2. Contenido
Parte III
• Definición de Viscosidad
• Reologia
• Esfuerzo Cortante
• Unidades de Viscosidad
• Factores que afectan Viscosidad
• Como se mide la viscosidad y porque es
importante
• Caso especial
3. Viscosidad
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Algunos líquidos como la melaza y el aceite de
motor, fluyen muy lentamente. Otros como el agua
y la gasolina, fluyen con mayor facilidad.
Esta resistencia que presenta un líquido al
fluir es lo que se conoce como :
VISCOSIDAD.
La viscosidad se relaciona con la facilidad con que las moléculas
individuales pueden moverse unas respecto a otras, por lo tanto
dependerá de la fuerza de atracción entre las moléculas fuerzas
intermoleculares.
Entre mayor sea la fuerza de atracción entre sus moléculas,
menor es el movimiento entre ellas, por lo que fluye más
lentamente y por ende aumenta la viscosidad del líquido. Algunos
llaman viscosidad a la densidad de las sustancia.
4. La Viscosidad
4
Un fluido que se mueve respecto a
un cuerpo ejerce una fuerza de
arrastre sobre ese cuerpo, en parte
debido a la fricción causada por la
viscosidad.
Viscosidad es una propiedad que
representa la resistencia interna de
un fluido al movimiento o la
“fluidez”
La fuerza que un fluido fluyente ejerce sobre un cuerpo en
la dirección del flujo se llama fuerza de arrastre, y la
magnitud de ésta depende, en parte de la Viscosidad
5. Reología- La viscosidad
La Reología es la ciencia del flujo que estudia la deformación
de un cuerpo sometido a esfuerzos externos .
Su estudio es esencial en muchas industrias, incluyendo las
de plásticos, pinturas, alimentación, tintas de impresión,
detergentes o aceites lubricantes, por ejemplo.
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Figura Nº1: Algunos tipos
de comportamiento
reológicos :Diagrama
reologico
6. Esfuerzo cortante
Un esfuerzo cortante altera sólo la
forma del cuerpo y deja el
volumen invariable.
Esfuerzo de corte
Fs/A
Deformación
de corte ∆X/L El módulo de corte S se define como la
razón del esfuerzo cortante F/A a la
deformación de corte tanθ
tan
F
A
S
La componente de la Fuerza tangente a una superficie, es el Valor
limite de la Fuerza por unidad del área a medida que el área se
reduce a un punto τ= F/A
F= (A*u)/:
τ= F/A= μ*(u/y) = μ (du/dy) y → constante de proporcionalidad μ:
viscosidad—VISCOSIDAD DINAMICA(Absoluta)
τ = μ (du/dy) → Ley de Viscosidad de Newton
7. µ se llama coeficiente de viscosidad o
viscosidad dinámica (o absoluta) del
fluido, cuya unidad es kg/m · s, o de modo equivalente, N · s/m2
(o Pa * s, en donde Pa es la unidad de presión pascal).
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La razón de deformación (gradiente de
velocidad) de un fluido newtoniano es
proporcional al esfuerzo cortante, y la
constante de proporcionalidad es la
viscosidad μ=
𝝉
𝒅𝒖/𝒅𝒚
En mecánica de fluidos y transferencia de calor, con frecuencia
aparece la razón de la viscosidad dinámica a la densidad. Por
conveniencia, a esta razón se le da el nombre de viscosidad
cinemática ϑ y se expresa como 𝝑=
𝝁
𝝆
.
Dos unidades comunes de la viscosidad cinemática son m2/s y el
stoke (1 stokes= 1 cm2/s = 0.0001 m2/s=1*10-4m2/s)
8. Unidades de las Viscosidades
Absoluta (dinámica) μ
Cinematica 𝝑
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9. Qué son Viscosidad dinámica y
cinemática:
La viscosidad dinámica y la cinemática son valores que determinan el
movimiento que tiene un determinado líquido o fluido bajo condiciones
específicas.
En hidráulica o mecánica de fluidos, la viscosidad dinámica y la
viscosidad cinemática son conceptos necesarios para relacionar las fuerzas
que generan el movimiento y la velocidad en un líquido. De esta manera, es
importante saber cómo los líquidos se desplazan para entender cómo
funcionan los mecanismos accionados por fluidos líquidos.
