Informe Nº1 - Viscosidad Y Densidad DE Líquidos PDF

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Curso de FisicoquímicaVISCOSIDAD Y DENSIDAD DE LÍQUIDOSDevra Gómez Alvarado [email protected] Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Departamento Académico de Fisicoquímica. Ciudad Universitaria. Lima, Perú.Resumen La viscosidad y la densidad del 2 - propano...

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Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica

VISCOSIDAD Y DENSIDAD DE LÍQUIDOS Devra Gómez Alvarado

[email protected]

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Departamento Académico de Fisicoquímica. Ciudad Universitaria. Lima, Perú.

Resumen La viscosidad y la densidad del 2 - propanol se midieron a temperaturas entre 20 ºC y 30 ºC, se utilizó el viscosímetro de Ostwald y el picnómetro Gay - Lussac respectivamente. El viscosímetro de Ostwald es un aparato de laboratorio conformado por un tubo de vidrio de vidrio en forma de U modificado para calcular la viscosidad. El picnómetro Gay-Lussac es un recipiente formado por un matraz con forma de pero con boca esmerilada y un tapón autoenrasante. Este trabajo se realizó en conjunto con las siguientes condiciones ambientales: Presión = 756mmHg, Temperatura = 19°C y Humedad Relativa = 85%. Bajo estas condiciones se logró determinar la viscosidad del 2-propanol adiferentes temperaturas, empleando el viscosímetro de Ostwald, a partir del cual se obtuvo 2,349 cP y 1,531cP a 20ºC y a 30ºC, respectivamente. Se pudo comprobar la influencia de la temperatura en la viscosidad, ya que a mayor temperatura mayor rapidez de movimiento de las moléculas; por tanto mayor es la viscosidad. Al término del trabajo se logró comprobar la eficacia del picnómetro y del Viscosímetro de Ostwald. Palabras clave: Viscosidad, Densidad, 2-propanol.

1. Introducción La determinación de la viscosidad de una sustancia, es muy importante en industrias que trabajan con fluidos, como por ejemplo industrias alimentarias de leche, jugos, cervezas, etc. así como también en la construcción de acueductos, oleoductos en los cuales se necesita saber la viscosidad del líquido para saber qué tan rápido desgastará los materiales, necesitando saber además qué fluido se usaran para determinadas operaciones, algunas veces necesitando sustancias con mucha fluidez y en otros casos sustancias con una gran viscosidad. Existen diversas maneras para poder medir la viscosidad de una sustancia usando

diferentes tipos de instrumentos, algunos usados solo para determinados rangos de temperaturas y unos más precisos que otros[1]. En la actualidad se están haciendo estudios acerca de sustancias con una viscosidad de valor cero o muy próxima a cero llamadas superfluidos. Este fenómeno físico solo se da a temperaturas cercanas al cero absoluto teniendo muy pocas posibilidades de encontrar sustancias que no se congelen a esa temperatura, como helio-4 o el helio-3.[2] Al igual que la viscosidad, la determinación de densidades es algo fundamental en toda industria con procesos químicos, en construcciones en donde se necesiten materiales poco densos y hasta en 1

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica η rel = η sust./η ref.

la construcción de cohetes o satélites los cuales necesitan ser poco densos para lograr despegar con la mínima energía posible. En la actualidad se buscan crear nuevos materiales capaces de ser muy resistentes y al mismo tiempo muy poco densos como los materiales creados a partir del fullereno.[3]

(3)

2.2. Fluidez (ϕ) Se define como la inversa de la viscosidad absoluta. Se expresa en rhes: g cm s. -1

2. Principios Teóricos 2.1. Viscosidad La viscosidad es una característica de los fluidos en movimiento, que muestra una tendencia de oposición hacia su flujo ante la aplicación de una fuerza. Cuanta más resistencia oponen los líquidos a fluir, más viscosidad poseen. Los líquidos, a diferencia de los sólidos, se caracterizan por fluir, lo que significa que al ser sometidos a una fuerza, sus moléculas se desplazan, tanto más rápidamente como sea el tamaño de sus moléculas. Si son más grandes, lo harán más lentamente.[4]

ϕ = 1/η

La dependencia entre la η de una sustancia pura y la T (K), obedece a una ecuación de la forma: Log η = A/T + B

2.1.1. Viscosidad absoluta (η) Fuerza por unidad de área necesaria para mantener un gradiente de velocidad entre dos planos separados por una distancia unitaria. Se expresa en poises: g cm-1 s-1.

