ANÁLISIS DE VISCOSIDAD DE FLUIDOS

I. INTRODUCCIÓN

El estudio de la viscosidad de los líquidos en los cursos de física del nivel superior, se limita a diferenciar principalmente entre flujo laminar y turbulento, así como a presentar los perfiles de velocidad generados bajo ciertas condiciones particulares considerando la idea newtoniana, donde la viscosidad es una constante que depende principalmente de la temperatura y en mucho menor medida de la presión. Por otra parte, en los cursos de laboratorio solo se estudia experimentalmente el comportamiento viscoso de los líquidos en función de la temperatura y el estudiante se queda con la idea de que la viscosidad de un fluido solo cambia con ésta. No obstante, en la actualidad el estudio de la viscosidad se ha visto muy diversificado debido principalmente al comportamiento heterogéneo de los fluidos que se emplean a nivel industrial, tales como las pinturas, suspensiones, emulsiones, polímeros fundidos, entre otros. En donde la naturaleza química de éstos, ya sea por la presencia de partículas coloidales, macromoléculas o agregados al fluido base, muestra que la viscosidad depende de las condiciones de flujo y de la velocidad con que estos fluidos se mueven, alejando totalmente la idea clásica de una viscosidad newtoniana. Este tipo de fluidos han sido clasificados como fluidos no newtonianos.

Un estudio completo del comportamiento viscoso de los fluidos, que permita mostrar las diferencias entre newtonianos y no newtonianos resulta algunas veces irrealizable en los laboratorios de enseñanza, debido principalmente a los costos elevados de los equipos comerciales (viscosímetros y reómetros). Por este motivo, el presente trabajo ilustra cómo construir un viscosímetro de cilindros concéntricos de bajo costo, para determinar el comportamiento viscoso que exhiben los fluidos newtonianos y los no newtonianos, el cual puede ser construido por los mismos estudiantes permitiendo desarrollar su creatividad así como sus habilidades experimentales. El desarrollo del dispositivo se realiza en una simplificación teórica basada en el viscosímetro de Couette, diseño existente en la literatura [3]. Los fluidos utilizados en este trabajo son de uso comercial y de fácil adquisición. La física y la matemática involucrada empleada en el presente análisis, se consideran adecuadas para los cursos de nivel medio superior y superior de los primeros semestres en física e ingenierías. Del mismo modo, este trabajo pretende conducir experiencias que permitan al estudiante distinguir entre fluidos newtonianos y no newtonianos, introduciéndolo de manera general a los cursos avanzados de mecánica de fluidos y de reología.

II. OBJETIVO

Determinación de la viscosidad de un aceite. Determinación del índice de viscosidad de un aceite.

III. FUNDAMENTO TEÓRICO

El comportamiento de los fluidos bajo la acción de fuerzas aplicadas es tema de estudio de la mecánica de fluidos. Sin embargo, el estudio del comportamiento viscoso de los fluidos pertenece al campo de la reología, que es la ciencia que estudia el flujo y la deformación de los materiales.

Antes que todo, es importante conocer los conceptos de esfuerzo y deformación para los fluidos viscosos. Para ello considere la figura 1, que muestra una situación de flujo cortante simple. Aquí se tiene un líquido entre dos placas separadas una distancia L. La placa superior se mueve a una velocidad constante v debido a la acción de una fuerza F.

En este caso, el esfuerzo de corte τ que ejerce la placa superior al líquido está definido por:

T= FA

Donde A es el área de la placa superior en la cual se aplica la fuerza. Las unidades del esfuerzo en el Sistema Internacional (SI) son los Pascales ó N/m2 . Asimismo, la deformación que se genera en el fluido está expresada por:

Donde x es el desplazamiento del material y L es el espaciamiento entre la placa superior y la inferior. Note que este caso es idéntico a la deformación elástica por corte que sufre un material sólido, en cuyo caso, la deformación es finita y se mantiene constante hasta que se retira la fuerza o equivalentemente el esfuerzo. Sin embargo, para los fluidos no ocurre así, ya que esta deformación se incrementa paulatinamente hasta que se remueve la fuerza. Por ello, es que en los fluidos es más útil el concepto de rapidez de

deformación, que representa a la variación de la deformación respecto del tiempo, esto es.

