jueves, 4 de agosto de 2016

VISCOSIDAD - GENERAL


Título:
VISCOSIDAD
Subtítulo
CONCEPTOS GENERALES
Fecha de realización:
04/08/2016
Grupo:
MAQUINAS
Tema:
BASICAS
Código:
MAQ-BAS-VIS-01-01










INDICE

1 DEFINICION - VISCOSIDAD.
2 UNIDADES DE MEDICION.
3 FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS.
4 INDICE DE VISCOSIDAD.
5 BIBLIOGRAFIA




Fecha
Autor
Observaciones

04/08/2016
Ing. Juan Carlos Miranda Rios
Documento Base










VISCOSIDAD

1 DEFINICION - VISCOSIDAD

Los liquidos a diferencia de los sólidos tienen la capacidad de poder fluir, es decir, si se pone en movimiento a un líquido, éste al moverse trata de permanecer unido y esto es precisamente atribuido a su virtud de ser viscosos. La Viscosidad es la oposición que tienen las moléculas que conforman un líquido para separarse unas de otras, es decir, es la resistencia de un fluido a deformarse y esta oposición es debida a las fuerzas de adherencia que tienen unas moléculas de un líquido o fluido con respecto a las otras moléculas del mismo líquido.


Es importante resaltar que la viscosidad es una característica que está presente en los líquidos que se encuentran en movimiento, no se puede ver reflejada en un líquido que se encuentre estático debido a que si el líquido se halla inmóvil, las moléculas que lo componen no tendrán la necesidad de interactuar entre sí para tratar de permanecer unidas.


El hecho de que un fluido sea más viscoso que otro quiere decir que tiene mayor oposición a su deformación, sin embargo con la sola accion de aplicarle energía calórica (aumento de temperatura), se ocasiona que disminuya su viscosidad, provocando que esta pueda moverse de una manera mucho más rápida. A parte de los líquidos los gases también poseen la característica de la viscosidad debido a que estos también son fluidos, sin embargo en este caso sus efectos suelen ser despreciables en vista que son tomados en cuenta como fluidos ideales.

Conforme un fluido se mueve dentro de él, se desarrolla un esfuerzo cortante cuya mag­nitud depende de la viscosidad del fluido. Se define al esfuerzo cortante, denotado con la letra griega t (tau), como la fuerza que se requiere para que una unidad de área de una sustancia se deslice sobre otra. Entonces, t es una fuerza dividida entre un área, y se mide en las unidades de N/m2 (Pa) o lb/pie2.

La viscosidad puede ser analizada si tomamos dos piezas planas de vidrio, con una fina capa de fluido entre ellas, y tratamos de deslizar un vidrio sobre el otro. Para cuantificar el efecto, tomemos el plano señalado como A el que está separado del otro plano B por la distancia y. Para que plano superior se mueva con una velocidad constante v debe ser aplicada una fuerza F la cual resulta ser proporcional al área del plano que se mueve, esto es, si se duplica el área, también se duplicará la fuerza necesaria en la misma dirección del movimiento.

Una condición fundamental, cuando un fluido real está en contacto con una superficie de frontera, es que el fluido tenga la misma velocidad que ésta. Entonces, en la figura la parte del fluido en contacto con la superficie inferior tiene una velocidad igual a cero, y aquélla en contacto con la super­ficie superior tiene una velocidad v


Entonces, esta fuerza se incrementa linealmente (proporcional) con la velocidad, y es inversamente proporcional a la distancia, lo cual se enuncia matemáticamente por la siguiente expresión:


La constante de proporcionalidad entre ambas expresiones se define como la viscosidad del fluido, la cual se representa con la letra griega (m) y recibe el nombre de VISCOSIDAD DIMANICA. Entonces tendremos:


Muchos cálculos en la mecánica de fluidos implican la utilización del cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido (r), a esta relación se la denomina VISCOSIDAD CINEMATICA y viene expresada por la letra griega ny (n), entonces:


Puesto que µ y r son propiedades del fluido, n también lo es.

