Informe N01 Propiedades de los Fluidos

UNIVERSIDAD NACIONAL DE CAJAMARCA

FACULTAD DE INGENIERAESCUELA ACADMICO PROFESIONAL DE INGENIERA GEOLGICACurso:MECANICA DE LOS FLUIDOSPractica N 01_InformePropiedades de los FluidosDocente:Ing. Jos longa Alvares

Cajamarca-Per2013

ndice

I.Titulo3II.Introduccin3III.Objetivos3IV.Justificacin3V.Alcances4VI.Revisin de literatura5VII.Metodologa y procedimiento7A.Limitaciones del experimento:71.Limitaciones de tipo ambiental72.Limitaciones en la medida7VIII.Materiales y Equipos7IX.Procedimiento81.Para aceite multigrado SAE 15W40242.Para aceite multigrado SAE 25W6024X.Resultados25XI.Discusin25XII.Conclusiones26XIII.Cuestionario27XIV.Referencias31

ndice de fotosFoto 1: Materiales y equipos utilizados durante el desarrollo del experimento8Foto 2: se muestra el tipo de viscosmetro utilizado durante el experimento8Foto 3: Distribucin de viscosidad de acuerdo a diferentes temperaturas22Foto 4: Distribucin de viscosidades de aceite multigrado SAE 25W60 a diferentes temperaturas23ndice de figurasFigura 1: Viscosmetro de Oswald:28ndice de ilustracionesIlustracin 1: Detalle de bloque mvil9ndice de tablasTabla 1: tabla de caractersticas ms comunes de aceite multigrado SAE 15W4022Tabla 2: tabla de caractersticas ms comunes de aceite multigrado SAE 25W6023

