. PARTE EXPERIMENTAL

IV.1. Método Experimental:

IV.1.1. materiales utilizados:

Viscosímetro de OSTWALD.

01 Cronómetro.

01 Vaso de Precipitación de 500ml.

01 Termómetro (0-150)ºC

01 pipeta

01 pera de goma

5.2.2. Reactivos utilizados:

10 ml de Alcohol.

Agua destilada.

5.2.3. Procedimiento:

Debemos tener los materiales limpios y secos, sino fuera así se lava el

viscosímetro con una solución de acetona.

Debido a que la viscosidad se determinara en función de la temperatura, los

valores a determinar deberán estar a la misma temperatura del líquido en

referencia, para esto se preparara un baño de temperatura constante donde se

sumergirá el viscosímetro (La primera prueba se determinara a temperatura

constante).

Con una pipeta un volumen adecuado del líquido de referencia que en este

caso será agua, una vez que el deposito esférico “C” está lleno de líquido, se

presiona a este insuflando aire por la boca de dicha rama vertical, mediante

una pera de goma, hasta hacer subir la superficie

del líquido por encima de la otra rama estrecha a la

señal del bulbo “a”.

Estando el viscosímetro sumergido en un baño de

temperatura constante, se destapa la rama ancha

y se deja uniformizar su desplazamiento y

mediante un cronometro se anota el tiempo que

tarda el menisco del líquido para pasar de la señal

“a” a la “b” (Esta prueba se realizara por lo menos

5 veces).

Luego se toma la temperatura y se obtiene las

lecturas de tiempo unas 5 veces para determinar el

tiempo promedio.

Luego de realizar por lo menos 4 pruebas a

diferentes temperaturas se desecha el agua.

A continuación se seguirá los pasos con nuestra

muestra “alcohol” que es nuestro objeto de estudio.

6. CALCULOS Y RESULTADOS

6.2. Nomenclatura:

n1 = viscosidad del líquido que se investiga.

ρ1 = densidad del líquido que se investiga.

t1= tiempo de escurrimiento del líquido que se investiga.

n2 = viscosidad del agua.

p2 = densidad del agua.

t2 = tiempo de escurrimiento del agua.

DATOS OBTENIDOS:

Tabla N°01: Tiempo en que el agua destilada demora en pasar del punto A al punto

B, en segundos, a determinadas temperaturas:

  TIEMPO DE ESCURRIMIENTO  1 2 3 4 5 PROM

17°C 1.78 1.57 1.51 1.62 1.67 1.6320°C 1.66 1.84 1.75 1.8 1.79 1.76824°C 1.37 1.56 1.38 1.9 1.48 1.538

b

a

30°C 1.61 1.62 1.84 1.5 1.47 1.608

TABLA N°02: Tiempo en que el alcohol demora en pasar del punto A al punto B, en

segundos, a determinadas temperaturas:

  TIEMPO DE ESCURRIMIENTO  1 2 3 4 5 PROM

19°C 2.47 2.6 2.25 2.62 2.52 2.49223°C 2.14 2.32 2.18 2.29 2.13 2.21227°C 2.16 2.03 2.16 2.04 2.24 2.12631°C 2.01 2 2.09 1.99 2.16 2.05

CALCULOS REALIZADOS

η1η2

=ρ1t 1ρ2t 2

CÁLCULO DE “n1”:

n1=n2× ρ1×t 1

ρ2× t2

1. Viscosidad del alcohol a 19°C:

n1=0.001081×0,79029×2.492

0,9892×1.63=0.0013P

2. Viscosidad del alcohol a 23°C:

n1=0.001003×0,78691×2.212

0,998×1.768=0.00098 P

3. Viscosidad del alcohol a 27°C:

n1=0.000911×0,7835×2.126

0,9972×1.538=0.0009894 P

4. Viscosidad del alcohol a 31°C

n1=0.000798×0,78012×2.05

0,996×1.608=0.00079 P

V. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS:

Tabla N°3: Cuadro de Resultados

  AGUA   ALCOHOLTºC t2(seg.) d2(g/cc) n2 TºC t1(seg.) d1(g/cc) n117°C 1.63 0.9892 0.001081 19°C 2.492 0.79029 0.00132034820°C 1.768 0.998 0.001003 23°C 2.212 0.78691 0.0009894624°C 1.538 0.9972 0.000911 27°C 2.126 0.7835 0.00098942330°C 1.608 0.996 0.000798 31°C 2.05 0.78012 0.000796843

VI. DISCUSION DE RESULTADOS:

Tratar de mantener la temperatura constante cuando se trabaja con el

viscosímetro Ostwald, para la determinación de las viscosidades de las

diversas soluciones que se van a estudiar.

