Práctica Propiedades de fluidos Y Presión Hidrostática.

Objetivo:Determinar experimentalmente algunas propiedades de los fluidos.

Densidad.En física el término densidad ( ) es una magnitud referida a lacantidad de masa contenida en un determinado volumen, y puedeutilizarse en términos absolutos o relativos. En términossencillos, un objeto pequeño y pesado, como una piedra o un trozode plomo, es más denso que un objeto grande y liviano, como uncorcho o un poco de espuma.

La densidad es una propiedad física de las sustancias de granimportancia en el análisis de situaciones de estática y dinámicade fluidos. De allí la importancia de contar con métodos yequipos o instrumentos que permitan determinar de forma rápida yprecisa la densidad de un fluido.

La densidad (ρ) es la masa de una unidad de volumen de sustancia ypuede medirse en kg/m3 (SI) y en lbm/ft3 (sistema inglés).

El volumen específico (v) es el espacio o volumen que ocupa una unidadde masa de sustancia y puede medirse en m3/kg (SI) y en ft3/lbm(sistema inglés).

De las definiciones anteriores se deducen las siguientesrelaciones:

v1ρV

mρmVv

Existen otras propiedades importantes asociadas con la densidad,entre las cuales pueden señalarse:

El peso específico (γ) es el peso de una unidad de volumen desustancia y se expresa en N/m3 (SI) y lbf/ft3 (sistema inglés).Por lo tanto:

La densidad relativa (DR) de una sustancia, también llamada gravedadespecífica (S), es la relación entre su densidad y la densidad delagua a una determinada temperatura, por lo general, 4°C. Por lotanto, puede escribirse:

La densidad relativa del petróleo y sus derivados sueleexpresarse en una unidad especial llamada “Grados API”, cuyarelación con “S” es la siguiente:

°API=141,5/S + 131,5

Aunque hay formas muy sencillas que pueden permitir conocer ladensidad de un fluido, contando escasamente con un recipientegraduado que permita hacer mediciones de volumen y una balanza,existen equipos y dispositivos através de los cuales puede

gVgm

VW

ργγγ

3C4AAGUAC4AAGUA m

kg1000SDR OO

ρρρ

hallarse la densidad de una forma más directa y precisa. Entreellos pueden nombrarse la Balanza Westphal y los Densímetros oHidrómetros.

Figura 1. Densímetros o Hidrómetros

Los Densímetros o Hidrómetros son tubos de vidrios que tienen unextremo relleno de plomo y una escala graduada en el otro, loscuales se sumergen en el líquido de densidad desconocida.Dependiendo de la densidad del líquido, el densímetro sesumergirá más o menos en el fluido para equilibrarse, pudiéndoseleer al nivel del líquido el valor de la densidad relativa. (comose muestra en la figura ).

Viscosidad.

La viscosidad es la capacidad que tiene un fluido de fluir libremente.Es definida por el rozamiento interno entre las capas en movimientodel fluido.La viscosidad de un fluido puede medirse a través de un parámetrodependiente de la temperatura, que para fluidos confinados entre dosplacas resulta ser el coeficiente de proporcionalidad de la ley derozamiento de Newton, que demuestra que la fuerza de corte aplicada enun área transversal es proporcional a la velocidad tangencial delfluido definida de la siguiente manera:

dydv x

yx

Donde µ es la constante de viscosidad llamada también viscosidaddinámica, viscosidad absoluta o simplemente viscosidad del fluido.

La unidad física de viscosidad en el Sistema Internacional de Unidadeses el pascal-segundo (Pa·s), que corresponde exactamente a 1 N·s/m² ó1 kg/(m·s). La unidad CGS para la viscosidad dinámica es el poise (p),El centipoise es más utilizado debido a que el agua tiene unaviscosidad muy baja respecto a fluidos viscosos que es de 1,0020 cp a20 °C

1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s.1 centipoise = 1 mPa·s.

La viscosidad cinemática, designada por la letra ν, que resulta serigual al cociente del coeficiente de viscosidad dinámica entre ladensidad del fluido, así: ν = μ/ρ.

La unidad física de la viscosidad cinemática en el Sistema CGS es elStokes (abreviado S o St). A veces se expresa en términos de centistokes(cS o cSt). En el Sistema Internacional es el (m²/s).

1 stokes = 100 centistokes = 1 cm²/s = 0, 0001 m²/s.