TituloDeterminacin experimental de la viscosidad de aceites SAE 15W40 y SAE 25W60, para ser comparados con la viscosidad suministrada.IntroduccinEn definicin un fluido es una sustancia que sufre deformacin cuando es sometida a un esfuerzo cortante (Streeter, 2000). Adems es una sustancia incapaz de soportar fuerzas de cizalla. Es sta la propiedad que distingue a un slido de un fluido. Entre las distintas molculas de un fluido actan fuerzas de adhesin. Por esta razn, cuando fluyen y distintas partes del fluido se mueven con velocidades relativas, aparecen fuerzas de roce interno, tambin llamada viscosidad. A pesar de que los fluidos no manifiestan resistencia a fuerzas de cizalla, la viscosidad hace que si presenten cierta resistencia al deslizamiento.Con la finalidad de entender el comportamiento de los fluidos frentes a la accin de fuerzas aplicadas, es necesario comprender la misma naturaleza que presentan en forma experimental.Objetivos Determinar la viscosidad absoluta de forma experimental de un lubricanteJustificacinEs necesario hacer una comparacin de la viscosidad de un lubricante que indica el fabricante con la viscosidad real de tiene el fluido, muchas veces estos valores son alterados por lo que es necesario hacer una evaluacin para ver el grado de certeza que brindan los fabricantes.Otro de los aspectos importantes es, que en el mundo actual nos movemos utilizando vehculos, y estos para su correcto funcionamiento se da gracias a la utilizacin de ciertos componentes como aceites de tipo especial de viscosidad.Alcances Estudio experimental de la viscosidad de un fluido magneto-reolgico a base de magnetita mineralEstudiamos experimentalmente la viscosidad de un fluido magneto-reolgico (MR) a base de magnetita mineral y aceite automotriz para frenos. Usamos un remetro Brookfield de geometra cono-plato al cual se le adapta un solenoide que produce y controla un campo magntico paralelo al eje de rotacin del cono. Aun cuando las partculas contienen cantidades variables de impurezas de silicatos y presentan una amplia dispersin en los tamaos, el sistema experimenta importantes cambios en su viscosidad como funcin del campo magntico, rapidez de corte y tamao promedio de partcula. Se estudia el comportamiento de un amortiguador Magneto-reolgico simplificado y muestra algunas de sus ventajas respecto de un amortiguador convencional (F. Donado, 2007).Los resultados que proporciona este mtodo es muy interesante ya que estudia una dispersin de macropartculas de magnetita mineral que presenta caractersticas magneto-reolgicas aun cuando las partculas son homogneas y presentan impurezas de silicatos. El sistema presenta una clara dependencia con el tamao promedio de las partculas, resultado que puede ser muy importante si se explorara con mayor profundidad y con un mejor control de la dispersin de los tamaos y la forma de las partculas. Adems muestra un modelo simplificado de amortiguador MR puede reducir rpidamente las vibraciones de un sistema y al mismo tiempo conservar baja la viscosidad del fluido que contiene durante la mayor parte del tiempo. Determinacindelaviscosidadysuincertidumbreen fluidos de perforacin usados en la construccin de pozos geotrmicos: aplicacin en el campo de Los HumerosSe cre y evalu una nueva base de datos (velocidad de corte y esfuerzo cortante) de fluidos de perforacin de pozos geotrmicos, logrando separar mediante pruebas de linealidad los fluidos que presentan una tendencia lineal (Newtoniana) de los de tendencia no lineal (no Newtoniana). Se evaluaron nueve modelos reolgicos para el anlisis de ajuste de los datos experimentales y aplicando la metodologa de los residuales (RES) se determin que el modelo de Herschel-Bulkley es el ms eficiente para reproducir las mediciones experimentales. Se aplican las pruebas de discordancia en el anlisis de bondad de ajuste de modelos reolgicos encontrndose que las pruebas de mayor eficiencia son la N14 (sesgo), N15 (curtosis) y N1 (Grubbs). Adems, se desarroll un programa para el clculo de viscosidades y sus incertidumbres de fluidos de perforacin. Estas viscosidades fueron estimadas a velocidades de 100 a 1100 s-1 para cada fluido, obtenindose con la aplicacin de la presente metodologa valores similares a los reportados en la literatura internacional. Con esta informacin fue posible estimar datos de las velocidades crticas de fluidos de perforacin necesarias para el arrastre de los recortes de la formacin hacia la superficie como aplicacin en el campo geotrmico (Urquiza, 2009).Revisin de literaturaLos fluidos para su movimiento dependen de fuerzas externas, no existen fluidos que se muevan s que exista una fuerza que los deforme y por consecuencia provoque un desplazamiento. Por lo tanto una fuerza por ms infinitesimal que sea siempre provocara deformacin aunque es imperceptible y por eso es que se considera como nulo.Si se considere un fluido en reposo (por ejemplo, un vaso de agua, una piscina o un lago). Al sumergir un objeto en el fluido, este (fluido) ejercer una fuerza sobre las superficies del objeto (cap. 12 fluidos-conceptos fundamentales). La fuerza por unidad de rea (o presin) que ejerce un fluido sobre los objetos (o superficies) con las que est en contacto, tiene varias propiedades importantes como: La fuerza que un fluido en reposo ejerce sobre una superficie es siempre perpendicular a ella. Esto est directamente relacionado con el hecho de que un fluido es incapaz de ejercer una fuerza de cizalla. Un fluido, en un punto particular, ejerce la misma presin en todas las direcciones (Principio de Pascal). Los lugares isobricos en un fluido en reposo y de densidad constante son los planos horizontales.Si consideramos un fluido, ste se mover siempre y cuando haya fuerzas presentes que produzcan el movimiento (Carlos III, 2007). Sin embargo, para la mayora de los fluidos, una fuerza de deformacin finita producir una velocidad de deformacin finita.A mayora de fluidos que son utilizados comnmente: como es el agua, aire, aceite, etc. Los esfuerzos asociados a una velocidad de deformacin dada son una funcin lineal de esa velocidad de deformacin; a los fluidos que poseen esta caracterstica son llamados fluidos newtonianos (Carlos III, 2007). En un lquido el ngulo de deformacin aumenta a medida que se aplica la fuerza deformadora.Los fluidos de dividen en dos clases lquidos y gases, en los gases su viscosidad aumenta con el peso de las molculas y disminuye con su tamao. Para un tipo de gas en concreto la viscosidad es nicamente funcin de la temperatura, aumentando conforme aumenta sta (Carlos III, 2007).La viscosidad expresa la resistencia del lquido a dejarse cortar o separar (Real, 2010).Metodologa y procedimientoLa metodologa utilizada es la experimental, a travs de pruebas sucesivas. Se diferencia de los mtodos no experimentales en que en el experimento se procede a la formacin de condiciones especiales que producen los eventos deseados bajo circunstancias favorables para las observaciones cientficas. El experimentador toma parte activa en la produccin del suceso.En nuestro experimento para encontrar la viscosidad absoluta del fluido, variamos los ngulos de inclinacin y se obtiene diferentes velocidades.Limitaciones del experimento:Limitaciones de tipo ambiental Son limitaciones propias del ambiente como, por ejemplo, las caractersticas propias de los sujetos que toman medidas o de los diferentes ambientes como la temperatura que pueden afectar los resultados.Limitaciones en la medidaEstas limitaciones se presenta por lo que las mediciones se aproximan a la realidad pero no son exactas. Cuanto ms vlidos y fiables sean los instrumentos de medida de los que dispongamos, esta limitacin disminuir.La metodologa utilizada es 100% experimental seguida de clculos, estos clculos basados y realizado mediante expresiones derivadas de la ley de newton. En cuanto al procedimiento, se ha seguido un estndar, de tal manera que no se pueda cometer errores, los pasos que nos han permitido llegar al objetivo es el siguiente:Materiales y Equipos Viscosmetro Flexmetro Vernier Aceites multigrado SAE 15W40 y SAE 25W60 Transportador Gasolina Franela