Para entender ambos conceptos, es necesario tener en cuenta que
la viscosidad de un fluido es determinada por el nivel de cohesión de las
moléculas. Los líquidos tienen una cohesión entre sus moléculas más débil
que un sólido y más fuerte que un gas, lo cual les otorga la fluidez que los
caracteriza. Mientras menor es la interacción entre las moléculas de un
líquido, menor es su viscosidad, por lo tanto existe menor rozamiento.
efg 9
10. Viscosidad dinámica
La viscosidad dinámica, también llamada viscosidad absoluta, es la
resistencia interna entre las moléculas de un fluido en movimiento y
determina las fuerzas que lo mueven y deforman.
Isaac Newton (1643-1727) observa este comportamiento de los líquidos
al situarlo entre dos placas paralelas. La placa base estática y la superior
con un movimiento constante de un centímetro por segundo. De esta
manera, llega a la
Ley de Newton de la viscosidad
representada en la siguiente fórmula:
Los líquidos se deslizan en capas o láminas, lo que significa que la velocidad del
fluido es nula en la superficie de contacto y aumenta mientras se vuelve más
distante creando una tangente que se denomina fuerza tangencial
Para el cálculo de la viscosidad dinámica se utiliza la unidad específica en el Sistema
Cegesimal de Unidades (CGS) Poise (P).
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12. ¿La viscosidad es la resistencia que ejercen los fluidos al ser
deformado cuando este se aplica un esfuerzo.
La viscosidad de un fluido depende de su temperatura.
Es por eso que en los líquidos a mayor temperatura la viscosidad
disminuye.
Si la viscosidad fuera muy grande, el rozamiento entre capas lo
sería también, lo que significa que éstas no podrían moverse unas
respecto de otras, es decir, estaríamos ante un sólido.
Si por el contrario la viscosidad fuera cero, estaríamos ante un
superfluido que presenta propiedades notables como escapar de
los recipientes aunque no estén llenos.
efg 12
13. Para los líquidos, la viscosidad dinámica y
la cinemática son prácticamente
independientes de la presión y suele
descartarse cualquier variación pequeña con
ésta, excepto a presiones extremadamente
elevadas.
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Para los gases, éste también es el caso respecto a la viscosidad
dinámica (a presiones bajas hasta moderadas), pero no lo es para la
viscosidad cinemática dado que la densidad de un gas es
proporcional a su presión
Factores que afectan la
viscosidad:
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Entre más grande sea la masa molar de un líquido mayor será
la fuerza de atracción entre sus moléculas.
Por su tamaño hace que se enreden unas a otras evitando que
fluyan con facilidad. Ejemplo de ello: el agua y el aceite.
LA MASA MOLAR
A mayor masa molar de un líquido, menor es su
viscosidad.
Factores que afectan la viscosidad:
15. 15
LA TEMPERATURA
Factores que afectan la viscosidad:
Un líquido sometido a altas temperaturas
disminuye la viscosidad del mismo
cuando sometemos un líquido a altas temperaturas aumenta la
energía cinética de la moléculas, es decir, la velocidad con que se
mueven unas a otras; esto ocasiona que disminuya la fuerza de
atracción que existe entre ellas haciendo que el líquido fluya más
fácilmente.
Por ejemplo el petróleo que se bombea en Alaska, es más viscoso que el
aceite derivado desde el Golfo Pérsico, ya que las temperaturas terrestres
varían significativamente.
Para abordar la cuestión de la fuerza necesaria para transportar el petróleo a
través de las tuberías, los sensores en algunas tuberías deben medir la
viscosidad del fluido y determinar si una medida de presión mayor o menor
se debe añadir para mantener el flujo de aceite constante y estable.
16. .
16
¿Como podemos medir la viscosidad
El filosofo francés Jean Leonard Poiseuille desarrollo la siguiente ecuación
para calcular el valor absoluto de la viscosidad:
η: la viscosidad del líquido.
V: es el volumen de un líquido que fluye a
través de un tubo capilar.
r: es el radio del capilar.
L: es la longitud.
t: el tiempo.
P: diferencia de presión.
