Seis métodos probados para medir con precisión 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 tensiones de cizallamiento o tracción. En otras palabras, esta propiedad describe la fricción entre las moléculas del fluido que causa oposición al movimiento relativo entre 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 viscosidades más altas que el agua y, por tanto, parecen más espesos.

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

Los fluidos de baja viscosidad tienden a fluir más fácilmente. Por tanto, tener un recubrimiento con una viscosidad demasiado baja puede causar goteo y colgaduras. Por otro lado, un recubrimiento con una viscosidad demasiado alta puede ser "rígido" y difícil de aplicar.

En este artículo, veremos la diferencia entre 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 cizallamiento debido a una fuerza externa aplicada. Describe la cantidad de resistencia interna ofrecida cuando una capa del fluido se mueve sobre otra capa en un plano horizontal.

La viscosidad dinámica es especialmente útil al describir fluidos no newtonianos.

Matemáticamente, la viscosidad dinámica puede expresarse como:

μ = τ dy / dc = τ/γ

Donde:

• τ = tensión de cizallamiento en el fluido (N/m²).
• μ = viscosidad dinámica del fluido (N·s/m²).
• dc = velocidad unitaria (m/s).
• dy = distancia unitaria entre capas (m).
• γ = dc / dy = tasa de cizallamiento (s⁻¹).

La unidad SI para viscosidad dinámica es N·s/m² o Pascal-segundo (Pa·s). Otra unidad de medida para viscosidad dinámica es poise (P), donde un poise equivale a una décima parte de N·s/m² o 1/10 Pa·s.

La unidad poise a veces puede ser demasiado grande para propósitos prácticos. Por esta razón, la unidad centipoise (cP) se usa a menudo en su lugar. En la unidad centipoise, un cP equivale a 0,01 P, 0,001 N·s/m² 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 cizallamiento bajo la influencia de la gravedad, es decir, flujo de cizallamiento debido al propio peso del fluido.

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

ν = μ / ρ

Donde:

• ν = viscosidad cinemática (m²/s).
• μ = viscosidad absoluta o dinámica (N·s/m²).
• ρ = densidad (kg/m³).

La unidad SI para viscosidad dinámica es m²/s. Otra unidad de medida para esta propiedad es Stoke (St), donde un St equivale a 10⁻⁴ m²/s = 1 cm²/s.

Cuando el valor de viscosidad en Stoke es demasiado grande, la unidad más pequeña centistoke (cSt) se usa a menudo en su lugar. En el centistoke, un cSt equivale a 10⁻⁶ m²/s = 1 mm²/s.

¿Cómo se mide la viscosidad?

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

1. Copas de viscosidad

Las copas de viscosidad se usan para determinar la viscosidad cinemática de un fluido y típicamente están hechas de aluminio anodizado con un orificio de acero inoxidable. (Para más información sobre este tema, véase: Comprender la corrosión del aluminio.)

Esta prueba relativamente simple implica 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. Se mide el tiempo que tarda el fluido en pasar a través de la abertura y se correlaciona con la viscosidad mediante el uso de tablas suministradas para la copa dada.

Las copas de viscosidad se usan típicamente para medir la consistencia de pinturas, barnices y productos similares. Una tabla se usa luego para convertir el tiempo de efflux (en segundos) a viscosidad en centistokes (cSt).

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

2. Viscosímetros vibracionales

Los viscosímetros vibracionales operan sumergiendo un resonador electromecánico oscilante en el fluido de prueba y midiendo el grado de amortiguamiento que el fluido ofrece. El resonador generalmente oscila torsional o transversalmente y el amortiguamiento puede determinarse mediante:

• Registrar la potencia de entrada requerida para mantener el aparato vibrando a una amplitud constante.
• Medir la descomposición temporal de la oscilación después de apagar la vibración.
• Medir la frecuencia del resonador con respecto a ángulos de fase variables.

El viscosímetro de cuarzo es un ejemplo de viscosímetro vibracional. Con este método, un cristal de cuarzo oscilante se sumerge en un fluido y la influencia específica en el comportamiento oscilante define la viscosidad. Un campo eléctrico aplicado al oscilador causa que el sensor se mueva y resulta en el cizallamiento del fluido. (Para más información sobre este tema, véase: Corrosión e interferencia eléctrica en estructuras metálicas enterradas.)

El movimiento del sensor es entonces influenciado por las fuerzas externas (el esfuerzo de cizallamiento) 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 acoplada es rotada por una unidad externa.
3. El fluido llena el espacio entre las superficies. Se mide y registra el par requerido para rotar un disco o cilindro a una velocidad predeterminada.

