INTRODUCCIÓN

En el campo de la ingeniera día a día es necesario conocer más de cada uno de los diferentes temas estudiados. En esta oportunidad tuvimos a nuestro alcance un viscosímetro Brookfield con el fin de medir la viscosidad de un aceite cuatro tiempos a diferentes temperaturas. Este tipo de prácticas enriquecen nuestro conocimiento abundantemente dado que es un tema muy extenso y necesario en muchos campos de nuestra carrera, ¿cómo determinar si un fluido puede usarse como lubricante? ¿Cómo conocer un índice de viscosidad? ¿Cómo saber si un fluido es más espeso que otro? Estas preguntas tuvieron respuesta con la práctica realizada.

Conociendo que la viscosidad es una magnitud que representa la "resistencia a fluir" o densidad de un fluido y que a mayor viscosidad, más espeso es el fluido; y a menor viscosidad, es menos espeso podemos obtener conclusiones claras sobre las preguntas planteadas anteriormente. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad, que se puede medir con un viscosímetro brookfield que determinan la fuerza requerida para rotar un disco o lentejuela en un fluido a una velocidad conocida. La viscosidad de los líquidos aumenta exponencialmente con la presión y aumenta al descender la temperatura esto porque la temperatura ejerce efecto directo sobre la densidad del líquido de la cual depende la viscosidad del mismo. 

Luego de conocer el grado de viscosidad de un fluido podemos concluir cuál es su peso molecular y demás datos sobre una sustancia desconocida, también podemos hallar cuanto afectan los cambios de temperatura a un fluido estudiado. El conocer la viscosidad de un fluido nos ayuda a darle un mejor uso y a lograr un completo aprovechamiento del mismo.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Medir la viscosidad absoluta o dinámica de un fluido a diferentes temperaturas, mediante el viscosímetro de rotación tipo brookfield.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Visualizar la propiedad fundamental de los fluidos, de deformarse continuamente bajo un esfuerzo cortante.

Observar como varia la viscosidad de un fluido con respecto a la temperatura. Analizar como varia la viscosidad del fluido al aumentar la temperatura

ambiente. Aprender a manejar el viscosímetro de rotación tipo brookfield con destreza así

como el termóstato.

MARCO TEÓRICO

Fluido

Un fluido es cualquier cosa que pueda derramarse si no está en un recipiente Si lo puedes revolver con una cuchara, o absorber con una pajita, entonces es un fluido. El agua es un fluido, y también lo es el aire. De hecho, todos los líquidos y gases son fluidos. Las moléculas de un sólido están unidas, pero en un fluido, las moléculas están libres y pueden pasar una junto a la otra. De manera que si tuvieras manos muy pequeñas, podrías empujar a la molécula de un fluido en una dirección y a otra en dirección opuesta, ambas se moverían en la dirección hacia donde las empujas. Dinámica de fluidos, (también conocida como mecánica de fluidos), es la ciencia que estudia los movimientos de un fluido. Al movimiento de los fluidos se le conoce como, fluir.

La viscosidad

La viscosidad es una magnitud que representa la "resistencia a fluir" o densidad de un fluido. A mayor viscosidad, más espeso es el fluido; y a menor viscosidad, menos espeso. Es lo opuesto de fluidez; puede definirse de modo simplificado, como la mayor o menor resistencia que ofrece un líquido para fluir libremente. Todos los líquidos poseen algo de viscosidad.

En términos generales la viscosidad de un líquido es independiente de su densidad o gravedad específica, pero si depende de la temperatura a que se encuentre, siendo inversamente proporcional a esta. La fuerza con la que una capa de fluido en movimiento arrastra consigo a las capas adyacentes de fluido determina su viscosidad. De ahí que los fluidos de alta viscosidad presentan resistencia al fluir, mientras que los de baja viscosidad fluyen con más facilidad.

o Viscosidad dinámica: Representa la medida por el tiempo en que tarda en fluir a través de un tubo capilar a una determinada temperatura. Sus unidades son el poise o centipoise (gr/Seg Cm), siendo muy utilizada a fines prácticos. Es decir, es inherente a cada líquido en particular pues depende de su masa.

o Viscosidad cinemática: Representa la característica propia del líquido desechando las fuerzas que genera su movimiento, obteniéndose a través del cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad del producto en cuestión. Su unidad es el stoke o centistoke (cm2/seg). La densidad relativa, también denominada gravedad específica, es una comparación de la densidad de una sustancia con la densidad del agua.

