6 formas de medir la viscosidad de fluidos

La viscosidad es una de las propiedades físicas más esenciales de los fluidos industriales, como recubrimientos, pinturas y adhesivos.

Esencialmente, la viscosidad indica la resistencia de un fluido a la deformación por esfuerzos cortantes o de tracción. En otras palabras, esta propiedad describe la fricción entre las moléculas de fluido que provocan un movimiento relativo de oposición entre las capas de fluido que se mueven a diferentes velocidades. La viscosidad puede ser una pista sobre cómo se comportará un fluido bajo una fuerza aplicada o su propio peso.

Cuanto más viscoso es un fluido, más "espeso" parece ser. Por ejemplo, el aceite o la grasa tienen una mayor viscosidad que el agua y, por lo tanto, parecen más espesos.

Los fabricantes de aceites, revestimientos, pinturas y adhesivos a menudo tienen la tarea de determinar la viscosidad óptima de sus productos para aplicaciones específicas. (Para obtener más información sobre este tema, consulte: Requisitos de servicio y factores ambientales para recubrimientos .)

Los fluidos de baja viscosidad tienden a fluir más fácilmente. Por lo tanto, tener un revestimiento con una viscosidad demasiado baja puede provocar corrimientos y descolgamientos. Por otro lado, un revestimiento con una viscosidad demasiado alta puede resultar “rígido” y difícil de aplicar.

En este artículo, veremos la diferencia entre las viscosidades dinámica y cinemática, así como los diversos métodos con los que se miden.

Viscosidad dinámica

La viscosidad dinámica, también conocida como viscosidad absoluta, es la resistencia de un fluido al flujo de corte debido a una fuerza externa aplicada. Describe la cantidad de resistencia interna que se ofrece cuando una capa del fluido se mueve sobre otra capa en un plano horizontal.

La viscosidad dinámica es especialmente útil cuando se describen fluidos no newtonianos.

Matemáticamente, la viscosidad dinámica se puede expresar como:

μ =τ dy / dc =τ/γ

donde:

• τ =esfuerzo cortante en el fluido (N/m ² ).
• μ =viscosidad dinámica del fluido (N·s/m ² ).
• dc =velocidad unitaria (m/s).
• dy =unidad de distancia entre capas (m).
• γ =dc / dy =tasa de corte (s ^-1 ).

La unidad SI para la viscosidad dinámica es N s/m ² o el Pascal-segundo (Pa s). Otra unidad de medida de la viscosidad dinámica es el poise (p), donde un poise equivale a una décima de N s/m ² o 1/10 Pa s.

La unidad de equilibrio a veces puede ser demasiado grande para fines prácticos. Por esta razón, la unidad de centipoise (cP) se usa a menudo en su lugar. En la unidad centipoise, un cP equivale a 0,01 P, 0,001 N s/m ² o 0,001 Pa·s.

Viscosidad cinemática

La viscosidad cinemática es simplemente la relación entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido. Refleja la resistencia de un fluido al flujo de corte bajo la influencia de la gravedad, es decir, el flujo de corte debido al propio peso del fluido.

Esta viscosidad es especialmente útil para describir fluidos newtonianos. Matemáticamente, la viscosidad cinemática se puede expresar como:

ν =μ / ρ

donde:

• ν =viscosidad cinemática (m ² /s).
• μ =viscosidad absoluta o dinámica (N·s/m ² ).
• ρ =densidad (kg/m ³ ).

La unidad SI para la viscosidad dinámica es m ² /s. Otra unidad de medida para esta propiedad es Stoke (St), donde un St equivale a 10 ^-4 m ² /s es igual a 1 cm ² /s.

Cuando el valor de viscosidad en Stoke es demasiado grande, a menudo se usa la unidad más pequeña centistoke (cSt) en su lugar. En el centistoke, un cSt equivale a 10 ^-6 m ² /s =1 mm ² /s.

¿Cómo se mide la viscosidad?

Hay varios métodos diferentes para medir la viscosidad dinámica y cinemática. Algunos de los métodos más comunes son los siguientes:

1. Copas de viscosidad

Las copas de viscosidad se utilizan para determinar la viscosidad cinemática de un fluido y, por lo general, están hechas de aluminio anodizado con un orificio de acero inoxidable. (Para obtener más información sobre este tema, consulte: Comprender la corrosión del aluminio .)