 La sociedad de ingenieros automotrices (SAE) ha desarrollado unsistema que indica la viscosidad de los lubricantes que necesitan losdiferentes aparatos a temperaturas específicas. Las especificaciones de valores de viscosidad máxima a bajastemperaturas para aceites está relacionada con la capacidad del aceitepara fluir hacia las superficies que necesitan calibración, a altastemperaturas.

Los aceites que tienen el sufijo W deben tener viscosidadescinemáticas en los intervalos indicados a 100°C.

La clasificación S.A.E. está basada en la viscosidad del aceite a dostemperaturas, 0ºF  y  210ºF, equivalentes a -18º C y 99º C,estableciendo ocho grados S.A.E. para los monogrados y seis para losmultigrados.Por ejemplo, un aceite SAE 10W 50, indica la viscosidad del aceitemedida a -18 grados y a 100 grados, en ese orden. Nos dice  que elACEITE se comporta en frío como un SAE 10 y en caliente como un SAE50. Así que, para una mayor protección en frío, se deberá recurrir aun aceite que tenga el primer número lo más bajo posible y paraobtener un mayor grado de protección en caliente, se deberá incorporarun aceite que posea un elevado número para la segunda.

A causa de la viscosidad, es necesario ejercer una fuerza para obligara una capa de fluido a deslizarse sobre otra. Líquidos con altasviscosidades no forman salpicaduras.

La ley de Stokes se refiere a la fuerza de fricción experimentada por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen laminar de bajos números de Reynolds. Fue derivada en 1851 porGeorge Gabriel Stokes. En general la ley de Stokes es válida en el movimiento de partículas esféricas pequeñas moviéndose a velocidades bajas.

La ley de Stokes puede escribirse como:

Fr = 6πRην

donde R es el radio de la esfera, ν su velocidad y η la viscosidad delfluido.

La condición de bajos números de Reynolds implica un flujo laminar lo cual puede traducirse por una velocidad relativa entre la esfera y el medio inferior a un cierto valor crítico. En estas condiciones la resistencia que ofrece el medio es debida casi exclusivamente a las fuerzas de rozamiento que se oponen al deslizamiento de unas capas de fluido sobre otras a partir de la capa límite adherida al cuerpo. La ley de Stokes se ha comprobado experimentalmente en multitud de fluidos y condiciones.

Si las partículas están cayendo verticalmente en un fluido viscoso debido a su propio peso puede calcularse su velocidad de caída o sedimentación igualando la fuerza de fricción con el peso aparente de la partícula en el fluido, entonces,

donde: Vs es la velocidad de caída de las partículas (velocidad límite)

g es la aceleración de la gravedad, ρp es la densidad de las partículas y ρf es la densidad del fluido.

Otras propiedades de los fluidos.

Cohesión: Esta se puede definir como la fuerza de atracción

que hace que las moléculas de las sustancias se mantengan

unidas entre sí.

Adherencia: Es otra propiedad que se puede definir como la

atracción existente en las moléculas de dos sustancias

diferentes que se encuentran en contacto.

Capilaridad: Es la capacidad que tienen algunos líquidos

como el agua para avanzar a través de un canal minúsculo,

siempre y cuando la sustancia se encuentre en contacto con

ambas paredes del canal y las distancia entre ellas no sea

muy amplia. Relacionado con esta se encuentra también la

característica de la tensión superficial, la cual se podría

definir como, las fuerzas cohesivas que existen entre las

moléculas de un líquido, lo cual provoca que se forme una

película de superficie, que hace más difícil mover un

objeto a través de la superficie, que cuando está

completamente sumergido.

Presión: Esta otra característica se puede definir como la

magnitud que establece la relación entre la fuerza que

ejerce un líquido sobre una unidad de superficie

determinada y se puede calcular mediante la siguiente

fórmula:

P=FuerzaÁrea (3)

Presión Hidrostática: Es la presión que se origina en el

interior del líquido, involucra algunas variables, como la

densidad (ρ) del mismo, la gravedad (g) y la profundidad

(h) en la que se encuentra, por lo tanto esta presión se

puede calcular con la fórmula que se presenta a

continuación:

P=p∗g∗h (4)

Investigación previa

Investigue sobre propiedades que involucren masa y volumen,cómo se definen?

Encuentre valores teóricos de las propiedades mencionadasanteriormente para las siguientes sustancias: Agua,Glicerol, Aceite Mineral, Aceite vegetal, Aceite de motor(SAE 40), Vinagre, alcohol (diferentes grados), jabónlíquido, miel de abeja, Diesel, Gasolina, Kerosene..