El viscosímetro

Un viscosímetro 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 un coeficiente de viscosidad.

Para esta experiencia utilizamos un viscosímetro Brookfield, este tipo de viscosímetro utiliza el conocido principio de la viscosimetria rotacional; miden la viscosidad captando el par de torsión necesario para hacer girar a velocidad constante un husillo inmerso en la muestra de fluido. El par de torsión es proporcional a la resistencia viscosa sobre el eje sumergido, y en consecuencia, a la viscosidad del fluido.

• Son de fácil manejo e instalación, sin necesidad de un alto grado de conocimientos operativos.

• De gran versatilidad, cuentan con una amplia gama de viscosidades

Este instrumento ofrece unas características sofisticadas: su pantalla digital de fácil lectura permite disponer cómodamente de datos en % ( Brookfield), convertible fácilmente en unidades cPs y en una señal de salida de 0 a 10 mV o de 0 a 1V para su conexión a un registrador de papel continuo. La capacidad de realizar un registro constante de la viscosidad potencia enormemente la función del viscosímetro

BALANZA ANALÍTICA DE PRECISIÓN: La balanza analítica es uno de los instrumentos de medida más usados en laboratorio y de la cual dependen básicamente todos los resultados analíticos. Las balanzas analíticas modernas, que pueden ofrecer valores de precisión de lectura de 0,1 µg a 0,1 mg, están

bastante desarrolladas de manera que no es necesaria la utilización de cuartos especiales para la medida del peso. Aun así, el simple empleo de circuitos electrónicos no elimina las interacciones del sistema con el ambiente. De estos, los efectos físicos son los más importantes porque no pueden ser suprimidos.

VASO DE PRECIPITADO:

El vaso de precipitado es un material de laboratorio que se utiliza para contener líquidos o sustancias, para así poder disolverlas, calentarlas, enfriarlas, etc...

Se pueden encontrar vasos precipitados de diferentes volúmenes (desde 1ml hasta varios litros), el vaso de precipitado suele usarse en operaciones de laboratorio donde no se necesite la medida exacta del volumen del líquido.

HORNO MUFLA

Una mufla es un tipo de horno que puede alcanzar temperaturas muy altas para cumplir con los diferentes procesos que requieren este tipo de

característica dentro de los laboratorios.

Las muflas han sido diseñadas para una gran variedad de aplicaciones dentro de un laboratorio y pueden realizar trabajos como: procesos de control, tratamientos térmicos y secado de precipitados.

TERMOMETRO INFRAROJO:

Es un medidor de temperatura de una porción de superficie de un objeto a partir de la emisión de luz del tipo cuerpo negro que produce. A este tipo de termómetro a veces se le denomina erróneamente termómetro láser, ya que suele utilizar la asistencia de un láser, aunque es simplemente para apuntar mejor hacia el lugar de medición (como en ciertas miras de rifles), no para hacer la medida.

INSTRUMENTOS

Viscosímetro de rotación tipo brookfield Balanza analítica de precisión. Vaso de precipitado de 1000 c.c. Vaso de precipitado de 100 c.c. Muestra problema con su respectiva ficha técnica. Horno mufla. Termómetros con sus respectivas termocuplas.

PROCEDIMIENTO

Primero que todo pesamos la probeta de 100 ml vacía en la balanza analítica de precisión

luego es llenada con 100 ml de aceite y la volvemos a pesar dicha probeta pero en este caso llena de aceite con el fin de hallar la densidad.

Antes de ser introducida al horno tomamos la temperatura del aceite por medio del termómetro infrarrojo.

Luego procedemos a encender el horno mufla controlando la temperatura por varios sensores con el fin de que no ocurra ningún accidente.