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

Copas, cilindros, conos y placas son todos tipos de viscosímetros rotacionales. Los viscosímetros de copa y cilindro consisten en cilindros coaxiales de diferentes diámetros. Un volumen de muestra a cizallar se almacena dentro de una celda de prueba; se mide y grafica el par requerido para lograr una cierta velocidad de rotación.

Los viscosímetros de cono y placa tienen un medidor de par preciso que se acciona a velocidad de rotación discreta. Usa un cono de ángulo estrecho en proximidad cercana a una placa plana. La viscosidad se calcula a partir del esfuerzo de cizallamiento y la tasa de cizallamiento. (Para más información sobre este tema, véase: Los efectos de la corrosión en el comportamiento de cizallamiento de materiales.)

4. Viscosímetros capilares

El viscosímetro capilar es uno de los métodos más antiguos conocidos para determinar la viscosidad de fluidos.

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 usualmente tiene dos marcas, una superior e inferior, que se usan como referencia de medición. El tiempo que tarda el fluido en fluir pasado estas marcas es proporcional a la viscosidad cinemática; por tanto, la viscosidad puede determinarse usando 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 más información sobre cómo el vidrio puede prevenir la corrosión, véase: Una mirada a los revestimientos de barrera contra corrosión para protección interna contra corrosión.)

Una ventaja principal del viscosímetro Ubbelohde, sin embargo, es que los valores que obtiene son independientes del volumen total de líquido usado. 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 esfera descendente

El viscosímetro de esfera descendente se usa para determinar la viscosidad dinámica de fluidos newtonianos transparentes.

El concepto implica medir el tiempo que tarda una esfera de densidad conocida en caer a través de un tubo lleno de muestra bajo gravedad. El tubo usualmente está montado en un aparato que puede rotar rápidamente 180 grados para permitir pruebas repetidas. 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 usan para control de calidad en varias industrias así como en instituciones académicas para ilustrar el método científico. La facilidad de uso y el método sencillo para registrar mediciones de tiempo aseguran resultados de prueba significativos.

6. Consistómetros

Un consistómetro es un aparato compuesto por una canaleta metálica con una pequeña sección barrada detrás de una compuerta con resorte. Así es como funciona:

1. La muestra a probar se coloca detrás de la compuerta con resorte.
2. La compuerta se levanta, permitiendo que la muestra fluya libremente bajo su propio peso.
3. La distancia que fluye el líquido en un tiempo específico se mide a través de las graduaciones del aparato.

El consistómetro en sí no mide valores de viscosidad directamente; en su lugar, 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 se usa típicamente para medir la viscosidad de productos como ketchup, mayonesa, conservas, rellenos, sopas, alimentos para bebés y aderezos para ensaladas. (Para más información sobre la industria alimentaria, véase: Las propiedades de corrosión del aluminio y sus aleaciones.)

Factores que afectan la viscosidad

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

• Temperatura del fluido. Usualmente, la viscosidad de un líquido disminuye con un aumento de temperatura. Sin embargo, la viscosidad de un gas usualmente aumenta con un aumento de temperatura.
• Condiciones de flujo. Para flujo laminar, la viscosidad de un líquido permanece constante; mientras que para flujo turbulento la viscosidad cambia.
• Presión. Cuando la presión aumenta, la viscosidad de un gas usualmente aumentará. Para líquidos, como son incompresibles, la presión no tiene mucho impacto.
• Flujo multifásico. La viscosidad del flujo multifásico cambia por el volumen de cada fase.
• Partículas suspendidas. Los materiales suspendidos resultan en aumento de la viscosidad.

Ley de viscosidad de Newton

La relación entre el esfuerzo de cizallamiento y la tasa de cizallamiento de un fluido bajo estrés mecánico se rige por la ley de viscosidad de Newton.

La ley de viscosidad de Newton establece que, para una temperatura y presión dadas, el esfuerzo de cizallamiento entre dos capas adyacentes en un fluido es proporcional a los gradientes de velocidad entre esas capas. Dicho de otra manera, la relación entre el esfuerzo de cizallamiento y la tasa de cizallamiento en un fluido es una constante y es el coeficiente de viscosidad.

Sin embargo, la ley de viscosidad de Newton solo se aplica a fluidos newtonianos. Los fluidos no newtonianos no siguen la ley de viscosidad de Newton; y por tanto, su viscosidad cambia y depende de la tasa de cizallamiento.

Conclusión

La viscosidad es una propiedad importante de los fluidos que es esencial para una serie de productos diferentes en varias industrias.

Las viscosidades dinámica y cinemática describen propiedades diferentes y pueden producir resultados muy diferentes al probar fluidos. Por tanto, es importante entender la diferencia entre los tipos de viscosidad y tomar mecanismos de prueba apropiados para la muestra en cuestión.