PRACTICA 4 REOMETRIA FUNDAMENTOS PDF

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Desarrollo de la práctica 4 y procedimiento de cálculos, además de fundamentos teóricos...

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA ACADEMIA DE OPERACIONES UNITARIAS

Laboratorio de Fundamentos de Fenómenos de Transporte Práctica “Reometría” o Profesor:

José Alberto Murillo Hernández

Fecha: 19/Mayo/2021

OBJETIVO El objetivo de esta práctica es conocer el comportamiento en flujo de dos fluidos, además de comparar sus viscosidades. A partir de la gráfica de la curva de flujo identificar los comportamientos reológicos que pueden adquirir y compararlos con respecto a uno newtoniano. Además de observar y conocer la aplicación de un viscosímetro rotacional de cilindros concéntricos.

Introducción La reometría es el conjunto de técnicas cabo mediciones de parámetros reológicos.

desarrolladas

para

llevar

a

La reología es la parte de la física que estudia la relación entre el esfuerzo y la deformación en los materiales que son capaces de fluir. La reología es una parte de la mecánica de medios continuos. Una de las metas más importantes en reología es encontrar ecuaciones constitutivas para modelar el comportamiento de los materiales, dichas ecuaciones son, en general, de carácter tensorial. Las propiedades mecánicas estudiadas por la reología se pueden medir mediante reómetros, aparatos que permiten someter al material a diferentes tipos de deformaciones controladas y medir los esfuerzos o viceversa. Algunas de las propiedades reológicas más importantes son: • • • • •

Viscosidad aparente (relación entre esfuerzo de corte y velocidad de corte) Coeficientes de esfuerzos normales Viscosidad compleja (respuesta ante esfuerzos de corte oscilatorio) Módulo de almacenamiento y módulo de pérdidas (comportamiento viscoelástico lineal) Funciones complejas de viscoelasticidad no lineal

Los estudios teóricos en reología en ocasiones emplean modelos microscópicos para explicar el comportamiento de un material. Por ejemplo, en el estudio de polímeros, éstos se pueden representar como cadenas de esferas conectadas mediante enlaces rígidos o elásticos. 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. Generalmente se representa por la letra griega μ. Se conoce también otra viscosidad, denominada viscosidad cinemática, y se representa por ν. Para calcular la viscosidad cinemática basta con dividir la viscosidad dinámica por la densidad del fluido: 𝜇 𝑉= 𝜌 FLUIDO. Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le somete a un esfuerzo cortante, sin importar lo pequeño que sea el esfuerzo aplicado NEWTONIANO.

Es un fluido cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo, aquellos fluidos donde el esfuerzo de corte es directamente proporcional a la rapidez de deformación La curva que muestra la relación entre el esfuerzo o cizalla contra su tasa de deformación es lineal y pasa por el origen. El mejor ejemplo de este tipo de fluidos es el agua en contraposición al pegamento, la miel o los geles que son ejemplos de fluido no newtoniano. Un buen número de fluidos comunes se comportan como fluidos newtonianos bajo condiciones normales de presión y temperatura: el aire, el agua, la gasolina, el vino y algunos aceites minerales.

NO NEWTONIANO. Un fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad (resistencia a fluir) varía con el gradiente de tensión que se le aplica, es decir, se deforma en la dirección de la fuerza aplicada. Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante a diferencia de un fluido newtoniano. Estos fluidos se pueden caracterizar mejor mediante otras propiedades que tienen que ver con la relación entre el esfuerzo y los tensores de esfuerzos bajo diferentes condiciones de flujo, tales como condiciones de esfuerzo cortante oscilatorio.

Material y Equipo

El equipo para utilizar en esta práctica es el siguiente: •

Un viscosímetro rotacional de la marca Anton-Para modelo RheoLab QC que cuenta con un motor y una balanza dentro nos da esfuerzo de corte y velocidad de corte. El líquido se pone en el cilindro y luego se coloca la geometría.