η=

(1)

(6)

Donde: V : Volumen de líquido L : Longitud del tubo capilar r : Radio del Capilar. P : Presión = ρ g h t : Tiempo de escurrimiento ρ : Densidad del líquido g : Aceleración de la gravedad h : Diferencia del nivel del líquido entre los dos bordes del tubo.

2.1.2. Viscosidad Cinemática (D) Es la viscosidad absoluta dividida entre la densidad del líquido. Se expresa en stokes: cm2 s-1. D= η/ ρ

(5)

2.3. Medición de Viscosidad Un instrumento muy utilizado es el viscosímetro de Ostwald (ver figura 1.4). El método consiste en medir el tiempo requerido para que un volumen dado de un líquido escurra por un tubo capilar de dimensiones definidas y bajo una diferencia de presión conocida. El fenómeno de escurrimiento de un líquido sigue la ley de Poiseuille:

La viscosidad puede expresarse como:

η=

(4)

(2)

2.1.3. Viscosidad Relativa (η rel) Se define como la relación entre la viscosidad de una sustancia y un líquido de referencia. No tiene unidades.

Luego:

2

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica η=

Se denomina así a la relación existente entre las densidades absolutas o las masas específicas de dos sustancias, una de las cuales se toma como patrón. También se llama así a la relación entre las masas de volúmenes iguales de dos sustancias. Para los sólidos y líquidos se toma como patrón el agua pura a 4°C.

(7)

Al relacionar el escurrimiento de dos líquidos en un mismo viscosímetro: =

(8)

Así:

2.5. Determinación de la Densidad El método más exacto para determinar las densidades de líquidos y sólidos es el del Picnómetro, que consiste en pesar el mismo volumen de muestra y de líquido de referencia (generalmente agua), para los sólidos el procedimiento se modifica incluyéndose pesadas del sólido y del sólido decantado con agua. Para lograr mejores resultados se deberá realizar una corrección de pesos.

η1, ρ1, t1 : Viscosidad, densidad y tiempo de escurrimiento del líquido que se investiga. η2, ρ2, t2 : Viscosidad, densidad y tiempo de escurrimiento del líquido de referencia (generalmente agua). 2.4. Densidad La densidad es una propiedad que tienen todas las sustancias y depende de su naturaleza (principalmente, del tipo de elementos químicos que contengan y la forma en que se ordenan entre sí), por lo que puede utilizarse para distinguirlas e identificarlas. Pero también depende de la temperatura a la que se encuentren. Normalmente, los objetos se expanden ligeramente al calentarse y se contraen al enfriarse. Esto provoca cambios en el su volumen (el espacio que ocupan) y, por tanto, hace cambiar su densidad.[5]

3. Detalles Experimentales 3.1. Medición de la Viscosidad de Líquidos con el Viscosímetro Ostwald Se lavó el viscosímetro con solución sulfocrómica o detergente. Se enjuagó con agua de caño y finalmente con agua destilada, luego se secó en la estufa. Se midió con una pipeta y se colocó agua destilada en el viscosímetro en cantidad suficiente como para llenar 2/3 del bulbo B1 (ver figura 1.4). Se anotó el volumen utilizado. Se colocó el viscosímetro en un baño de temperatura constante T1°C y se dejó unos 3 minutos para que adquiera la temperatura del baño. El baño deberá cubrir el bulbo B2 (b). Se colocó una bombilla de jebe en el extremo del viscosímetro e hizo subir el líquido en el bulbo B2. Se midió el tiempo que demora el líquido en pasar entre las marcas a y b. Se efectuó al menos dos mediciones para cada temperatura T1 y T2. Se limpió bien el viscosímetro y se secó en la estufa. Se realizó los pasos indicados anteriormente con la muestra problema, a las mismas temperaturas T1 y T2, empleando un

Para los líquidos se pueden definir los siguientes conceptos: 2.4.1. Densidad Absoluta Se define como la masa por unidad de volumen de una sustancia. Depende de la temperatura y presión, para los líquidos y sólidos la temperatura se indica como un exponente: Por ejemplo d20. 2.4.2.Densidad Relativa Específica

o

Gravedad

3

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica volumen de muestra igual al del agua usado en (b).