Las unidades de la rapidez de deformación son s −1 . Si la distancia L se mantiene constante, se tiene.

Donde v es la velocidad de la placa superior. En los sólidos, el módulo de corte es una propiedad característica del material que representa la resistencia a ser deformado y se expresa como la razón entre el esfuerzo de corte y la deformación unitaria. Para los fluidos, de manera similar, existe una propiedad característica que representa la resistencia a fluir, esta propiedad es la viscosidad η y se define como la razón entre el esfuerzo de corte y la rapidez de deformación, es decir,

Las unidades de la viscosidad en el SI son Pas. Así, para conocer el comportamiento viscoso de un líquido es necesario determinar el esfuerzo de corte y la rapidez de deformación. Estas cantidades dependen del área de contacto, de la fuerza necesaria para mover la placa superior a una velocidad constante v y del espaciamiento entre las placas. En este análisis se considera que se mantienen las mismas condiciones termodinámicas de presión, volumen y temperatura.

Al gráfico del esfuerzo de corte y la rapidez de deformación se le conoce como curva de flujo o reográma. La figura 2 ejemplifica las curvas de flujo típicas que permiten mostrar algunas diferencias entre los fluidos newtonianos y los no newtonianos. Es de mencionar, que la pendiente de estas curvas representa el comportamiento viscoso en función de la rapidez de deformación. Por ejemplo, para el caso del fluido newtoniano es evidente que la viscosidad es constante e independiente de la rapidez de deformación. Sin embargo, para el fluido no newtoniano adelgazante (también conocido como seudoplástico), la viscosidad (la pendiente de la curva) disminuye al incrementarse la rapidez de deformación. El caso contrario se presenta en el fluido dilatante (conocido como plástico), cuya viscosidad se incrementa al aumentar la rapidez de deformación. El fluido de Bingham, se considera no newtoniano por el hecho de

necesitar un esfuerzo crítico para empezar a fluir, seguido de un comportamiento newtoniano.

1. FLUIDOS NEWTONIANOS

En el caso en que la relación entre el esfuerzo de corte y la rapidez de deformación es lineal, se dice que el fluido es newtoniano, en cualquier otro caso se dice que el fluido es no newtoniano. A la relación matemática que existe entre el esfuerzo de corte y la rapidez de deformación se le denomina ecuación constitutiva. Por lo tanto, la ecuación constitutiva para el fluido newtoniano está expresada por.

Al sustituir esta ecuación constitutiva en la ecuación de viscosidad (ecuación 5), se obtiene que la viscosidad η es una constante igual a µ, por lo que cuando se habla de la viscosidad µ (lo cual ocurre comúnmente en los textos de hidrodinámica) se está haciendo referencia a un fluido newtoniano.

1. FLUIDO NO NEWTONIANO.

Para fluidos no newtonianos, por ejemplo el adelgazante o el dilatante que se representan en la figura 2, la ecuación constitutiva que los describe es el modelo de ley de potencia, expresado por la siguiente ecuación:

Donde k y n son constantes. Cuando n1 este modelo se refiere a los fluidos dilatantes. El comportamiento en flujo de fluidos como las soluciones poliméricas, algunas pinturas, suspensiones y polímeros fundidos puede ser representado por este modelo, por ello es muy útil en la industria ya que se emplea para modificar las variables de procesamiento.

Al sustituir el modelo de ley de potencia en la definición de viscosidad (ecuación), se obtiene que ésta dependa explícitamente de la rapidez de deformación de la manera siguiente,

En este caso, la viscosidad disminuye o aumenta en función de la rapidez de deformación dependiendo si el fluido es adelgazante o dilatante. Existen otras ecuaciones constitutivas como la que describe a un fluido de Bingham (curva 4 en figura 2), la cual está dada por la siguiente expresión.

En este caso, τo representa un esfuerzo de umbral crítico para que el fluido empiece a fluir. Una vez iniciado el flujo, el comportamiento es característico

de un fluido newtoniano. Aquí la viscosidad es infinita (η=∞) para τ<τo.