2 UNIDADES DE MEDICION

Para expresar la viscosidad dinámica, empleamos varios sistemas de unidades diferentes, pero la de más amplia utilización corresponde al Sistema Internacional (SI), siendo que despejando µ de la ecuación 1, llegamos a las siguientes expresiones:

N s/m2  ,  Pa s  ,  Kg/m s

Para el sistema inglés:

Lb s/pie2  ,  slug/pie s

Para el sistema cgs (obsoleto)

Poise = Dina s/cm2 = gr/cm s = 0.1 Pa s
Centipoise = poise/100 = 0.001 Pa s

Con respecto a la viscosidad cinemática, de la misma forma, despejando n de la ecuación (2) obtenemos las siguientes unidades respecto al SI:

m2/s

Para el sistema inglés:

pies2/s

Para el sistema cgs (obsoleto)

Stoke = cm2/s = 1 10-4 m2/s
Centistoke = stoke/100 = 1 10-6 m2/s

3 FLUIDOS NEWTONIANOS Y NO NEWTONIANOS

Un fluido newtoniano se describe como aquel en el cual el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la velocidad de deformación, o sea se comporta tal como señala la ecuación (1). Un buen número de fluidos comunes se comportan como fluidos newtonianos bajo condiciones normales de presión y temperatura: el aire, el agua, la gasolina, la glicerina, el vino y algunos aceites minerales por mencionar algunos.

Un fluido no newtoniano es aquél que no se comporta de acuerdo con la ecuación (1). Como resultado no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano. Dentro de los fluidos no newtonianos, se pueden diferenciar los siguientes tipos:

·         Fluidos Pseudoplásticos
·         Fluidos Dilatantes
·         Plástico de Bingham

Fluidos Pseudoplásticos: La curva comienza con mucha pendiente, lo cual muestra una viscosidad elevada, después la pendiente de la curva disminuye con el aumento del gradiente de velocidad. Algunos ejemplos de fluidos pseudoplásticos son: el plasma sanguíneo, polietileno fundido, latex, almibares, adhesivos, melazas y tintas.

Fluidos Dilatantes: La gráfica del esfuerzo cortante versus el gradiente de velocidad queda por debajo de la línea recta de los fluidos newtonianos. La curva comienza con poca pendiente, lo que indica viscosidad baja, después la pendiente se incrementa conforme crece el gradiente de velocidad. Ejemplos de este tipo de fluidos son: la harina de maíz, las disoluciones de almidón muy concentradas, la arena mojada, dióxido de titanio, etc.

Plásticos de Bingham: En ocasiones recibe el nombre de fluidos de inserción y requieren la aplicación de un nivel significativo de esfuerzo cortante antes de que comience el movimiento del fluido. Una vez que el flujo se inicia, la pendiente de la curva es lineal, lo que indica una viscosidad constante. Algunos ejemplos de fluidos de Bingham son el chocolate, salsa kétchup, mostaza, mayonesa, pasta de dientes, pistura, asfalto, ciertas grasas y suspensiones de agua y ceniza y fango del drenaje.

En el siguiente gráfico se muestra una comparación esquemática para fluidos newtonianos y no newtonianos:


Por otra parte, es importante clasificar los fluidos no newtonianos en dependientes de tiempo e independientes del tiempo. Como su nombre lo dice, los fluidos no newtonianos independientes del tiempo son aquellos que su viscosidad no varía con el tiempo o cualquier esfuerzo cortante dado. Sin embargo, la viscosidad de los fluidos dependientes del tiempo cambia si varía este.

Los fluidos que dependen del tiempo son muy difíciles de analizar porque la viscosidad varía con el tiempo, así como con el gradiente de velocidad y la temperatura. Ejemplos de este tipo de fluido son: ciertos petróleos crudos a bajas temperaturas, tintas para impresoras, nylon, ciertas gelatinas, etc. Estos fluidos también son tixotrópicos (Un fluido tixotrópico es aquel que tarda un tiempo finito en alcanzar una viscosidad de equilibrio cuando hay un cambio instantáneo en el ritmo de esfuerzo de corte)

4 INDICE DE VISCOSIDAD

Todos los fluidos casi en general presentan el comportamiento de que su viscosidad decrece a medida que va en aumento su temperatura, esto se puede apreciar principalmente en el funcionamiento de los motores a gasolina y a diésel, donde es necesario realizar preliminarmente antes de la operación de los motores una etapa de calentamiento, permitiendo que el aceite contenido en estos, alcance una determina viscosidad.

Los gases se comportan distintos a los líquidos, ya que su viscosidad se incrementa conforme la temperatura crece. Asimismo, por lo general, su cambio es menor que en el de los líquidos.