Tiempo escurrimiento (min) 2:11 1:39

Temperatura ºC 20 30

Tabla 3: Tiempo de escurrimiento del 2-propanol Temperatura ºC 20 30

3.2. Determinación de la densidad de la Solución mediante el método del Picnómetro. Se lavó el picnómetro con solución sulfocrómica o detergente, se enjuagó con agua de caño y agua destilada y se secó en la estufa. Se mojó la parte exterior del picnómetro, luego se secó con un papel de filtro o con papel toalla, se pesó el picnómetro (W1)(b). Se llenó el picnómetro con agua destilada y se sumergió en un baño de temperatura constante T1°C, teniendo cuidado de llenar completamente el picnómetro, hasta el capilar, después de 5 minutos se retiró el picnómetro del baño, se secó exteriormente y se pesó (W2)(c). Se retiró el agua del picnómetro, se secó en la estufa, se dejó enfriar y se volvió a pesar como en (b) (W3). Se repitió (c) usando la solución alcohólica en lugar de agua (W4) a las temperaturas que se le indique.

Tabla 4: Pesos del picnómetro en función de la temperatura T (ºC) 20 30

W2 (g)

W3 (g)

16,7661 27,5848 16,9646 27,6717

Temperatura (ºC) 20 30

W4 (g)

16,7661 25,4612 16,9646 25,2355

Viscosidad (cP) 1,002 0,7977

Tabla 6: Viscosidades teóricas del 2-propanol [7]

4.1. Tablas de Datos Experimentales

Temperatura (ºC) 20 30

Tabla 1: Condiciones del laboratorio Temperatura 19ºC

W1 (g)

Tabla 5: Viscosidades teóricas del agua [6]

4. Análisis y Discusión de Resultados

Presión 756mmHg

Tiempo escurrimiento (min) 6:22 4:06

%HR 85%

Viscosidad (cP) 2,433 1,780

Tabla 7: Densidades teóricas del agua [6]

Tabla 2: Tiempo de escurrimiento del agua destilada

Temperatura (ºC) 20 30

4

Densidad (g/mL) 0,9982 0,9956

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica Tabla 8: Densidades teóricas del 2-propanol [7] Temperatura (ºC) 20 30

4.2.2. Determinación del Coeficiente de Expansión Térmica (β β)

3

Densidad (g/cm ) 0,7855 0,7768

T 

T

0

1   (T0  T )

4.2. Tablas de Cálculos Experimentales 4.2.1. Determinación de la Densidad experimental del 2-propanol con el Método del Picnómetro

2-propanol =

Gravedad específica

GeTT1 1 

Gravedad específica (2Propanol a 20°C) =

w4 w3 w2  w1

= =

Gravedad específica (2Propanol a 30°C)

4.2.3. Determinación de la Viscosidad Absoluta del 2-propanol

=

=

=

=

Densidad experimental 2-propanol

T   Ge  T4 1

T1

T1 T1

= 20ºC Densidad Experimental (2Propanol a 20°C)

=2,349

Densidad Experimental (2Propanol a 30°C)

= =

30ºC

=

=1,531 =

= 7691

5

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica temperaturas. Con los datos obtenidos en la determinación de viscosidades se evidenció una disminución en la viscosidad de la muestra a medida que se aumentaba la temperatura. La grafica ln (η) vs 1/T nos muestra cómo la viscosidad varía con la temperatura. A partir de esta figura se debe observar que la viscosidad de las soluciones disminuye con un aumento en la temperatura debido a que las moléculas de las soluciones están bastante próximas entre sí, con intensas fuerzas de cohesión entre las moléculas, y la resistencia al movimiento relativo entre capas adyacentes del fluido está relacionada con esas fuerzas intermoleculares. A medida que aumenta la temperatura, las fuerzas de cohesión se reducen con una disminución correspondiente de la resistencia al movimiento. Como la viscosidad es un indicador de esta resistencia, se puede afirmar que la viscosidad se reduce al aumentar la temperatura.