Donde:
La unidad SI de viscosidad es el N.s/m2 pero la unidad
tradicional de uso es el poise (g-1cm-1s-1) que corresponde a la
decima parte de la unidad SI.
17. 17
ρ1, ρ2: densidades de los líquidos
t1 y t2: los tiempos de flujo.
Esta expresión nos dice que mientras
más denso sea el líquido mayor será su
viscosidad
Donde:
También podemos determinar la viscosidad de un liquido
utilizando una sustancia de referencia, empleando la siguiente
ecuación, así para los líquidos 1 y 2 podemos escribir que:
¿Como podemos medir la viscosidad
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Por qué es importante medir la
viscosidad de un líquido
La viscosidad juega un papel muy importante en todas las
operaciones que implican transporte de líquidos a través de
tuberías o el manejo de lechos fluidos en procesos industriales,
de allí la utilidad de modificar en muchos casos, la viscosidad
de un fluido a través de aditivos especiales.
En el área de mecánica mediante el análisis de viscosidad
podemos saber qué tipo de liquido es importante y porque usarlo
en tal máquina para que esta funcione en optimas condiciones.
El manejo de lubricantes adecuados a objeto de minimizar la
fricción entre superficies metálicas exige un ajuste muy preciso
de la viscosidad de dichos lubricantes.
20. Clasificación de los fluidos: según su
viscosidad
Newtonianos
dy
dv
NO Newtonianos
dy
dv
No
dependientes
del tiempo.
Dependientes
del tiempo.
Pseudoplasticos
• Suspensiones
acuosas de arcilla.
Fluidos Dilatadores.
• Almidón en agua.
• Mayonesa.
• Pasta de
dientes.
Fluidos de Bingham.
Tixotrópicos • Tintas de
impresión.
21. 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.
efg 21
24. Viscosidad cinemática
La viscosidad cinemática relaciona la viscosidad dinámica con la densidad
del líquido. Teniendo el valor de la viscosidad dinámica se puede calcular
la viscosidad cinemática de un fluido con la siguiente fórmula:
En esta medida, la viscosidad es la resistencia de un fluido al deslizamiento, y la
densidad es el peso específico (masa/volumen) dividido por la gravedad.
Por ejemplo, un aceite de motor viscoso se desliza lentamente por un tubo, pero
continuará siendo menos denso que el agua al flotar sobre ella. En este caso, el agua
es menos viscosa, pero más densa que el aceite.
Para el cálculo de la viscosidad cinemática se utiliza la unidad específica en el
Sistema Cegesimal de Unidades (CGS) Stoke (St).
Es importante tener en cuenta que tanto la viscosidad dinámica como la cinemática
dependen de la naturaleza del líquido y la temperatura, por ejemplo, mientras mayor
es la temperatura de un líquido, menos viscoso es este, ya que la cohesión de las
moléculas se vuelve más débil.
efg 24
25. Caso especial de fluidos: (Tiempo)
Los fluidos no newtonianos dependientes del Tiempo.
Estos poseen características muy especiales, ya que su Viscosidad
no solo depende del grado de esfuerzo al que se le solicita y de la
Presión y temperatura, sino que además lo hace en función del
tiempo a que esta sometido a dicho esfuerzo.
Son fluidos muy especiales pero con aplicaciones muy
importantes en Mecánica, sobre todo en sellados, frenado, etc
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26. TIPO DE FLUIDO EJEMPLOS
Newtoniano Todos los gases, dispersiones de gas en el agua,
líquidos de bajo peso molecular
No Newtonianos
Pseudoplástico Soluciones de goma, adhesivos, grasas,
suspensiones de almidón, acetato de celulosa,
mayonesa, algunas sopas; pinturas, algunas
pulpas de papel, fluidos biológicos, otros.
Dilatentes Almidón, arenas movediza, algunas soluciones de
harina de maíz y azúcar, agregados de cemento
húmedos, arena de playa, polvo de hierro
dispersos en líquidos de baja viscosidad.
Plásticos de Bingham Margarina, grasas de cocina, pasta de dientes,
algunos fundidos de plásticos,
Plásticos de Casson Zumo de naranja, salsa de tomate, sangre,
chocolate cocido, tinta de impresora
