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Resumen

Viscosímetro

Un viscosímetro es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos otros parámetros de flujo de un fluido cómo la velocidad y el esfuerzo de corte.

La viscosidad depende en gran parte de las condiciones ambientales tales como la temperatura y la presión. La medida de la viscosidad ha ido más allá del campo de la investigación e incluso del laboratorio, entrando progresivamente en el campo del control industrial.

La viscosidad es la oposición de un fluido ante el movimiento, los fluidos que no tienen viscosidad son llamados con frecuencia fluidos reales, todos los fluidos presentan rangos de viscosidad, aunque sean muy pequeños; la viscosidad está presente en cualquier líquido que presente movimiento.

La viscosidad es importante en la industria alimentaria, petrolera y la industria de los plásticos y es vital en procesos de transporte de fluidos; en el control de calidad de alimentos y en el análisis composición de productos.

Las unidades de medida de esta magnitud en SI son:

Viscosidad dinámica: el pascal por segundo (Pa·s)

Viscosidad cinemática: el metro cuadrado por segundo (m2/s)
Las unidades de medida en el CGS son:

Viscosidad dinámica: el poise

(1 P =1g·(s·cm)-1=1dina·(s·cm)-2= 0,1Pa·s).

Justificación

El presente trabajo es realizado por el interés que genera la información básica de los materiales e instrumentos que son usados en el laboratorio, su aplicación, funcionamiento y en algunos casos historia. Actualmente, se desconoce en algunos casos la existencia de alguno de éstos materiales o su correcta aplicación. Es por esto que se recaba información completa y de confianza de ambos.

Éste documento, además de contener información básica de ambos instrumentos, tiene información relacionada a los estudios que pueden llevarse a cabo y sirve también como una introducción al concepto de viscosidad. Es una herramienta para alumnos del área analítica y docentes de la misma.

Los resultados de ésta investigación son basados en el viscosímetro rotacional de la marca Brookfield; por lo que en algunos modelos cambiarán un poco las indicaciones de uso.

Objetivos

Objetivo general

·         Estudiar información relacionada al Viscosímetro de rotacional y sus aplicaciones.

Objetivo específicos

·         Estudiar conceptos básicos de viscosidad

• Explicar el manejo y aplicación del viscosímetro como instrumento para calcular y medir la viscosidad de cualquier fluido que tenga esta propiedad.

Hipótesis

El viscosímetro es un instrumento de gran uso tanto en laboratorio como en otras áreas. Su funcionamiento está basado en los principios de viscosidad de grandes investigadores como Lavoisier. Debe estar hecho para ayudar a medir y calcular la viscosidad de forma más precisa. La viscosidad es una propiedad depende de las fuerzas de cohesión que hay entre las moléculas de un líquido.

Antecedentes

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. En 1884 Poiseuille mejoró la técnica estudiando el movimiento de líquidos en tuberías.

Jean L. Marie Poiseuille (1799-1864) Físico y fisiólogo francés Inventó un viscosímetro y fue el primero (1828) en utilizar el manómetro de mercurio para medir la presión arterial.

En 1678 Robert Hooke fue el primero que habló de la reología en su libro “Verdadera teoría de la Elasticidad”. Dicha teoría se resumía en lo siguiente: “Si se dobla la tensión, se dobla deformación”. Nueve años después, Isaac Newton publicó en “Philosophiae Naturalis Principia Mathematica” una hipótesis asociada al estado simple de cizalladura (o corte): “La resistencia derivada de la falta de deslizamiento de las partes de un líquido es proporcional a la velocidad con que se separan unas de otras dentro de él”.

Esta necesidad de deslizamiento es lo que ahora se denomina “Viscosidad”, sinónimo de fricción interna. Dicha viscosidad es una medida de la resistencia a fluir.

PRIMEROS VISCOSIMETROS

Los primeros reómetros como los Viscosímetro de Tambor Rotatorio fueron desarrollados por Couette en 1890, un viscosímetro con unos cilindros unilaterales, que utilizan el concepto de viscosidad dinámica en su funcionamiento. Mediante el uso de esta sencilla ecuación:

De este aparato se deriva el viscosímetro de Stabinger que funciona mediante la creación de un campo magnético, utilizando imanes, haciendo de este un método novedoso.