Esta prueba relativamente simple consiste en colocar el fluido en un recipiente con una pequeña abertura en la parte inferior. Se permite que el fluido fluya a través de la abertura en una cantidad precisa. El tiempo que tarda el fluido en pasar a través de la abertura se mide y se correlaciona con la viscosidad mediante el uso de tablas proporcionadas para la copa dada.

Las copas de viscosidad se utilizan normalmente para medir la consistencia de pinturas, barnices y productos similares. Luego se usa una tabla para convertir el tiempo de salida (en segundos) a viscosidad en centistokes (cSt).

Las copas Ford y Zahn son algunas de las variedades de copas de viscosidad más utilizadas. Cada diseño de taza es único; por lo tanto, se debe tener cuidado al comparar los valores de viscosidad entre diferentes tipos de copas. Los valores que proporciona una copa de viscosidad son un valor absoluto y no incluyen las tolerancias permitidas, ya que estas difieren considerablemente entre cada uno de los estándares.

2. Viscosímetros vibracionales

Los viscosímetros vibracionales funcionan sumergiendo un resonador electromecánico oscilante en el fluido de prueba y midiendo el grado de amortiguación que ofrece el fluido. El resonador generalmente oscila ya sea torsionalmente o transversalmente y el amortiguamiento puede ser determinado por:

• Registrar la potencia de entrada requerida para mantener el aparato vibrando a una amplitud constante.
• Medición del tiempo de caída de la oscilación después de que se apaga la vibración.
• Medición de la frecuencia del resonador con respecto a ángulos de fase variables.

El viscosímetro de cuarzo es un ejemplo de un viscosímetro vibratorio. Con este método, un cristal de cuarzo oscilante se sumerge en un fluido y la influencia específica sobre el comportamiento oscilante define la viscosidad. Un campo eléctrico aplicado al oscilador hace que el sensor se mueva y da como resultado el corte del fluido. (Para obtener más información sobre este tema, consulte: Corrosión e Interferencia Eléctrica en Estructuras Metálicas Enterradas .)

El movimiento del sensor se ve influenciado por las fuerzas externas (el esfuerzo cortante) del fluido, lo que afecta la respuesta eléctrica del sensor.

3. Viscosímetros rotacionales

Los viscosímetros rotacionales funcionan midiendo el par requerido para rotar un objeto en el fluido de prueba. Así es como se desarrolla el proceso:

1. Una de las superficies es estacionaria.
2. La superficie de contacto se gira mediante una unidad externa.
3. El fluido llena el espacio entre las superficies. Se mide y registra el par necesario para hacer girar un disco o una lenteja a una velocidad predeterminada.

El par que mantiene la velocidad establecida es directamente proporcional a la viscosidad; por lo tanto, el aparato es capaz de generar valores de viscosidad, esfuerzo cortante y velocidad de corte. Debido a que se aplica una fuerza de corte externa al líquido, los viscosímetros rotacionales miden la viscosidad dinámica de un fluido.

Las copas, las pesas, los conos y las placas son todos tipos de viscosímetros rotacionales. Los viscosímetros de copa y bob consisten en cilindros coaxiales de diferentes diámetros. Un volumen de una muestra a cortar se almacena dentro de una celda de prueba; se mide y representa el par necesario para lograr una determinada velocidad de rotación.

Los viscosímetros de cono y placa tienen un medidor de torque preciso que se maneja como una velocidad de rotación discreta. Utiliza un cono de ángulo estrecho muy cerca de una placa plana. La viscosidad se calcula a partir del esfuerzo cortante y la velocidad de corte. (Para obtener más información sobre este tema, consulte: Los efectos de la corrosión en el comportamiento de corte de los materiales .)

4. Viscosímetros capilares

El viscosímetro capilar es uno de los primeros métodos conocidos para determinar la viscosidad de un fluido.

Este método mide el tiempo que tarda un volumen definido de fluido en fluir a través de un tubo capilar en forma de U de diámetro y longitud conocidos. El tubo suele tener dos marcas, una superior y una inferior, que se utilizan como referencia de medición. El tiempo que tarda el fluido en fluir más allá de estas marcas es proporcional a la viscosidad cinemática; por lo tanto, la viscosidad se puede determinar utilizando fórmulas estándar.