Las siguientes tablas muestran la variación de la viscosidad con respecto a la temperatura para diferentes sustancias:

Viscosidad Dinámica Vs Temperatura



Viscosidad Cinemática vs Temperatura


El ÍNDICE DE VISCOSIDAD de un fluido (en ocasiones conocido como VI) nos indica cuanto cambia esta con la temperatura. Es especialmente útil cuando se trabaja con aceites lubricantes y fluidos hidráulicos que deben operar a extremos amplios de temperatura.

Un fluido con un Índice de Viscosidad alto muestra un cambio pequeño en su viscosidad con la temperatura. Un fluido con Índice de Viscosidad bajo muestra un cambio grande en su viscosidad con la temperatura.

El índice de viscosidad fue desarrollado por E. Dean y G. Davis en 1929 (El estándar ASTM D2270 proporciona el método completo). Es un número derivado empíricamente y adimensional. Está basado en la siguiente metodología; Un crudo de Pennsylvania (parafínico) se fijó como punto de referencia en un extremo, representando un producto cuya viscosidad varía poco con los cambios de temperatura, el otro extremo fue asignado a un crudo de la costa del golfo de Texas (nafténico). Si un lubricante era similar al crudo de Pennsylvania, a este se le asignaba un índice de viscosidad (IV) de 100. Si era similar al crudo del golfo de Texas, se le asignaba un IV de 0. A uno que estuviese en la mitad, se le asignaba un IV de 50 y así sucesivamente. Mientras mayor el IV, más estable será la viscosidad a través de un rango de temperaturas (más deseable). Las temperaturas utilizadas para determinar el índice de viscosidad son 40 y 100°C.


La forma general de la ecuación para calcular el Índice de Viscosidad de un aceite con un valor VI menor o igual a 100 es la siguiente: (Todos los valores de viscosidad cinemática tienen las unidades de mm2/s)


Donde:

            U = Viscosidad cinemática del aceite de prueba a 40°C
L = Viscosidad cinemática de un aceite estándar a 40°C con un IV = 0 y que a 100°C tiene la misma viscosidad que el aceite de prueba.
H = Viscosidad cinemática de un aceite estándar a 40°C con un IV = 100 y que a 100°C tiene la misma viscosidad que el aceite de prueba.

Los valores de L y H se encuentran en una tabla del estándar ASTM D 2270 para aceites con viscosidades cinemáticas comprendidas entre 2.0 mm2/s y 70.0 mm2/s. Este rango comprende la mayor parte de los aceites prácticos que se utilizan como combustible o lubricante.

Hoy se pueden encontrar lubricantes con IV tan bajos como 60. Otros lubricantes pueden tener IV por encima de los 400. Sin embargo, la mayoría de los lubricantes en el mercado tienen IV que se ubican entre 90 y 160.

Para aceites con un IV > 100, el estándar ASTM D2270 proporciona un método de cálculo alterno, que también depende de la obtención de valores en la tabla del estándar.

El IV también puede suministrar información acerca de la formulación del aceite, incluyendo tipo y calidad de la base lubricante. Por ejemplo, aceites minerales puros bien refinados tendrán su correspondiente IV alto. Ciertos aditivos, como los mejoradores del índice de viscosidad y los depresores del punto de fluidez, influyen sobre el IV. Es importante recordar que los aceites que contienen mejoradores del IV, sobre todo algunos tipos, son propensos a perder permanentemente en el tiempo tanto la viscosidad como el IV. Hay ensayos ASTM destinados a evaluar la estabilidad al corte de los mejoradores del IV.

Los valores del índice de viscosidad se encuentran en la mayoría de las hojas de productos disponibles en el mercado. Este simple número está ahí por una razón, y debe considerarse seriamente cuando se desarrollen las especificaciones de los lubricantes que serán utilizados en cualquier tipo de maquinaria.

5 BIBLIOGRAFIA
  • http://conceptodefinicion.de/viscosidad/ 
  • http://liquidosysolidos-fq.blogspot.com/2014/01/viscosidad.html
  • http://procesosbio.wikispaces.com/Viscosidad 
  • http://noria.mx/lublearn/importancia-del-indice-de-viscosidad-al-seleccionar-un-lubricante/ 
  • Mecánica de Fluidos – Robert L. Mott
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