Hablando de los verdaderos inicios del viscosímetro tenemos el Viscosímetro de Tubo Capilar inventado por Pouseuille en 1828 como tiene fundamento de funcionalidad la Ley de Poiseulli que ayuda a determinar mediante el uso de un tubo cilíndrico fino y un par de manómetros, la viscosidad y la velocidad de los flujos capilares.

Posterior los Viscosimetros de vidrio capilar estándar o Viscosimetros de Ostwanld. Fueron inventados en 1918 por Friedrich W. Ostwanld, para medir la viscosidad cinemática de líquidos transparentes y opacos.

En el año de 1933 Fritz Höppler crea lo que hoy se le conoce como viscosímetro de bola que cae o viscosímetro de Höppler utilizando el principio de la velocidad terminal. 

Marco Teórico

Viscosidad

La fuerza por unidad de área que se requiere para el movimiento de un fluido se define como F/A y se denota como "ԏ" (tensión o esfuerzo de cizalla). Según Newton la tensión de cizalla o esfuerzo cortante es proporcional al gradiente de velocidad (du/dy), o también denominado como D.Si se duplica la fuerza, se duplica el gradiente de velocidad:

                                               

                                                                                     

Esta fórmula se denomina Ley de Newton, que es aplicable actualmente aún para unos fluidos determinados (Newtonianos). La glicerina y el agua son ejemplos muy comunes que obedecen la Ley de Newton. Para la glicerina, por ejemplo, la viscosidad vale 1000 mPa·s, en cambio para el agua la viscosidad vale 1 mPa·s, es decir, es mil veces menos viscosa que la glicerina.

La viscosidad se puede definir como una medida de la resistencia a la deformación del fluido, relaciona el esfuerzo cortante con la velocidad de deformación (gradiente de velocidad).

                                                                     

                                                                       

  Donde:

t : esfuerzo cortante [mPa]

 m : Viscosidad [mPa·s]

D: velocidad de deformación [s-1]

Las unidades de viscosidad más utilizadas son los minipascales por segundo [mPa·s]; 1000 mPa·s = 1 Pa·s. Además, el sistema cegesimal aún se sigue usando, siendo la unidad de medida el centiPoise[cP]; 1 cp = 1 mPa·s; La viscosidad "n" denominada viscosidad cinemática, que relaciona la viscosidad dinámica con la densidad del fluido utilizado. Las unidades más utilizadas de esta viscosidad son los centistokes [cst]; 1 stoke = 100 centistokes = cm²/s

                                                                              

                                                                           

Siendo:

n : Viscosidad cinemática

m : Viscosidad dinámica
r : Densidad del fluido

Un viscómetro (denominado también viscosímetro) es un instrumento empleado para medir la viscosidad y algunos otros parámetros de flujo de un fluido como la velocidad y esfuerzo de corte.

La viscosidad depende en gran parte de las condiciones ambientales tales como temperatura y presión. La medida de la viscosidad ha ido más allá del campo de la investigación e incluso del laboratorio, entrando progresivamente en el campo del control industrial.

La viscosidad de algún fluido no es más que la oposición de un fluido ante una obstrucción o deformación tangencial, los fluidos que no tienen viscosidad son llamados con frecuencia fluidos reales, la verdad es que todos los fluidos hoy en día conocidos presentan rangos de viscosidad, aunque sean muy pequeños todos presentan viscosidad, lo que es realmente cierto es que la viscosidad está presente en cualquier líquido que presente movimiento.

La viscosidad es especialmente importante en la industria alimentaria, petrolera y la industria de los plásticos y es vital en procesos de transporte de fluidos, en el control de calidad de alimentos y en el análisis composición de productos.