El comportamiento viscoso de los fluidos no newtonianos es mucho más complejo de lo que se ha descrito hasta ahora. Por ejemplo, se pueden encontrar fluidos cuya viscosidad a valores de rapidez de deformación relativamente bajas (en algunos casos γ ≤1), puede considerarse constante e independiente de la rapidez de deformación, es decir, muestra un comportamiento newtoniano. Para valores de rapidez de corte intermedios (1≤γ ), presentan un comportamiento altamente no newtoniano caracterizado por el modelo de ley de potencias (o algún otro modelo). Para valores de rapidez de deformación relativamente altos.

Este modelo consta de cinco parámetros, ηo corresponde a la viscosidad newtoniana a valores de rapidez de deformación bajos, η∞ es la viscosidad newtoniana para valores de rapidez de deformación altos, λ es una constante de tiempo, n corresponde al parámetro del modelo de ley de potencias y a es una constante adimensional. En la figura 3, se grafica esta ecuación con parámetros arbitrarios con la finalidad de ilustrar este modelo.

Figura numero 3 comportamiento viscoso de un fluido no newtoniano

FLUIDOS VISCOSOS

CONCEPTO DE VISCOSIDAD

El concepto de viscosidad nació con Newton, cuando en su obra "Philosophiae Naturalis. Principia Matemática" afirmó que la resistencia ejercida, y que surge a partir de una falta en el deslizamiento de un fluido, si el resto de factores se mantienen, es proporcional a la velocidad a la que las partes de un fluido son separadas entre sí. De este modo, se establece la proporcionalidad existente entre el esfuerzo por unidad de área (F/A) necesario para producir un gradiente de velocidades en un fluido, siendo la constante de proporcionalidad un factor que describe "la capacidad de deslizamiento de un fluido" (más tarde esta constante de proporcionalidad fue llamada viscosidad). La hipótesis propuesta por Newton se suele representar con un esquema como el de la Figura 2.1, en el que se muestra dos superficies de superficie A, separadas por una distancia Y, estando una de ellas sometida a una fuerza F que le provoca una velocidad V. Al mismo tiempo, se suele describir matemáticamente los principios establecidos por Newton a partir de una expresión matemática como la ecuación.

La viscosidad de un fluido Newtoniano se suele representar con la letra griega μ, pero para fluidos no Newtonianos la viscosidad aparente se suele representar entonces con la letra griega η.

En la tabla, se muestra una guía aproximada del rango de viscosidades para diversos materiales a temperatura ambiente y presión atmosférica.

LIQUIDO VISCOSIDAD APROXIMADA

(Pa)Vidrio fundido 1012

Bitumen 108

Polímeros fundidos 103

Jarabes 102

Miel liquida 101

Glicerol 10−1

Aceite de oliva 10−2

Agua 10−3

Aire 10−5

De acuerdo con lo expuesto, es posible definir lo que se conoce como fluido Newtoniano. Por fluido newtoniano se entiende aquel fluido cuyo valor de viscosidad, a 3 una presión y temperatura dadas, es único para cualquier velocidad de cizalla, siendo independiente del tiempo de aplicación de la cizalla.

Para líquidos Newtonianos, la viscosidad también se denomina coeficiente de viscosidad. Este coeficiente, en determinados fluidos deja de ser constante para convertirse en una función de la velocidad de deformación del fluido, apareciendo el término de viscosidad aparente o a veces viscosidad dependiente de la velocidad de cizalla.

PROPIEDADES DE LA VISCOSIDAD

La viscosidad absoluta de todos los fluidos es prácticamente independiente de la presión en el rango de valores que se encuentran en el campo de la ingeniería

La viscosidad cinemática de los gases varía con la presión debido los cambios de densidad

La viscosidad de los vapores saturados o poco recalentados es modificada apreciablemente por cambios de presión, sin embargo los datos sobre vapores son incompletos y en algunos casos contradictorios, es por esto que cuando se trata de vapores distintos al de agua se hace caso omiso del efecto de la presión a causa de la falta de información adecuada.