Foto 1: Materiales y equipos utilizados durante el desarrollo del experimentoProcedimientoEl procedimiento se detalla a continuacin, as como se ha mencionado en el apartado anterior a. Comprobar que el viscosmetro este en buenas condiciones de funcionamiento y extraer sus dimensiones y calcular la masa del bloque mvil.

Foto 2: se muestra el tipo de viscosmetro utilizado durante el experimento

Ilustracin 1: Detalle de bloque mvil

Las dimensiones de este bloque mvil son:Dimetro ExteriorDimetro InteriorAltura

3.27 cm2.30 cm10.39 cm

Calculando el volumen del cilindro

Transformando a metros cbicos:

Con la densidad del acero calculamos la masa del bloque mvil.

b. Se mide el huelgo y el rea de contacto

El rea de contacto donde se desplaza el bloque mvil es:

c. Se mide el desplazamiento del cuerpo deslizanteLa distancia de recorrido del cuerpo deslizante es de 0.33 metros.

W=mg

d. El experimento se realiz con diferentes ngulos obtenindose los siguientes resultados. PARA EL ACEITE MULTIGRADO 15W40

Hallar la velocidad , la fuerza y la viscosidad i. Para ngulo de 64Velocidad :

Velocidad :

La viscosidad absoluta es:

ii. Para ngulo de 53Velocidad :

Velocidad :

La viscosidad absoluta es:

iii. Para ngulo de 42Velocidad :

Velocidad :

La viscosidad absoluta es:

iv. Para ngulo de 37Velocidad :

Velocidad :

La viscosidad absoluta es:

Luego hallamos el promedio de las viscosidades para los diferentes ngulos

Grfico de la velocidad con respecto de tiempo 1.31.210.710.540.250.270.460.61

Grafica del esfuerzo cortante con respecto a la relacin de variacin de la velocidad con respecto del espacio ocupado por el lubricante.

El lubricante multigrado 15W40 es un fluido no newtoniano. PARA EL ACEITE MULTIGRADO 25W60

Hallar la velocidad , la fuerza y la viscosidad v. Para ngulo de 64Velocidad :

Velocidad :

La viscosidad absoluta es:

vi. Para ngulo de 53Velocidad :

Velocidad :

La viscosidad absoluta es:

vii. Para ngulo de 42Velocidad :

Velocidad :

La viscosidad absoluta es:

viii. Para ngulo de 37Velocidad :

Velocidad :

La viscosidad absoluta es:

Luego hallamos el promedio de las viscosidades para los diferentes ngulos

Grfico de la velocidad con respecto de tiempo3.522.952.402.280.0940.1120.1380.145

Grafica del esfuerzo cortante con respecto a la relacin de variacin de la velocidad con respecto del espacio ocupado por el lubricante.

289.47275.0223.73187.50405.7359.81302.15271.39

El lubricante multigrado 25W60 es un fluido no newtoniano.