Las unidades de medida de esta magnitud en SI son:

Viscosidad dinámica: el pascal segundo (símbolo Pa·s)

Viscosidad cinemática: el metro cuadrado por segundo (símbolo m²/s)

Unidades de viscosidad

En el SI (Sistema Internacional de Unidades), la unidad física de viscosidad dinámica es el pascal-segundo (Pa·s), que corresponde exactamente a 1 N·s/m² o 1 kg/(m·s).

La unidad CGS para la viscosidad dinámica es el poise (1 poise (P) ≡ 1g·(s·cm)−1 ≡ 1 dina·s·cm−2 ≡ 0,1 Pa·s), cuyo nombre homenajea al fisiólogo francés Jean Louis Marie Poiseuille (1799-1869). Se suele usar más su submúltiplo el centipoise(cP). El centipoise es más usado debido a que el agua tiene una viscosidad de 1,0020 cP a 20 °C.

1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s.1

1 centipoise = 10-3Pa·s 2

En el sistema imperial, el Reyn fue nombrado en honor de Osborne Reynolds:

1 Reyn = 1 lb f · s · in-2 = 6,89476 × 106 cP = 6890 Pa × s

Viscosímetro Rotacional

Viscosímetro Rotacional

Son instrumentos de medición y control de viscosidad, indispensables en el control de calidad de innumerables productos. Todos se suministran con certificado de fábrica, juego de agujas, instructivo, estuche y soporte. Todos los viscosímetros utilizan el conocido principio de la viscosimetría 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.

Composición

Cada viscosímetro está compuesto por los siguientes elementos:

• Cuerpo del viscosímetro, constituido por un motor eléctrico y un dial de lectura.
• Vástagos intercambiables. Estos vástagos se numeran del 1 al 7, siendo el 1 el más grueso. Tienen, sobre su eje, una señal que indica el nivel de inmersión en el líquido.
• El ajuste y calibrado de estos vástagos es efectuado por el propio fabricante.
• Soporte, para permitir sostener el aparato y desplazarlo en un plano vertical.
• Vasos, entre 90 y 92 mm de diámetro y 116 a 160 mm de altura.
• Nivel de burbuja.
• Indicador analógico.

Tipos De Viscosímetro:

• Viscosímetros capilares.
• Viscosímetro rotacional digital y analógico.
• Viscosímetro de shultzel.
• Viscosímetro de cilindros coaxiales.
• Viscosímetro capilar pvs1/1 (viscosidades intrínsecas usando diluciones concentradas).
• Viscosímetro capilar para gases.
• Viscosímetro capilar (test y limpiador automático).

Procedimiento

Funcionamiento

El funcionamiento del viscosímetro Brookfield se basa en el principio de la viscosimetría rotacional; mide la viscosidad captando el par de torsión necesario para hacer girar a velocidad constante un husillo inmerso en la muestra de fluido a estudiar.

El par de torsión es proporcional a la resistencia viscosa sobre el eje sumergido, y, en consecuencia, a la viscosidad del fluido.

Los viscosímetros Brookfield son de fácil instalación y gran versatilidad y para su manejo no se necesitan grandes conocimientos operativos.

Modo De Empleo

Se elegirá el modelo de viscosímetro Brookfield V.PCE-RVI 1 según el producto a ensayar y la precisión de la medida deseada.

Trabaja entre un rango de 100-100,000 mPa·s y tiene una precisión de ± 5%.

Calibración

Los viscosímetros rotacionales determinan la viscosidad de fluidos midiendo la fuerza necesaria para hacer girar un elemento inmerso (husillo) en el fluido de prueba. El husillo gira por la acción de un motor síncrono a través de un resorte calibrado. La deformación del resorte se observa en un indicador analógico, siendo la deformación proporcional a la viscosidad del fluido. La calibración de los viscosímetros rotacionales incluye la determinación del factor F, definido por la ecuación:

Donde LR es la lectura de viscosidad dinámica en el viscosímetro cuando se usa un líquido de referencia a una velocidad, husillo y tamaño de muestra determinados.