En un líquido las moléculas tienen una movilidad limitada con fuerzas cohesivas grandes. Un aumento de la temperatura disminuye la cohesión entre moléculas (se apartan más) y decrece la viscosidad o “pegajosidad” del fluido

En un gas hay gran movilidad y muy poca cohesión, sin embargo las moléculas chocan y de aquí que se origina la viscosidad; al aumentar la temperatura la temperatura aumenta el movimiento aleatorio y por ende la viscosidad

FLUJOS DE CAPA LÍMITE

Según la teoría molecular, cuando un fluido empieza a fluir bajo la influencia de la gravedad, las moléculas de las capas estacionarias del fluido deben cruzar una frontera o límite para entrar en la región de flujo. Una vez cruzado el límite, estas moléculas reciben energía de las que están en movimiento y comienzan a fluir. Debido a la energía transferida, las moléculas que ya estaban en movimiento reducen su velocidad. Al mismo tiempo, las moléculas de la capa de fluido en movimiento cruzan el límite en sentido opuesto y entran en las capas estacionarias, con lo que transmiten un impulso a las moléculas estacionarias. El resultado global de este movimiento bidireccional de un lado al otro del límite es que el fluido en movimiento reduce su velocidad, el fluido estacionario se pone en movimiento, y las capas en movimiento adquieren una velocidad media.

EFECTOS DEL CALOR

La viscosidad de un fluido disminuye con la reducción de densidad que tiene lugar al aumentar la temperatura. En un fluido menos denso hay menos moléculas por unidad de volumen que puedan transferir impulso desde la capa en movimiento hasta la capa estacionaria. Esto, a su vez, afecta a la velocidad de las distintas capas. El momento se transfiere con más dificultad entre las capas, y la viscosidad disminuye. En algunos líquidos, el aumento de la

velocidad molecular compensa la reducción de la densidad. Los aceites de silicona, por ejemplo, cambian muy poco su tendencia a fluir cuando cambia la temperatura, por lo que son muy útiles como lubricantes cuando una máquina está sometida a grandes cambios de temperatura.

REOLOGIA

El término REOLOGÍA fue sugerido en 1929 por Eugene Cook Bingham para definir la rama de la Física que tiene por objeto el conocimiento de la deformación o flujo de la materia. La Reología moderna, además de los comportamientos elástico y viscoso, estudia también sistemas complejos que presentan simultáneamente propiedades elásticas y viscosas, es decir, sustancias visco elásticas. Son objeto de estudio de la Reología materiales tales como plásticos, fibras sintéticas, pastas, lubricantes, cremas, suspensiones, emulsiones, etc., los cuales constituyen la materia prima de las industrias farmacéutica, cosmética, agroalimentaria, cerámica, de pinturas, de barnices y otras.

DEFORMACIÓN Y FLUJO

la deformación de un cuerpo puede ser clasificada en dos tipos generales: deformación espontánea reversible o elasticidad (Asociada a los sólidos) y deformación irreversible o flujo (Asociada a los líquidos).

ELASTICIDAD

Un cuerpo es perfectamente elástico si una deformación se presenta instantáneamente con la aplicación de una fuerza y desaparece completa e instantáneamente con la eliminación de la misma.

Los cuerpos elásticos no ideales son aquellos que frente a la aplicación de un esfuerzo presentan una deformación no instantánea, que no desaparece instantáneamente con la eliminación del mismo. Se clasifican en sólidos elásticos completamente recuperables y sólidos elásticos incompletamente recuperables o visco elásticos.

ESFUERZO CORTANTE

Esfuerzo es la intensidad, en un punto dado de la superficie de un cuerpo, de las componentes de la fuerza que actúan sobre un plano a través de un punto determinado, por lo que se tienen esfuerzos de tensión, de compresión y de

corte, dependiendo si las componentes son tangencialmente hacia fuera o adentro del plano sobre el cual actúan las componentes de la fuerza.

El esfuerzo se expresa en unidades de fuerza por unidad de área. La expresión matemática que define el esfuerzo de corte en términos de flujo está dada por la Ley de la viscosidad de Newton, donde se establece el flujo en una sola dirección, paralela al plano.