Foto 3: Distribucin de viscosidad de acuerdo a diferentes temperaturasTabla 1: tabla de caractersticas ms comunes de aceite multigrado SAE 15W40Caractersticas tpicas del aceite multigrado SAE 15W40

Viscosidad Cinemtica (40C) en cSt107

[footnoteRef:1]Viscosidad Cinemtica (15C) en cSt [1: Valor estimado de la foto N 2. Obtenido de http://maquinasdebarcos.files.wordpress.com/2007/10/nuevaimagen9.png]

360

ndice de viscosidad 126

Densidad a 15C en Kg/l0.878

Foto 4: Distribucin de viscosidades de aceite multigrado SAE 25W60 a diferentes temperaturasTabla 2: tabla de caractersticas ms comunes de aceite multigrado SAE 25W60Caractersticas tpicas del aceite multigrado SAE 25W60

Viscosidad Cinemtica (40C) en cSt254

[footnoteRef:2]Viscosidad Cinemtica (15C) en cSt [2: Valor estimado de la foto N 3. Obtenido de http://widman.biz/boletines/116.html]

1500

ndice de viscosidad 118

Densidad 15C Kg/l0.907

A partir de los datos obtenidos en la seccin de los clculos realizados, procedemos a calcular la viscosidad cinemtica experimental. De la siguiente manera:

Para aceite multigrado SAE 15W40

Y en segundo Saybolt:

Para aceite multigrado SAE 25W60

Y en segundo Saybolt:

ResultadosEn el siguiente cuadro se muestra los resultados de la viscosidad cinemtica experimental y la viscosidad comercial.LubricanteViscosidad Cinemtica Comercial (cSt)Viscosidad Cinemtica experimental (cSt)

SAE 15W40360521.1

SAE 25W6015001518.2

DiscusinLos valores comerciales difieren de los valores comerciales por factores de errores propios del experimento, como tambin de la obtencin aproximada de valores comerciales a temperatura ambiente. Los fabricantes dan valores de la viscosidad para temperaturas elevadas por lo que resulta difcil obtener valores a temperatura 15C, que fue la temperatura en el cual se realiz el experimento.Para obtener valores aproximados de la viscosidad se ha recurrido a grficos que muestran la tendencia del comportamiento en frio de los lubricantes utilizados.Otro factor a tener en cuenta es que las viscosidades obtenidas en los diferentes ngulos de inclinacin se han promediado en una viscosidad media, debemos saber que la tendencia es a incrementar la viscosidad a medida que se pronuncia el Angulo, la verdad es que la viscosidad es la misma sino que nos da idea de la variacin de los datos cuando se varia algunas variables como el Angulo.

Conclusiones Segn los resultados obtenidos para la viscosidad experimental podemos deducir que el mtodo empleado para su determinacin resulta un tanto no efectivo, ya que los errores obtenidos son relativamente altos y sencillo para determinar la viscosidad dinmica de un fluido. La variacin entre los valores de la viscosidad cinemtica comercial difieren en 44.75% y 1.21% respectivamente con la viscosidad experimental. Tanto los dos lubricantes utilizados son fluidos no newtonianos

Foto 5: diagrama de campo reolgico para los diferentes tipos de fluidos. Segn Sotelo en Hidrulica general vol. 1 De acuerdo con la foto 5 y haciendo comparacin con los grficos obtenidos se llega a la conclusin que los dos experimentos corresponden a fluidos no newtonianos.

Cuestionario1. Porque es necesario conocer la viscosidad de una sustancia?Mayor viscosidad menos velocidad adquiere mayor energa pierde cuando se desplaza en otra superficieRealmente es importante saber que a partir de la viscosidad, podemos conocer el comportamiento de un producto en su proceso de fabricacin, lo cual es importante en la industria para el control del proceso y por tanto decisivo para conseguir la mejor calidad del producto. El conocimiento de la viscosidad nos permite detectar de la manera ms conveniente, cambios en el producto como el color, densidad, estabilidad, contenido de slidos y peso molecular. En definitiva, la viscosidad es un parmetro de control de vital importancia en la bsqueda de la mejor calidad en los productos.2. Explique algunos mtodos analticos y/o grficos para estimar la viscosidad de una sustancia. Medicin de la viscosidad de lquidos con el viscosmetro de OstwaldEl viscosmetro en primer lugar tiene que estar completamente seco, una vez seco se vierte la muestra liquida a estudiar aproximadamente 7 ml, el viscosmetro se coloca en el recipiente con bao mara y se empieza a medir la temperatura, primero con 20 C, luego con 30 C y finalmente con 40 C. Con ayuda de la pipeta se succiona la muestra liquida hasta que suba a un punto a; desde ah se mide el tiempo hasta que baje al punto b del viscosmetro, este proceso se hace tres veces con las temperaturas ya mencionadas.

Figura 1: Viscosmetro de Oswald: Los viscosmetros M y R son equipos fciles de usar, con medidas reproducibles y de calidad, compatibles al 100% con el mtodo Brookfield.