Los viscosímetros capilares incluyen los viscosímetros Ostwald y Ubbelohde. Ambos son instrumentos en forma de U, tienen dos bulbos de vidrio y usan tubos capilares. (Para obtener más información sobre cómo el vidrio puede prevenir la corrosión, consulte: Una mirada a los revestimientos de barrera contra la corrosión para la protección contra la corrosión interna .)

Sin embargo, una de las principales ventajas del viscosímetro Ubbelohde es que los valores que obtiene son independientes del volumen total del líquido utilizado. La diferencia clave entre los viscosímetros Ostwald y Ubbelohde es que el viscosímetro Ostwald es adecuado para medir líquidos de viscosidad baja a moderada, mientras que el viscosímetro Ubbelohde es adecuado para medir líquidos de alta viscosidad.

5. Viscosímetros de caída de esfera

El viscosímetro de esfera descendente se utiliza para determinar la viscosidad dinámica del fluido newtoniano transparente.

El concepto consiste en medir el tiempo que tarda una esfera de densidad conocida en caer a través de un tubo lleno de muestra por gravedad. El tubo generalmente se monta en un aparato que puede girar rápidamente 180 grados para permitir la repetición de la prueba. El tiempo promedio de tres pruebas se registra y se usa en una fórmula de conversión para determinar la viscosidad de la muestra.

Los viscosímetros de esfera descendente se utilizan para el control de calidad en diversas industrias, así como en instituciones académicas para ilustrar el método científico. La facilidad de uso y el método sencillo para registrar mediciones de tiempo garantizan resultados de prueba significativos.

6. Consistómetros

Un consistómetro es un aparato compuesto por un canal de metal con una pequeña sección enrejada detrás de una compuerta accionada por resorte. Así es como funciona:

1. La muestra que se analizará se coloca detrás de la puerta con resorte.
2. La puerta se levanta, lo que permite que la muestra fluya libremente por su propio peso.
3. La distancia que recorre el líquido en un tiempo específico se mide a través de las gradaciones del aparato.

El consistómetro en sí no mide los valores de viscosidad directamente; en cambio, permite a los usuarios desarrollar sus propios estándares específicos para los productos que se prueban. Este método es más popular en la industria alimentaria y normalmente se utiliza para medir la viscosidad de productos como ketchup, mayonesa, conservas, rellenos, sopas, alimentos para bebés y aderezos para ensaladas. (Para obtener más información sobre la industria alimentaria, consulte: Las propiedades de corrosión del aluminio y sus aleaciones .)

Factores que afectan a la viscosidad

Hay varios factores de los que depende la viscosidad del fluido. Estos son:

• Temperatura del fluido. Por lo general, la viscosidad de un líquido disminuye con el aumento de la temperatura. Sin embargo, la viscosidad de un gas generalmente aumenta con el aumento de la temperatura.
• Condiciones de flujo. Para flujo laminar, la viscosidad de un líquido permanece constante; mientras que para flujo turbulento cambia la viscosidad.
• Presión. Cuando aumenta la presión, la viscosidad de un gas generalmente aumentará. Para los líquidos, debido a que son incompresibles, la presión no tiene mucho impacto.
• Flujo multifásico. La viscosidad del flujo multifásico cambia según el volumen de cada fase.
• Partículas en Suspensión. Los materiales suspendidos dan como resultado un aumento de la viscosidad.
  
  

Ley de Newton de la viscosidad

The relationship between a fluid's shear stress and shear rate under mechanical stress is governed by Newton’s law of viscosity.

Newton’s viscosity law states that, for a given temperature and pressure, the shear stress between two adjacent layers in a fluid is proportional to the velocity gradients between those layers. Put differently, the ratio of shear stress to shear rate in a fluid is a constant and is viscosity's coefficient.

However, Newton’s law of viscosity applies only to Newtonian fluids. Non-Newtonian fluids do not follow Newton’s law of viscosity; and therefore their viscosity changes and depends on the shear rate.

Conclusion

Viscosity is an important fluid property that is essential for a number of different products in various industries.

Dynamic and kinematic viscosities describe different properties and can produce very different results when testing fluids. It is therefore important to understand the difference between viscosity types and to take appropriate test mechanisms for the sample at hand.