CLASIFICACIÓN REOLOGICA PARA LÍQUIDOS

Los fluidos espesantes al corte o dilatantes

Son aquellos en los que la viscosidad aumenta cuando el gradiente de deformación aumenta. Como por ejemplo el almidón de maíz en agua.

Los fluidos no newtonianos o visco inelásticos dependientes del tiempo

Los fluidos tixotrópicos

Son aquellos en que a una temperatura y gradiente de deformación constante, presentan una disminución del esfuerzo de corte y de viscosidad.

Los reopécticos

Son aquellos fluidos que a una temperatura y gradiente de deformación constante presentan un aumento en el esfuerzo de corte y en la viscosidad.

Los fluidos plásticos de Bingham

Son aquellos en que la relación esfuerzo de corte y gradiente de deformación es lineal, pero para esfuerzos de corte pequeños se comportan como sólidos, presentando características elásticas y únicamente por el incremento del

esfuerzo de corte hasta un cierto valor el sistema fluye, denominándose fluidos con esfuerzo de corte inicial.

Fluidos plásticos no Bingham

Son aquellas sustancias plásticas que presentan una relación no proporcional entre el esfuerzo de corte y el gradiente de deformación, y presentan un esfuerzo inicial. Se clasifican en plasto elásticos y plasto inelásticos, si tras ser sometidos al esfuerzo presentan reversibilidad parcial o total a la deformación.

LUBRICACIÓN

Los lubricantes se interponen entre las dos superficies en movimiento. De esta manera, forman una película separadora que evita el contacto directo entre ellas y el consiguiente desgaste. Es conveniente señalar que el lubricante no elimina totalmente el rozamiento, aunque si lo disminuye notablemente. Esta disminución del rozamiento es la definición de lubricación. El rozamiento por contacto directo entre las superficies es sustituido por otro rozamiento interno mucho menor, entre las moléculas del lubricante. Este rozamiento interno es lo que llamamos viscosidad

FUNCIONES DE LOS LUBRICANTE

Los lubricantes no solamente disminuyen el rozamiento entre los materiales, sino que también desempeñan otras importantes misiones para asegurar un correcto funcionamiento de la maquinaria, manteniéndola en condiciones operativas durante mucho tiempo. Entre estas otras funciones, cabe destacar las siguientes:

Refrigerante Eliminador de impurezas Sellante Trasmisor de energía Anticorrosivo y antidesgaste

COMPOSICIÓN DE LOS LUBRICANTE

Los lubricantes se componen de aceites base y una serie de aditivos modificadores de las propiedades de estos aceites. Los aceites base pueden provenir del refino del petróleo ó bien de reacciones petroquímicas. Los primeros son los denominados aceites minerales y los segundos son conocidos como aceites sintéticos.

Los aceites base de tipo mineral (bases minerales) están constituidos por tres tipos de compuestos parafínicos, nafténicos y aromáticos, siendo los primeros iso que se encuentran en mayor proporción (60 – 70%) por tener las mejores propiedades lubricantes, pero siempre hay compuestos nafténicos y aromáticos que aportan propiedades que no tienen las parafinas (comportamiento a bajas temperaturas, poder disolvente, etc.)

Características especiales que las diferencian de las bases minerales, como son:

Mejores propiedades lubricantes Mayor índice de viscosidad Mayor fluidez a baja temperatura Mayor estabilidad térmica y a la oxidación Menor volatilidad

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LOS LUBRICANTE

Los lubricantes son sustancias que se componen de aceite base y de una serie de aditivos que potencian o confieren las propiedades que el aceite base por si solo no es capaz de alcanzar. A continuación vamos a ver algunas de esas propiedades.

1. VISCOSIDAD

Es la propiedad fundamental y más importante de un lubricante líquido. Se puede definir como su resistencia a fluir o lo que es lo mismo, la medida del rozamiento de sus moléculas.

No hay que confundir términos de untuosidad ó densidad con viscosidad. La untuosidad es la adherencia de las partículas a las superficies metálicas, incluso en posición vertical. Debido a la untuosidad, las superficies metálicas permanecen con una capa fina de lubricante incluso tras largo tiempo después de haber sido aportado el lubricante. La densidad es el peso de una materia en relación al volumen que ocupa. No aporta ninguna propiedad funcional a los lubricantes.