Se deben tomar los tiempos de manera exacta cuando el líquido que se estudia

pasa de un punto A a un punto B en el viscosímetro.

El volumen que se utiliza de agua debe ser el mismo para las soluciones de

etanol que se han utilizado.

VII. CONCLUCIONES

Se determinó las viscosidades de un fluido newtoniano para el caso del alcohol a

diferentes temperaturas por el método del viscosímetro de Ostwald obteniendo los

siguientes resultados:

TºC n1

19°C 0.00132035

23°C 0.00098946

27°C 0.00098942

31°C 0.00079684

Se determinó las viscosidades del agua aplicando los modelos matemáticos a

diferentes temperaturas obteniendo los

siguientes resultados:

Se estudió y analizo la influencia de la temperatura en la viscosidad del alcohol

comprendiendo que al elevar la temperatura del fluido la oposición a la fuerza cortante

o viscosidad es menor.

VIII. RECOMENDACIONES

Cuando se calculó y analizo la influencia de temperatura en la viscosidad, se pudo

experimentar con más fluidos de esa forma implementando mayor información al

respecto.

Existen otras técnicas para determinar y analizar la viscosidad que podrían mejorar y

ampliar los conocimientos sobre el tema.

Los materiales que se utilizan para las diversas mediciones se deben lavar y secar por

completo en la estufa.

IX. CUESTIONARIO

A). Graficar viscosidad del líquido problema (n2) vs temperatura.

TºC n2

17°C 0.001081

20°C 0.001003

24°C 0.000911

30°C 0.000798

TºC n1

19°C 0.00132035

23°C 0.00098946

27°C 0.00098942

31°C 0.00079684

B). Graficar logaritmo de n1 vs 1/t.

-2,200 -2,150 -2,100 -2,050 -2,000 -1,950 -1,900 -1,850 -1,8000.0100

0.1000

1.0000

Log(n1) vs. 1/T

1/T

log(n1)

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

f(x) = 10.5 x + 5R² = 0.997286295793758

Viscosidad vs. Temperatura del alcohol

n1 vs. Temperatura del alcoholLinear (n1 vs. Tem-peratura del alcohol)

1/TºC log(n1)

0.05263158

-2.87931149

0.04347826

-3.00460168

0.03703704

-3.00461797

0.03225806

-3.09862722

C). El líquido trabajado en práctica será un fluido newtoniano o no newtoniano.

Fundamente en función de sus características.

El agua a temperaturas normales es un fluido newtoniano ya que su viscosidad puede

considerarse constante en el tiempo donde el esfuerzo tangencial es directamente

proporcional a la velocidad de deformación por la viscosidad.

El alcohol es considerado un fluido newtoniano por que no presenta turbulencia y

depende de la temperatura.

D). Como influye la temperatura en la viscosidad. Cuál es el error máximo que

se debe considerar durante las determinaciones.

Desde el punto microscópico, la viscosidad, es decir la resistencia a la deformación de

un fluido, tiene un doble origen: por una parte las moléculas se atraen entre sí

mediante fuerzas de cohesión que dificultan un desplazamiento relativo y, por otra

parte, la agitación térmica produce una transferencia de cantidad de movimiento entre

capas que no se mueve con la misma velocidad. Como resultado de este doble efecto,

la viscosidad resulta depender de la temperatura y de la presión. En el caso de los

líquidos, las fuerzas cohesivas son preponderantes y disminuyen con un aumento de

temperatura. La dependencia de la temperatura absoluta se representa bien mediante

la ecuación empírica:

m=A ·exp(B /T )

X. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA

- Maron S., Lando J, "Fisicoquímica Fundamental", 2da ed, Ed.

Limusa, México, 1987, pag 70 – 75.

- Crockford H., Navell J., "Manual de Laboratorio de Química Física", 1ra

ed, Ed. Alambra, Madrid, 1961, pag 70 – 73.

- Glasstone S. "Tratado de química física", 7ma ed, Ed. Aguilar, España,

1979, pag 449 – 452.

- Pons Muzzo G., "Fisicoquímica", 5ta edición, Ed. Universo SA, Lima,

1981.