4.3. Tablas de % Error 4.3.1. Tabla de %E de Densidad del 2propanol Densidad del 2-propanol = 20ºC = 1%

= 30ºC =

%

4.3.2. Tabla de %E de Viscosidad del 2propanol

5. Conclusiones Se concluyó que a medida aumenta la temperatura, el valor de la densidad y de la viscosidad va a disminuir. Con respecto al viscosímetro de Ostwald, se concluyó que se pueden determinar adecuadamente los tiempos en los que el líquido va a pasar de un punto A, a un punto B. Por otro lado,se observó que el ln(η) vs 1/T tiene una tendencia lineal y se acerca al teórico por lo que se concluyó que el método de viscosímetro de Ostwald es adecuado para este tiempo de experimentos .Se concluyó que tanto la densidad como la viscosidad de cualquier sustancia son función de la temperatura y a una misma temperatura, guardan relación directa con la masa molecular de la sustancia. Respecto a las mediciones usando el picnómetro, se concluyó que este instrumento es muy preciso para la determinación de la densidad,

Viscosidad del 2-propanol

20ºC

= = %

= 30ºC =

%

Para la determinación de la densidad del 2propanol se obtuvieron resultados muy cercanos a los teóricos demostrando que el método del picnómetro es muy preciso, aunque para estar más seguros se podrían haber ensayado más pruebas a diferentes 6

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica ya se que obtuvo un porcentaje de error relativamente bajo.

naturales/viscosidad#:~:text=La%20viscosid ad%20es%20una%20caracter%C3%ADstica ,a%20fluir%2C%20m%C3%A1s%20viscosi dad%20poseen.&text=Cuanto%20m%C3% A1s%20viscoso%20sea%20el%20fluido%2 0m%C3%A1s%20resistencia%20opondr%C 3%A1%20a%20su%20deformaci%C3%B3n . [5] La densidad - Clickmica [Internet]. Clickmica. 2020 [cited 1 July 2020]. Available from:https://clickmica.fundaciondescubre.es/ conoce/descubrimientos/la-densidad/

6. Referencias bibliográficas [1] Metrología ¿Por qué es importante medir la viscosidad? [Internet]. gob.mx. 2020 [cited 1 July 2020]. Available from:https://www.gob.mx/cenam/articulos/p or-que-es-importante-medir-laviscosidad?idiom=es [2] Superfluídos, los líquidos capaces de atravesar sólidos y vencer la gravedad [Internet]. El Español. 2020 [cited 1 July 2020]. Available from:https://www.elespanol.com/omicrono/t ecnologia/20140719/superfluidos-liquidoscapaces-atravesar-solidos-vencergravedad/17748363_0.html [3] [Internet]. 2020 [cited 1 July 2020]. Available from:https://brainly.lat/tarea/8706926#:~:tex t=La%20densidad%20representa%20un%20 variable,de%20bombas%2C%20h%C3%A9l ices%2C%20tuber%C3%ADas%2C [4] [Internet]. 2020 [cited 1 July 2020]. Available from:https://deconceptos.com/ciencias-

[6] [Internet]. Webs.ucm.es. 2020 [cited 1 July 2020]. Available from: https://webs.ucm.es/info/Geofis/practicas/pr opiedades%20agua.pdf [7] Densities and viscosities of aqueous solutions of 1-propanol end 2-propanol at temperatures from 293.15K to 333.15 K [Internet]. ScienceDirect [cited 1 July 2020]. Available from: https://www.sciencedirect.com/science/article/ abs/pii/S0167732207000542

7

Universidad Nacional Mayor de San Marcos, Facultad de Química e Ingeniería Química, Curso de Fisicoquímica 7. Gráfico de ln( ) vs 1/T

ln(𝜂 𝜂) vs 1/T 0.45 0.4 0.35

ln(𝜂 𝜂)

0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1/T

Figura 1: Gráfico de ln( ) vs 1/T

8

0.6

0.7...