La viscosidad en un fluido depende de la presión y de la temperatura:

Al aumentar la temperatura disminuye la viscosidad. Al aumentar la presión aumenta la viscosidad.

La medida de la variación de la viscosidad con la temperatura es el índice de viscosidad. A mayor índice de viscosidad, mayor resistencia del fluido a variar su viscosidad con la temperatura. El índice de viscosidad se mejora con los aditivos mejoradores del índice de viscosidad.

2. DIFERENTES MEDIDAS DE ESCALA DE VISCOSIDAD

Existen varias escalas para medir la viscosidad de un fluido. Las más usadas son la SAE y la ISO. En las siguientes páginas podemos ver tres tipos de escalas.

Escalas en grado SAE para aceites motor. Escalas en grado SAE para aceites de engranajes Escalas en grados ISO para aceites hidráulicos ó industriales

Como podemos comprobar existe una correlación de equivalencia entre las distantes escalas. La primera de ellas es aplicable para aceites motores, y la segunda para engranajes. Esta diferenciación fue realizada para evitar posibles equivocaciones en la aplicación de un producto u otro lo que podría motivar la destrucción de la maquinaria. Una tercera escala, la ISO se aplica a los aceites industriales.

La Escala en grado SAE se toma a la temperatura de 100° C.

La Escala en grados ISO se toma a la temperatura de 40° C.

Ambas se expresan en CENTISTOKES (CST

.

CLASIFICACIÓN DEL SAE

Este es un sistema de clasificación basado pura y exclusivamente en la viscosidad del producto terminado, excluyendo de dicha clasificación otras consideradas de calidad o performance en su comportamiento.

Esta clasificación fue desarrollada por la Society of Automotive Engimeers y establece una serie de números como por ej. SAE 20, 30 5W40; 15W40, que relacionan las viscosidades máximas permitidas que garantizan una buena distribución de caudal o irrigación al motor conjuntamente con un buen comportamiento de la bomba de aceite en el momento del arranque; como así también la formación de una película mínima del lubricante en las zonas de altas temperaturas para evitar de este manera un desgaste prematura y excesiva en las distintas partes del motor.

3. ACEITES MULTIGRADO Y MONOGRADO

Como hemos visto, los aceites tienen la característica de modificar su viscosidad con la temperatura, siendo el índice de viscosidad el parámetro que mide la resistencia del fluido a modificarla.

Un aceite monogrado presenta un comportamiento correcto en unas concretas y limitadas condiciones de temperatura ambiente, dependiendo de su grado SAE. Así los aceites acompañados de la sigla W aseguran un comportamiento determinado en frío lo cual los hace aptos para funcionar en invierno, los que no presentan la sigla W no garantizan un buen comportamiento en frío, por lo que solo son recomendables para verano.

Un aceite multigrado parte de un aceite tipo W al cual se le añaden mejoradores del índice de viscosidad. De esta forma se asegura el comportamiento en frío del aceite, pero al aumentar la temperatura la estabilización de la viscosidad debida a la adivinación permitirá al 10 aceite comportarse como un fluido de verano, garantizando la correcta lubricación. Así, un aceite multigrado de grado SAE 15W40, se comportará en frío como un SAE 15 W con la consiguiente facilidad para ser bombeado y garantizar una correcta lubricación desde el arranque, pero al aumentar la temperatura del aceite este actuará como un SAE 40 garantizando una viscosidad adecuada a alta temperatura y una película lubricante estable.

INDICE DE VISCOSIDAD (I.V)

Es un valor que representa la variación de la viscosidad de un lubricante con la temperatura. Este valor será tanto MAYOR cuanto MENOR sea dicha variación.

Para determinar este índice se compara la viscosidad del aceite en estudio con la de otros aceites tomados como referencia. Estos aceites se aceites tomados como referencia. Estos aceites se denominan: denominan:

ACEITE H: Es un aceite parafinico standard, presenta escasa variación de viscosidad con la temperatura su índice de viscosidad se fija en 100 grados.

ACEITE L: Es un aceite naftalenico standard, presenta gran variación de viscosidad con la temperatura. Su índice de viscosidad se fija en 0 grados.

