Viscosidad de fluidos LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: MOMENTUM.

 VISCOSIDAD DE FLUIDOS Y MOVIMIENTO DE PARTÍCULAS

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS: MOMENTUM.

Profesor:

Universidad pontificia bolivariana

Escuela de ingeniería

Facultad ingeniería química

Medellín

02/08/2016

OBJETIVOS

• Conocer y utilizar varios métodos para medir la viscosidad de líquidos Newtonianos.
• Determinar la viscosidad de un fluido empleando un viscosímetro capilar Cannon-Fenske y un viscosímetro rotacional Haake.  
• Estudiar el movimiento de partículas sólidas sumergidas en fluidos viscosos incompresibles.
• Determinar experimentalmente la velocidad terminal para su posterior comparación con la obtenida teóricamente.

MARCO TEÓRICO

1. Viscosidad: La viscosidad de un fluido indica el movimiento relativo entre sus moléculas, debido a la fricción o rozamiento entre las mismas y se puede definir como la propiedad que determina la cantidad de resistencia opuesta a las fuerzas cortantes. Esta propiedad es la responsable por la resistencia a la deformación de los fluidos. Su conocimiento es indispensable en el ámbito industrial, como para el diseño de equipos de procesos empleados para el transporte de fluidos, como parámetro de calidad, etc.

Con el objetivo de conocer la viscosidad de fluidos newtonianos (Glicerina anhídrida, Glicerina a diferentes concentraciones y Etanol), se emplearon tres diferentes viscosímetros: viscosímetro capilar Cannon-Fenske, viscosímetro rotacional Haake y viscosímetro de Copas Ford. Así se podrá emplear un análisis comparativo de los diferentes resultados de la viscosidad de los fluidos problema.

Newton formuló una ley que explica el comportamiento de la viscosidad en los fluidos que se mueven en trayectorias rectas o paralelas. Esta ley indica que el esfuerzo de corte de un fluido, es proporcional a la viscosidad para una rapidez de deformación angular dada.

Para precisiones ordinarias, la viscosidad es independiente de la presión y depende únicamente de la temperatura. Para presiones muy grandes, los gases y la mayoría de líquidos muestran variaciones erráticas de la viscosidad con la presión.

Las dimensiones de la viscosidad se determinan utilizando la ley de viscosidad de Newton. Resolviendo para la viscosidad .[pic 1]

[pic 2]

Donde,  es la medida del movimiento de una capa del fluido con respecto a la capa adyacente para la transferencia de moléculas y  es el esfuerzo cortante. [pic 3][pic 4]

Insertando las dimensiones F, L y T para fuerza, longitud y tiempo respectivamente en la ecuación 1:

[pic 5]

La ecuación anterior muestra que  tiene dimensiones [pic 6][pic 7]

La unidad de viscosidad del SI, newton- segundo por metro cuadrado ) o kilogramo por metro-segundo ). La unidad de viscosidad USC es . Una unidad común de viscosidad en el sistema cgs, se conoce como el poise (P); este es .[pic 8][pic 9][pic 10][pic 11]

Viscosidad cinemática: La viscosidad cinemática es la relación de la viscosidad absoluta con la densidad de masa[pic 12]

[pic 13]

Las dimensiones de  son . La unidad SI de viscosidad cinemática es  y la unidad USC es . La unidad cgs, llamada el Stoke (St) es .[pic 14][pic 15][pic 16][pic 17][pic 18]

1. Movimiento de partículas: Los procesos de separación de partículas dependen del comportamiento de estas cuando están sometidas a la acción de un fluido en movimiento. Sea el sólido o el fluido quien se encuentre en reposo, se le da importancia a la velocidad relativa entre estas. Normalmente se estudian las fuerzas ejercidas sobre un cuerpo como resultado del movimiento de un fluido alrededor de él, considerando los casos de partículas esféricas sólidas y de las no esféricas, moviéndose en primer lugar con velocidad constante y en segundo lugar con movimiento acelerado.

Sobre las partículas que se desplazan en los fluidos se aplican tres fuerzas: Fuerza de gravedad, fuerza de flotación y fuerza de fricción. Cuando la partícula es depositada en reposo sobre el fluido, la fuerza de fricción tiende a cero y la aceleración es máxima. A medida que la velocidad y la fuerza de fricción aumenta, provoca una disminución en la aceleración; en este punto se obtiene el estado estable y la partícula alcanza la velocidad terminal.

De acuerdo a la magnitud de la velocidad de la partícula, esta puede desplazarse en el fluido en régimen laminar o turbulento. La velocidad terminal queda definida según la siguiente expresión:

[pic 19]

Donde:

: Velocidad máxima de caída o velocidad terminal.[pic 20]

: Densidad del sólido.[pic 21]

: Densidad del líquido.[pic 22]

g: Aceleración de la gravedad.

µ: viscosidad dinámica

Esfericidad: Las partículas esféricas tienen la ventaja de ofrecer siempre la misma superficie de flujo, independiente de a orientación; caso contrario sucede en las no esféricas, que si están en función de la orientación. La comparación de distintas formas geométricas, se ha logrado mediante un parámetro denominado coeficiente de esfericidad el cual suele ser representado mediante el símbolo  y se define como[pic 23]

[pic 24]

Existe una forma aproximada de calcular el valor de la esfericidad, utilizando la siguiente ecuación

[pic 25]

V: volumen de la partícula

A: Área superficial de la partícula

DATOS Y RESULTADOS

1. Viscosidad: A continuación, se presenta el modelo para los cálculos relacionados con la viscosidad:

Para determinar la viscosidad de Glicerina anhídrida, Etanol y Glicerina al 100% mediante viscosímetro Cannon-Fenske se llena el viscosímetro, a temperatura ambiente, colocándolo invertido en posición vertical y con el extremo de la rama con los bulbos sumergido en el líquido muestra. En la posición indicada, se succiona por la otra rama hasta que la muestre llene los dos bulbos y llegue exactamente hasta la marca de aforo inferior. Una vez lleno el viscosímetro, se vuelve a su posición normal y el líquido descenderá a la bola inferior. Posteriormente se deja el viscosímetro dentro de un baño termostático, de modo que quede sumergido todo el bulbo superior. Se espera aproximadamente 15 minutos para que el conjunto alcance la temperatura del baño.

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