En un vaso precipitado vaciamos 600 ml de aceite el cual va a ser introducido en el horno mufla hasta alcanzar una temperatura de 100 °C aproximadamente.

Luego, procedemos a llevar la muestra al horno mufla de una temperatura de 28,1°C a 100°C

Al alcanzar dicha temperatura preparamos el viscosímetro el cual trabaja por rotación por medio de osillos de diferentes tamaños, generalmente los de mayor plato se utilizan en fluidos muy viscosos y en flujos delgados osillos pequeños.

Tomamos el primer dato de viscosidad a 100° y esperemos que exista un descenso de temperatura a 90, 80, 70, 60, 50 y 40, tomando el dato de la viscosidad en cada una de estas temperaturas.

DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO

El equipo registra viscosidad dinámica y la unidad de este es en centipoises.

1 poise = gr * masa/cm * s = Dina * s/cm2 = 0.01019 Kg * s/m2 ; en el sistema internacional esta viscosidad se mide en Pa * s.

TEMPERATURA °C VISCOSIDAD (CP) VISCOSIDAD (PA/S)28 374,4 0,3744100 55,2 0,055290 62 0,062080 77,6 0,077670 96,8 0,096860 113,6 0,113650 150,4 0,150440 187,6 0,1876

GRAFICA VISCOSIDAD DINÁMICA VS TEMPERATURA

30 40 50 60 70 80 90 100 1100

0.020.040.060.080.10.120.140.160.180.2

VISCOSIDAD DINAMICA VS TEMPERATURA

TEMPERATURA

VISC

OSI

DAD

CIN

EMAT

ICA

VISCOSIDAD CINEMATICA

V= μρ

V= viscosidad cinemática

µ= viscosidad dinámica o absoluta

ρ= densidad del fluido

-Sabiendo que densidad es igual a:

ρ=mv

m1= peso de la probeta vacía de 100mm 109.5gr 0.1095 kg

m2= peso de la probeta llena 195.504 gr 0.195504 kg

m= peso del fluido (aceite) m= m1- m2 = 0.195504 - 0.1095m= 0.086004 kg

v= 100 ml 0.0001m³

ρ=mv

=0.086004 kg0.0001m3

=860.04 kg /m3

Ahora procedemos a hallar la viscosidad cinemática.

V= μρ=0,0552 pasc . s

860.04 kg=6.41 x 10−5m2/ s

V= μρ=0,0620 pasc . s

860.04 kg=7.21 x 10−5m2/s

V= μρ=0,0776 pasc . s

860.04kg=9.02 x10−5m2/s

V= μρ=0,0968 pasc . s

860.04 kg=1.12 x 210−4m2/s

V= μρ=0,1136 pasc . s

860.04 kg=1.32 x10−4m2/s

V= μρ=0,1504 pasc . s

860.04 kg=1.75 x10−4m2/s

V= μρ=0,1876 pasc . s

860.04kg=2.18 x10−4m2/ s

TEMPERATURA (°C ) VISCOSIDAD CINEMATICA100 6.41 x10−5

90 7.21 x10−5

80 9.02 x10−5

70 1.12 x10−4

60 1.32 x10−4

50 1.75 x10−4

40 2.18 x10−4

GRAFICA DE VISCOSIDAD CINEMÁTICA VS TEMPERATURA

30 40 50 60 70 80 90 100 1100

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

VISCOSIDAD CINEMATICA VS TEMPERATURA

TEMPERATURA

VISC

OSI

DAD

CIN

EMAT

ICA

Analizando Las gráficas de viscosidad dinámica y cinemática vs temperatura se pudo identificar ciertas características propias de esta propiedad de los fluidos en este caso del aceite para motor (Valvoline 20w-50), la más relevante fue la disminución gradual de la viscosidad al aplicarle una temperatura determinada bajo rangos de periodos de tiempo. Con lo que pudimos concluir que mediante mayor es la temperatura menor va a hacer la viscosidad en los fluidos y viceversa, cosa que lo comprobamos por medio de las gráficas anteriores pues la viscosidad cinemática tiene el mismo comportamiento que la dinámica en los fluidos.