•

Debido a la agitación mecánica tiene una chaqueta el cual tiene dentro un vaso con un fluido que permite controlar la temperatura. Además, tiene un cilindro concéntrico para determinar el esfuerzo y la rapidez de corte.

•

Un ordenador que va a mandar un dato mediante una tarjeta y gracias a que la geometría está dando una velocidad de cizalla se va a poder leer en el software y de esta manera leer una viscosidad y el esfuerzo de corte el cual se visualizara en un gráfico.

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

DATOS EXPERIMENTALES

τ

γ (1/s)

(Pa)

3.07

10

3.75

11.3

4.6

12.7

6.08

14.4

9.31

16.2

14.8

18.3

23.8

20.7

36.8

23.4

53.2

26.4

71.9

29.8

93

33.6

Observaciones: Observamos que el esfuerzo de corte es directamente proporcional a los valores de la rapidez de corte pues en cada corrida aumentan ambas medidas. No tienen un crecimiento constante pues su crecimiento es variable.

DIAGRAMA DE CÁLCULOS

Viscocidad experimental 𝑟𝒆𝒙𝒑

𝜼𝒆𝒙𝒑 = 𝜸

}

𝒆𝒙𝒑

Gráfica de esfuerzo vs velocidad.

Cálculo de %error 𝜼𝒆𝒙𝒑 − 𝜼𝒕𝒆𝒐 %𝒆𝒓𝒓𝒐𝒓 = ∗ 𝟏𝟎𝟎 𝜼 𝒆𝒙𝒑

Ajuste de datos 𝒚 = 𝑨 ∙ 𝒙𝑩 → 𝑟 = 𝒎 ∙ 𝜸𝒏

Velocidad teórica. 𝜼𝒕𝒆𝒐 = 𝒎 ∙ 𝜸𝒏−𝟏

TABLA DE RESULTADOS

𝑟

𝜼𝒆𝒙𝒑

𝜼𝒕𝒆𝒐

%error

10

3.2573

3.5218

-8.1202

11.3

3.0133

3.0763

-2.0907

12.7

2.7609

2.6795

2.9483

14.4

2.3684

2.2191

6.3038

16.2

1.7401

1.6638

4.3848

18.3

1.2365

1.2163

1.6336

20.7

0.8697

0.8822

-1.4373

23.4

0.6359

0.6571

-3.3339

26.4

0.4962

0.5122

-3.2245

29.8

0.4145

0.4179

-0.8203

33.6

0.3613

0.3512

2.7955

ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES En los resultados podemos observar que ambas viscosidades son proporcionales entre sí. Ambas disminuyen con respecto al paso de las corridas. Con el cálculo del porcentaje de error tenemos que los cálculos entran en el intervalo de error, sin embargo, el único dato que excede ese intervalo es la primera corrida. Por lo que podemos suponer que ocurrió un error en el momento de medición. Lo anterior se confirma al graficar los datos, pues ambas líneas van en descenso y también los datos no varían bastante entre la experimental y la teórica, si se observa la separación entre ambas no es mucho. De hecho, ambas líneas llegan a sobreponerse uno a la otra. Al graficar los datos tenemos la curva de flujo, que surge de graficar el esfuerzo cortante vs la rapidez de corte. Si la comparamos con un ejemplo del comportamiento de flujo newtoniano, que podría ser la base de comparación por lo que podemos concluir que el fluido utilizado dentro de la experimentación se clasifica como pseudoplástico y con ello también que es un fluido no newtoniano. Además, si observamos las viscosidades teóricas podemos catalogar los fluidos en dos, en fluido dilatante (mayores a 1) y fluido adelgazante (menores a 1). En conclusión, es muy sencillo catalogar el tipo de fluido con el que se trabaja si se conoce su viscosidad y la rapidez de corte, pero tenemos que tomar en cuenta que los fluidos pueden ponerse en movimiento con cierto tipo de esfuerzo, pero también dependerá de la viscosidad. Pues algunos fluidos son más propensos a tener menor esfuerzo que otros, aunque también depende de las condiciones a las que se vean sometidas, caso que vemos con la manipulación de la temperatura.

BIBLIOGRAFÍA...