3. Indique otros mtodos experimentales para la determinacin de la viscosidad de lquidos, dando una breve explicacin.

Medida de la viscosidad por el mtodo de StokesConsideremos una esfera lisa, de masa m y dimetro D, que cae en el seno de un fluido viscoso (Fig. 3). Las fuerzas que actan sobre la esfera son: su peso mg, el empuje hidrosttico E y la fuerza de arrastre viscoso FD. La segunda ley de Newton nos permite escribir:

Como consecuencia de la aceleracin de la esfera, su velocidad aumenta; pero, puesto que la fuerza de arrastre FD es proporcional a la velocidad, tambin aumenta la resistencia al movimiento. As pues, la esfera llegar a alcanzar una velocidad tal que la fuerza peso sea compensada por la suma del empuje hidrosttico y la fuerza de arrastre. Entonces, la aceleracin de la esfera ser nula y su velocidad no seguir aumentando. En estas condiciones, la esfera se mover con una velocidad constante que recibe el nombre de velocidad lmite (vlim).Si es la densidad de la esfera y la del lquido, el peso de la esfera y el empuje hidrosttico sobre ella vendrn dados por

de modo que, una vez alcanzada la velocidad lmite, tendremos

o sea

de donde

relacin que nos permite determinar el coeficiente de viscosidad de un fluido a partir de la medida de la velocidad lmite de cada de pequeas esferas a travs del mismo, con tal de que el nmero de Reynolds asociado al flujo alrededor de las esferas sea menor que la unidad.Con todo rigor, la expresin [9] solamente es vlida para esferas que caen en el seno de un lquido de extensin indefinida. En las condiciones experimentales, en las que las esferas caen axialmente a travs de un lquido viscoso contenido en una probeta o en un tubo cilndrico de dimetro, hay que efectuar ciertas correcciones:a) Correccin debida a la longitud finita del tubo, en el sentido de que la esfera tiende asintticamente al valor de la velocidad lmite. En las condiciones en que se ha planificado nuestra experiencia, esta correccin puede despreciarse.b) Correccin de Ladenburg: El influjo de las paredes del tubo da lugar a una disminucin de la velocidad lmite de cada. Si llamamos vm a la velocidad medida experimentalmente, la velocidad corregida de este efecto es

Donde es el dimetro interno del tubo.Para un lquido dado, el valor del coeficiente de viscosidad depende extraordinariamente de la temperatura, por lo que es necesario especificar sta en el instante en que se determina la viscosidad.

ReferenciasCarlos III, U. d. (2007). Medida de viscosidad. Departamento de Ingeniera Trmica y de Fluidos, 3-13.F. Donado, C. M.-G. (2007). Estudio experimental de la viscosidad de un fluido magneto-reolgico a base de magnetita mineral. Revista Mexicana de E53, 31-40.Real, E. U. (2010). Hidraulica- Generalidades. Catedra de Ingenieria Rural, 2-12.Streeter, V. L. (2000). Mecnica de Fluidos. Espaa: McGraw-Hill Interamericana.Urquiza, E. G.-A. (2009). Determinacin de la viscosidad y su incertidumbre en fluidos de perforacin usados en la construccin de pozos geotrmicos: aplicacin en el campo de Los Humeros, Puebla, Mxico. Revista Mexicana de Ciencias Geolgicas, 26(2), 516-529.Widman, R. (2009). Widman International SRL. Obtenido de http://widman.biz/boletines/116.html

9Pgina 31 de 31

Hoja1PARA EL ACIETE MULTIGRADO 15W40nguloDistancia (m)Tiempo (seg.)640.330.54530.330.71420.331.21370.331.3

Hoja1DistanciaTiempoVelocidadEspaciodv/dyViscosidadEsfuerzo0.330.540.610.00051,222.220.3331407.120.330.710.460.0005929.580.3925364.860.331.210.270.0005545.450.5602305.560.331.30.250.0005507.690.5442276.29

Hoja1PARA EL ACIETE MULTIGRADO 25W60nguloDistancia (m)Tiempo (seg.)640.332.28530.332.40420.332.95370.333.52

Hoja1TiempoVelocidadEspacioviscosidaddv/dyEsfuerzo2.280.140.00051.4015289.47405.702.400.140.00051.3084275.00359.812.950.110.00051.3505223.73302.153.520.090.00051.4474187.50271.39