El factor F es una constante para cada combinación husillo/velocidad del viscosímetro que se utiliza. Para una combinación husillo/velocidad 1/50, la calibración de un viscosímetro Brookfield modelo RV, se lleva a cabo utilizando el líquido de referencia 710-10 con un valor de viscosidad dinámica certificado por el CENAM de 111,141 mPa·s.

La magnitud de influencia más importante en esta calibración es la temperatura T, que tiene una relación directa con la viscosidad del líquido de referencia. Un aumento de temperatura resulta en una disminución de la viscosidad y viceversa. Este cambio de la viscosidad ΔnR está dado por la siguiente relación:

Donde ΔT es la diferencia que pudiera existir entre la temperatura durante la calibración y la temperatura nominal de certificación del líquido de referencia declarada en el certificado (si durante la calibración del husillo, el líquido se mantiene estable a 25,0 °C y el líquido de referencia está certificado a 25,0 °C; ΔT=0. ΔT no debe ser mayor de 0,5 °C), y nR es el coeficiente de temperatura de la viscosidad del líquido de referencia:

Procedimiento Operativo

Para el uso del viscosímetro se debe tener primero el uso de equipo personal, bata, zapatos de seguridad. Se monta el viscosímetro con su dispositivo de protección sobre su soporte, el viscosímetro debe estar en una superficie plana y nivelada, debe checar el nivel de burbuja para verificar su buena colocación antes de usarse. Una vez montado el viscosímetro se pone la ajuga que se desea utilizar para la medición de viscosidad (recordar que las unidades que nos da el viscosímetro son en mP/s).

Se llena un vaso con el producto a ensayar, teniendo cuidado de no producir burbujas de aire. Introducirlo en el baño de agua a la temperatura del ensayo. Esperar que se equilibren las temperaturas (esto si la temperatura no es la adecuada)

Sumergir el vástago en el líquido a medir hasta la marca que figura sobre el eje. Bajar el viscosímetro sobre su soporte y fijar el vástago al eje. Comprobar verticalidad y temperatura.

Poner el motor en marcha. Ajustar a la velocidad deseada. Desbloquear la aguja y dejar que gire hasta que se estabilice sobre el dial. Generalmente tarda entre 5 y 10 segundos. Bloquear la aguja y anotar la lectura (recordar que la lectura dada es en %). Después, volver a poner en marcha el motor y tomar otra lectura.

Una vez tomadas las lecturas consultar esta tabla:

Tabla 1

Choice of Range, coefficient, rotor and rate.
v Rotor	60	30	12	6
1	1	2	5	10
2	5	10	25	50
3	20	40	100	200
4	100	200	500	1000

Algunos viscosímetros traen esta tabla incluida, pero si no, aquí está la tabla para una mejor medición.

Precisión del método Brookfield

La precisión varía conforme a la velocidad del viscosímetro y con el grado de viscosidad de la muestra. La repetitividad y la reproducibilidad de la lectura de viscosidad deben estar dentro del 10%, excepto las lecturas de viscosidad inicial a la más baja velocidad.

Video

Bibliografía

BIBLIOGRAFÍA

http://molten.latinclicks.info/newton_viscosidad.html 

http://www.biografiasyvidas.com/monografia 

http://www.educacionenergetica.org/web/docs/recursos/efemerides_abril.pdf  

http://www.construsur.com.ar/News-sid-128-file-article-pageid-3.html

http://www.scielo.org.ve/img/fbpe/rlmm/v23n1/art02fig5.jpg 

http://grupos.emagister.com/documento/historia_astm/6470-251874

Libro: Mecánica de Fluidos o Autor: Robert L. Mott o Edición: 6ta. Edición o Editorial: Pearson Prentice Hall 

Libro: Termodinámica o Autores: Yunus A. Cengel y Michael A. Boles o Edición: 6ta. Edición o Editorial: Mc Graw Hill 

Libro: Instrumentación Industrial o Autor: Antonio Creus Solé o Edición: 6ta. Edición o Editorial: Alfa Omega 9

http://rua.ua.es/dspace/bitstream/10045/3626/1/tema5RUA.pdf