OTROS MÉTODOS DE MEDIR VISCOSIDAD:

VISCOSÍMETRO UNIVERSAL DE 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.

VISCOSÍMETROS CAPILARES: 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. Los tipos de viscosímetros capilares y sus modos de operación son:

Viscosímetros de capilar de vidrio: El fluido pasa a través de un orificio de diámetro fijo bajo la influencia de la gravedad. La velocidad de corte es menos de 10 s-1.

Viscosímetros capilares de alta presión: Aplicando un gas a presión, se fuerza a un volumen determinado del fluido a pasar a través de un capilar de vidrio de pequeño diámetro. La velocidad de corte se puede variar hasta 106 s-1.

VISCOSÍMETROS ROTATORIOS: Usan el torque de un eje rotatorio para medir la resistencia al flujo del fluido. El Simulador de Cigüeñal Frío (CCS), el mini-viscosímetro rotatorio (MRV), el viscosímetro Brookfield y el Simulador de Cojinete Cónico (TBS) son viscosímetros rotatorios. La velocidad de corte se puede cambiar modificando las dimensiones del rotor, el espacio entre el rotor y la pared del estator, y la velocidad de rotación.

SIMULADOR DE CIGÜEÑAL FRÍO: El CCS mide la viscosidad aparente en el rango de 500 a 200.000 cP. Los rangos de velocidades de corte van entre 104 y 105 s-1. El rango normal de temperaturas de operación está entre 0 a -40 ºC.

MINI-VISCOSÍMETRO ROTATORIO (ASTM D 4684): La prueba con el MRV, que está relacionado con el mecanismo de bombeo, es una medición a baja velocidad de corte. La baja velocidad de enfriamiento es la característica clave del método. Se trata una muestra para que tenga una historia térmica que incluya ciclos de calentamiento, enfriamiento lento y remojado. El MRV mide

una aparente tensión admisible, la cual, si es más grande que el valor umbral, indica un posible problema de bombeo por mezcla con aire.

SIMULADOR DE COJINETE CÓNICO: Esta técnica también mide viscosidades a altas temperaturas y velocidades de corte. Se obtienen altas velocidades de corte usando distancias extremadamente pequeñas entre las paredes del rotor y estator.

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 antidesgaste, propiedades anticorrosivas, etc.

TABLA SAE DE LA VISCOSIDAD DE ACEITES PARA TRANSMISIÓN:

Grado de viscosidad SAE

Viscosidad centistokes a 100ºC Temperatura máxima para viscosidad de 150.000 Cp

min. máx.

70W 4.1 - -55ºC75W 4.1 - -40ºC

80W 7 - -26ºC85W 11 - -12ºC90 13.5 <24 -140 24 <41 -250 41 - -

CLASIFICACIÓN SAE DE VISCOSIDAD DE ACEITES PARA MOTOR

(SAE J306, DIC 96):

Grado de Viscosidad SAE

Viscosidad a bajas temperaturas

Viscosidad a altas temperaturas

Arranque

Bombeo Viscosidad cinemática

(cP) (cP) (cst) a 100ºC

(cSt) a 100ºC

HTHS          a 150ºC (cp)

Min Max Min Max0W 6200 a -

3560 000 a -35

3,8 -

5W 6600 a -30

60 000 a -30

3,8 -

10W 7000 a -25

60 000 a -25

4,1 -

15W 7000 a -20

60 000 a -20

5,6 -

20W 9500 a –15

60 000 a -15

5,6 -

25W 1300 a -10

60 000 a -10

9,3 -

20 - - 5,6 <9,3 2,630 - - 9,3 <12,5 2,940 - - 12,5 <16,3 3,750 - - 16,3 <21,9 3,760 - - 21,9 26,1 3,7

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.