CALCULO DEL INDICE DE VISCOSIDAD

En el viscosímetro Standard Saybolt Universal se mide la viscosidad (cinemática, γ = µ / δ) del aceite en estudio a 38°C (u) a 99°C (x).

Suponiendo que los aceites comparados H y L tuvieran sus viscosidades a 99 grados centígrados iguales a las del aceite en estudio a la misma temperatura sus viscosidades respectivas a 38 grados centígrados seria los que se obtienen en las tablas.

Con este valor (el de viscosidad a 99°C) se busca en tabla la viscosidad de H y L a 38°C, así, con estos datos se calcula el I.V. mediante la expresión datos se calcula el I.V. mediante la expresión empírica de Deán y Davis

I.V= (L – u) / (L – H) (todas a 38°C)

DIFERENCIA ENTRE GRADO E INDICE DE VISCOSIDAD

La viscosidad de un lubricante es la resistencia entre capas adyacentes de fluido a fluir entre un esfuerzo de corte, la cual viene dada por la forma de newton σ = µ. (δ v / δn). El grado de viscosidad del lubricante se determina ensayando mediante el viscosímetro.

El índice de viscosidad es una relación entre dos ensayos de viscosímetros de 100°F y 210°F que se calcula mediante el grafico de dean y Davis cuando mayor sea el índice de viscosidad de un aceite más estable serán las variaciones de temperatura.

El índice de viscosidad es:

I.V= L−UL−H

TIPOS DE VISCOSIDAD

Viscosidad dinámica. Se puede definir o medir por el tiempo en que un líquido tarda en fluir a través de un tubo capilar a una determinada temperatura. Su unidad es el centiPoise (cP=103Pa.s). Es muy utilizada en fines prácticos.

Viscosidad cinemática: Representa la característica propia del líquido desechando las fuerzas que generan su movimiento. Se define como el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad del producto en cuestión. Su unidad es el centiStoke (cSt=mm2/s )

Viscosidad Cinemática (cSt) = Viscosidad Absoluta /Densidad

VISCOSIDAD SAE

El nombre de esta escala proviene de la "Society of Automotive Engineers" que es una organización educativa y científica dedicada a la tecnología de la movilidad. Debido a su procedencia, es una medida para lubricantes de

automoción y sirve de referencia en todo el mundo. Se designa mediante un número, el cual indica un intervalo de viscosidades (tablas).Así, por ejemplo, un lubricante SAE 20 poseerá una viscosidad comprendida entre 5,6 y 9,3 centiStokes a una temperatura de 99"C. Esta clasificación se divide en aceites para el motor, donde tenemos SAE 0W, 5W, 10W, 15W, 20W , 25W , 20, 30,40, 50 y 60, y por otra parte en aceites para engranajes, que englobaría SAE 70W, 75W, 80W, 85W, 80, 85, 90, 1 40,250

Si observamos el ejemplo anterior, nos habremos dado cuenta que los valores de viscosidad en grados SAE están medidos a 99 grados, pero alguna designación va acompañada la letra W (winter) lo que asegura que el aceite tendrá un buen comportamiento en frío. Cuando esta letra no aparece, debemos entender que no aseguran un correcto comportamiento a bajas temperaturas. Por consiguiente, si lo empleásemos en un motor, deberíamos hacerlo en épocas con clima cálido, como es el verano. Estos lubricantes que acabamos de ver reciben el nombre de aceites monogrado. Existen también los aceites multigrado. Provienen de un aceite con características "W", al cual se le añaden aditivos que mejoran el "índice de viscosidad". Con esto logramos un lubricante polivalente, el cual asegura el comportamiento del fluido a bajas temperaturas, pero cuando éstas ascienden el lubricante pasa a comportarse como un aceite de verano.

