Laboratorio 3 Viscosidad de los Líquidos PDF

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICADEPARTAMENTO DE ENERGIA Y AMBIENTEGUÍA DE LABORATORIO # 3CURSO: Mecánica de Fluidos ITÍTULO DE LA EXPERIENCIAMedición de propiedades: Viscosidad de líquidosObjetivo general: Extender el estudio de las propiedades de los fluidos a través...

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DEPARTAMENTO DE ENERGIA Y AMBIENTE GUÍA DE LABORATORIO # 3 CURSO: Mecánica de Fluidos I TÍTULO DE LA EXPERIENCIA Medición de propiedades: Viscosidad de líquidos Objetivo general: Extender el estudio de las propiedades de los fluidos a través de su medición. Objetivos específicos: ─ Establecer métodos para la medición de la viscosidad de los líquidos. ─ Reconocer las limitaciones y nivel de precisión del mecanismo de medición utilizado. Metas: ─ Determinar la densidad del fluido al que se le desea medir la viscosidad. ─ Determinar el tiempo que demora una esfera de masa y dimensiones conocidas en caer libremente a través del fluido. ─ Aplicar un balance de fuerza para determinar la fuerza de arrastre que actúa sobre la esfera. ─

Determinar la viscosidad del fluido utilizando la fuerza de arrastre calculada.

Contenido: El principio a utilizar para medir la viscosidad en esta experiencia es la fuerza de arrastre. La fuerza de arrastre está relacionada con la resistencia al movimiento de un sólido que ofrece el movimiento relativo de un fluido con respecto al solido (ver secciones 11-1 a 11-4 del libro de Çengel y Cimbala, 2007). En la caída libre de un sólido, en el caso de la experiencia a realiza una esfera, sometido a un campo gravitatorio y un fluido en reposo actúan tres fuerzas: gravedad, fuerzas de flotación (ver sección 3-7 del libro de Çengel y Cimbala, 2007) y la fuerza de arrastre. Considerando la dirección en la que actúa el campo gravitatorio como positiva, la segunda ley de Newton aplicada a la esfera está dada por, (1)

donde, Wesf es el peso de la esfera, Fflot es la fuerza de flotación, FD es la fuerza de arrastre, mesf es la masa de la esfera, y a es la aceleración en la dirección de acción del campo gravitatorio. La fuerza de arrastre es proporcional a la velocidad de la esfera de acuerdo a la relación, (2)

donde CD es el coeficiente de arrastre, A es el área superficial de la esfera, r es la densidad del fluido y V es la velocidad de la esfera. El coeficiente de arrastre es función del número de Reynolds . Diferentes valores de este coeficiente de arrastre se pueden encontrar en el libro de Çengel y Cimbala, 2007. En la aplicación de la segunda ley de Newton de la Ecuación (1), se observa que la velocidad de la esfera aumenta mientras la el peso de la esfera sea mayor a la suma de las fuerzas de flotación y arrastre. Recordando que el fluido que involucrado en la fuerza de flotación es un líquido, esta fuerza es constante mientras el sólido este completamente sumergido. El incremento de la velocidad de la esfera hace que la fuerza de arrastre aumente al punto que esta fuerza en conjunto con la fuerza de flotación hace balancean el peso de la esfera alcanzado lo que se conoce como velocidad terminal. La velocidad terminal es el concepto a utilizar en esta experiencia. Si la esfera ha alcanzado la velocidad terminal, la Ecuación (1) se reduce a, (3)

donde Resf es el radio de la esfera. Para números de Reynolds menores o iguales a 1, la Ecuación (3) se puede simplificar a,

(4)

Conociendo la densidad de la esfera y el radio de la esfera al igual que la densidad del líquido, la Ecuación (4) se puede utilizar para determinar la viscosidad siempre y cuando se conozca la velocidad. La determinación de la velocidad (terminal) se presenta en la metodología de la experiencia a continuación. ORGANIZACIÓN DE LOS GRUPOS DE TRABAJO: Los estudiantes trabajarán en subgrupos de 3 a 5 aproximadamente, y confeccionarán el borrador de la experiencia realizada. Los resultados de cada subgrupo se discuten al final con todos los grupos.

METODOLOGÍA y PROCEDIMIENTO ─ Mediciones. ─ Discusión grupal de los resultados y la experiencia. ─ Análisis cuantitativo de los resultados. ─ Análisis cualitativo de los resultados. Para completar la experiencia se realizarán los siguientes pasos: 1. Determine las características físicas de la esfera a probar (masa, volumen). 2. Vierta el líquido al cual se le desea determinar la viscosidad en un tubo lo suficientemente largo que permita la medición del tiempo requerido para que la esfera se desplace de un punto a otro. 3. Determine la temperatura del líquido. 4. Deje caer la esfera en el líquido contenido en el tubo y determine el tiempo requerido para que la esfera se desplace entre dos puntos de distancia conocida el tubo.

5. Asumiendo que la velocidad terminal se alcanza antes del primer punto marcado en el tubo, determine la velocidad de la esfera dividiendo el desplazamiento entre el tiempo medido. 6. Utilice la Ecuación 4 para calcular la viscosidad del líquido. 7. Repita los pasos 1 a 7 con el mismo fluido y esferas de diferente diámetro. Determine una viscosidad promedio del líquido. 8. Repita los pasos 1 a 8 para al menos otro fluido. 9. Compare los resultados con valores de viscosidad tabulados en tablas. Recursos: 1. Espacio físico. 2. Tubo de prueba con puntos marcados y distancia medida. 3. Esferas de diferentes diámetros y materiales. 4. Fluidos de prueba. 5. Cronómetro. 6. Termómetro. 7. Balanza. 8. Probeta graduada. 9. Texto de referencia y otros recursos bibliográficos. Resultados: Actividad # 1 Calcular la viscosidad para los fluidos que se presenta en la tabla #1 . Actividad # 2 Comparar la viscosidad de los fluidos de la tabla # 1 con valores encontrados en tablas.

Pregunta 1. Buscar otros métodos para el cálculo de viscosidad (2 por lo menos). Referencia: 1. Çengel, Y., Cimbala, J., 2007, MECANICA DE FLUIDOS: Fundamentos y Aplicaciones, McGraw-Hill

Anexo Datos para el desarrollo del laboratorio Esferas

Masa (g)

Diámetro (mm)

Agua

Miel

Aceite de motor

---

8.04

---

19

Bmetalc.c

0.4

Bmetal.c

2.0

8.45

---

7.49

---

19.2

Bporcelana

3.2

13.42

0.62

---

0.81

35

Bnegra.g

20.8

24.99

0.6375

---

0.73

35

Bmetal.g

21.8

17.38

0.48

---

0.47

35

𝜌𝑚𝑖𝑒𝑙= 1270 Kg/m^3 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎=933 Kg/m^3 𝜌𝑎𝑐𝑒𝑖𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟=825 Kg/m^3

4.79

Altura(cm)

Tiempos de caída (seg)...