ÍNDICE DE VISCOSIDAD

Los cambios de temperatura afectan a la viscosidad del lubricante generando así mismo cambios en ésta, lo que implica que a altas temperaturas la viscosidad decrece y a bajas temperaturas aumenta. Arbitrariamente se tomaron diferentes tipos de aceite y se midió su viscosidad a 40*C y 100*C, al aceite que sufrió menos cambios en la misma se le asignó el valor 100 de índice de viscosidad y al que varió en mayor proporción se le asignó valor 0 (cero) de índice de viscosidad. Luego con el avance en el diseño de los aditivos mejoradores del índice de viscosidad se logró formular lubricantes con índices mayores a 100.

ANEXOS

FIGURA 1: El aceite utilizado en el laboratorio (Valvoline 20w-50)

FIGURA 2: Horno mufla

FIGURA 3: Sacando la muestra del horno mufla donde aumento su temperatura

FIGURA 4: Viscocimetro

FIGURA 5: Vicosimetro midiendo la viscosidad del aceite

FIGURA 6: Tomando las diferentes temperaturas de la muestra con el termómetro infrarrojo, mientras que la vamos enfriando.

VALVOLINE 20W-50

ACEITE VR1 RACING 20W-50Aceite de motor mineral de primera calidad para turismos – Ofrece el mayor rendimiento en motores de gasolina (turbo) de turismos y coches de competición.

APLICACIONES

Para un rendimiento máximo en motores de gasolina con y sin turbo de turismos y coches de competición.

Tiene más reservas para resistir condiciones de trabajo extremas durante rallies y carreras.

Indicado para la conducción diaria en la ciudad y carreteras.

Asimismo indicado para algunos modelos de moto de Harley Davidson*.

Características y ventajas

Rendimiento óptimo

Exclusiva fórmula química probada en carreras para reducir la fricción interna y aumentar la potencia.

Resistencia a averías

Mayor estabilidad térmica y oxidativa impide fallos del aceite.

Protección antidesgaste

Paquetes de aditivos de cinc para ofrecer una fuerte protección antidesgaste.

Protección en condiciones extremas

Fórmula química exclusiva probada en carreras para una mayor potencia a altas temperaturas. Formulado con mejor sistema anti espuma para una protección superior a

altas revoluciones.

Limpieza del motor

Mantiene el motor limpio y en un buen estado.

Propiedades típicas

Las propiedades típicas del producto dependen de la producción actual. Aunque la producción futura se haga de conformidad con las especificaciones de Valvoline™, puede que se produzcan variaciones en dichas propiedades.

CONCLUSIONES

En este ensayo deducimos que a mayor temperatura, menor viscosidad.

Los líquidos con viscosidades bajas fluyen fácilmente y cuando la viscosidad es elevada el líquido no fluye con mucha facilidad.

La viscosidad y la densidad de las soluciones que se estudian van a depender de las concentraciones que tengan dichas soluciones.

Al analizar los datos tomados en el laboratorio, pudimos observar que es un aceite con una viscosidad relativamente alta en comparación con los otros aceites.

Para finalizar este informe, se deja claro que la viscosidad es una importante propiedad de los fluidos, ya que al medirla observamos que tan fluido es nuestro líquido y en qué casos podemos utilizarlo.

BIBLIOGRAFIA

SOTELO AVILA Gilberto. Hidráulica General.

RODRIGUEZ DIAZ, Héctor Alfonso, hidráulica Experimental Escuela Colombiana de Ingeniería.

VEN TE CHOW, Hidráulica de canales objetos. Editorial Mc Graw Hill.

MATAIX, Claudio, mecánica de fluidos y maquinas hidráulicas. Editorial María, segunda edición.

ROBERT L. MOTT. Mecánica de fluidos aplicado. Editorial Prentice May.

https://www.google.com.co/

https://www.buenastareas.com/

https://www.wikipedia.com.co/

RECOMENDACIÓN

Tratar de mantener la temperatura constante cuando se trabaja con el viscosímetro de rotación tipo brookfiel, para la determinación de las viscosidades del aceite.

Se recomienda que una sola persona se encargue de medir la temperatura con el termómetro de infrarrojo

Es fundamental que el viscosímetro se encuentre limpio y seco para evitar la aparición de burbujas.

Manipular de manera adecuada los implementos utilizados en el laboratorio para evitar posibles accidentes.