Para afianzar conceptos pondremos un ejemplo: si tenemos un lubricante cuya designación es SAE 20W-50, estaremos empleando un fluido que a temperaturas bajas (-18C ó 0F) poseerá las características de un SAE 2OW, pero cuando la temperatura alcance los 99C ó 210F el aceite se estará comportando como un SAE 50. De esta forma aseguraremos en todo momento una lubricación adecuada. Esto sucede habitualmente todos los vehículos, ya que cuando se arranca el motor se encuentra a bajas temperaturas, sin embargo debido a su funcionamiento la temperatura va aumentando

progresivamente. Esta ventaja que ofrecen los aceites multigrados no es la única, sino que al compararlos con los monogrado presentan mejores comportamientos cuando existen gradientes acentuados de temperatura, permaneciendo estables y evitando descomponerse. Esto puede suceder en el interior del motor de un vehículo, ya que durante su funcionamiento el aceite que se encuentra en el carter poseerá una temperatura aproximada a de 85C. Por el contrario el que se encuentra próximo a las zonas de combustión puede alcanzar los 300C

VISCOSIDAD ISO

La escala ISO es aplicable a aceites industriales. Suele definirse por ISO VG, cuyas siglas significan " lnternation al Standard Organization"Viscosity Grade”

La viscosidad en este sistema de clasificación, se divide en 18 grupos (tabla 5/, que abarcan desde los 2 hasta los 1500 centistokes, medida a 4OC. Gracias a este intervalo se engloban desde los aceites más finos (valvulinas) hasta los más espesos

RELACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA TEMPERATURA

La diferencia de la temperatura en la viscosidad es diferente para los líquidos que para los gases mientras que un aumento de temperatura en un líquido provoca una disminución de la viscosidad en los gases produce un aumento de la misma debido a que con el calentamiento crea el movimiento de las moléculas y produce un mayor número de choques entre ellas.

La variación de la viscosidad con la temperatura en los líquidos corresponde a ecuaciones tipo de:

Donde A,B,C son constantes de cada liquido y T es la temperatura

En la practica muchas veces se presenta el comporatmiento de un liquido en esacala bilogaritmica

ESCALA BILOGARITMICA

VENTAJAS DE UN ACEITE MULTIGRADO SOBRE UN MONOGRADO

Las ventajas son las siguientes:

Arranque más rápido del motor en frío. Se obtiene así menor desgaste del motor en sí, y también una mayor vida útil de la batería y del motor de arranque. Esto se comprueba no solamente en climas fríos rigurosos, sino también a temperaturas ambiente moderadas como 20°C. La diferencia entre un multigrado y un monogrado en estos casos es notoria. Permite lograr la lubricación adecuada en la mitad del tiempo que un monogrado.

Los multigrado eliminan la necesidad de cambios estacionales del aceite (por ejemplo: SAE 30 en invierno y SAE 40 en verano).

Mejores prestaciones para el trabajo a muy bajas temperaturas: los huelgos (o "juegos") en los motores modernos son cada vez menores, entonces el aceite debe fluir más rápidamente para llegar a las piezas vitales del motor, especialmente la lubricación del turbocompresor y el árbol de levas a la cabeza.

También se comportan mucho mejor a altas temperaturas, con una película lubricante más resistente fente a las altas cargas mecánicas, y esto se refleja en una disminución del desgaste general del motor.

Existe una disminución importante en el consumo de lubricante, ya que se logra un excelente sellado en la zona entre anillos y ranuras de pistón. Por allí se produce el mayor pasaje de aceite hacia la cámara de combustión, donde se quema tras lubricar al anillo superior (también llamado anillo de fuego).

Disminuye la temperatura de trabajo de todo el motor cuando eroga alta potenciaEl multigrado es un aceite diseñado para fluír mucho más rápidamente por todo el circuito de lubricación y colabora mucho más eficientemente en la REFRIGERACION de todos sus componentes- A igualdad de condiciones de trabajo, al pasar de un SAE 40 a un SAE 15W- 40 la temperatura de carter baja entre 10 y 30°C- Esto es vital para prolongar la vida del motor.

Otro beneficio es el ahorro de combustible por las siguientes razones:

1) su mayor fluidez a temperaturas bajas reduce las pérdidas de energía en el arranque.

2) su mayor capacidad para reducir la fricción en las zonas calientes y críticas del motor (anillos de pistón, camisas y balancines de válvulas), gracias al comportamiento elástico de sus Aditivos Mejoradores del Indice de Viscosidad.