Investigue si la temperatura tiene algún efecto sobre laspropiedades mencionadas, si es así cómo las afecta?

Cómo actúa la viscosidad al variar la temperatura en Gasesy en líquidos? Es igual?

Investigue cómo actúa la presión en un fluido en reposo. Que factor influye en la presión del fluido en reposo? Qué sucede con los niveles de fluido de recipientes

conectados entre sí?? Explique.

ProcedimientosViscosidad.

1. Llenar una probeta con el líquido a evaluar.2. Deje caer una esfera (de densidad conocida) en la probeta

con líquido.3. Medir el tiempo que la esfera tarda en llegar al fondo.4. Repita el procedimiento con esferas de diferente diámetro.5. Repita pasos de 1 a 4 con diferentes sustancias..6. Caliente dos de las sustancias y repita pasos de 1 a 4.

Densidad.

Dado que los densímetros tienen una escala graduada, es necesarioconocer de antemano su rango de operación.

a) Utilice los valores teóricos de densidad relativa obtenidosen la investigación previa, para determinar qué sustanciaspueden ser medidas con el o los densímetros disponibles.

b) Llene una probeta hasta la marca superior con la sustancia aevaluar.

c) Introduzca el densímetro seleccionado de modo que flotelibremente en el fluido.

d) Lea en la escala el valor de gravedad específica.

Repita el procedimiento para cada sustancia a evaluar, incluyendoagua.

Capilaridad.

a) Limpie muy bien los paneles a utilizar. b) Coloque un hilo entre los paneles a través de su diagonal.c) Fije los paneles a la base y agregue agua.d) Observe el patrón que se forma.e) Repita con otro hilo diferente. Observe.f) Limpie muy bien la batería de tubos.g) Coloque los tubos en el soporte respectivo.h) Agregue agua a la base del soporte. Observe.i) Repita pasos f) a h) con alcohol.

Presión Hidrostática.

a)Identifique y ubique las válvulas del sistema.b)Asegúrese que las válvulas de descarga de todos los

recipientes se encuentren cerradas.c)Abra ahora las dos válvulas del recipiente cilíndrico y la

válvula superior del tubo delgado.d)Usando la bomba manual, tranfiera agua desde el tanque al

cilindro hasta que el nivel coincida con la primera marcahorizontal del panel en la pared.

e)Note el nivel del agua en todos los recipientes.f)Continúe con el llenado del tanque para los niveles

restantes, y note el nivel del fluido de los recipientes encada uno.

g)Descargue el agua del cilindro hasta el primer nivel.h)Compruebe que la válvula de descarga se encuentre bien

cerrada y la de alimentación de agua al cilindro continúeabierta.

i)Cierre ahora la válvula superior del tubo delgado. Ya éstetubo no estará más abierto a la atmósfera.

j)Haga pasar agua de nuevo al sistema y eleve el nivel delagua hasta la segunda línea horizontal. Observe ahora losniveles del agua en cada recipiente.

k) Repita para la tercera y cuarta línea de nivel. l) Observe la variación en los niveles de los recipientes

Resultados.Con los datos tomados durante la práctica el estudiante deberá:

a) Determinar la densidad (kg/m3), el volumen específico (m3/kg) yel peso específico (N/m3) de los líquidos.

b) Para los derivados del petróleo usados, calcular la densidadrelativa en grados API.

c) Comparar los resultados obtenidos experimentalmente con losencontrados en la literatura.

d) Calcule la velocidad de desplazamiento u en el líquido paracada esfera.

e) Calcule el coeficiente de viscosidad μ (Kg/m.s) y laviscosidad cinemática v (m2/s) para cada sustancia estudiada.

f) Compare los datos obtenidos experimentalmente con losencontrados en su investigación previa.

g) Realice una tabla donde muestre la viscosidad cinemática, ladinámica y la densidad de las sustancias estudiadas.

h) Cómo determinaría experimentalmente la densidad de sustanciassólidas?. Explique.

i) Dibuje o represente el efecto de la capilaridad de lassustancias estudiadas.

j) Se asemeja a lo esperado? k) Describa el comportamiento de la Presión en los recipientes

conectados y abiertos a la atmósfera.l) Cómo afecta si no se encuentran abiertos a la atmósfera?m) A qué se debe ese comportamiento. Explique.

Nota Para realizar los cálculos utilice los datos obtenidos

en forma experimental. Tome el dato de 7,8 como la Gravedad específica del

acero, para las esferas.