1.2 La Viscosidad
1.2.1 Definición
La viscosidad se puede definir como
una medida de la resistencia a la deformación del fluido. Dicho
concepto se introdujo anteriormente en la Ley de Newton, que relaciona el
esfuerzo cortante con la velocidad de deformación (gradiente de velocidad).
(ecuación 1)
donde,
ï´ : esfuerzo cortante [mPa].
ï viscosidad [mPa•s]
D: velocidad de deformación [s-1]
1.2.2 Unidades
Las unidades de viscosidad más utilizadas son los milipascales por segundo
[mPa•s].
Se debe tener en cuenta que
1000 mPa•s = 1 Pa•s
Además, el sistema cegesimal aún se sigue usando, siendo la unidad de medida el
centiPoise [cp].
La conversión de unidades entre los dos sistemas es:
1 cp = 1 mPa•s
1 Poise = 1 g/cm•s
La tabla siguiente es una aproximación del valor de la viscosidad para
sustancias muy conocidas a temperatura y presión ambientales [1]:
Fluidos Viscosidad aproximada (mPa•s)
Vidrio 1043
Vidrio Fundido 1015
Betún 1011
Polímeros fundidos 106
Miel líquida 104
Glicerol 103
Aceite de oliva 102
Agua 100
Aire 10-2
1.2.3 Tipos de viscosidad
Existen tres tipos de viscosidad [2]: la viscosidad dinámica, la viscosidad
cinemática y la viscosidad aparente.
La viscosidad dinámica o absoluta, denominada “ï” se ha visto anteriormente
en la ecuación 1.Si serepresenta la curva de fluidez (esfuerzo cortante frente
a velocidad de deformación) se define también como la pendiente en
cada punto de dicha curva.
En cambio, la viscosidad aparente “ï” se define como el cociente
entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación. Este
término es el que se utiliza al hablar de “viscosidad” para fluidos no newtonianos
(figura 1).
´
D
Figura 1: Curva de fluidez para representar la viscosidad dinámica y aparente.
Por último existe otro término de viscosidad “ﮓ denominado
viscosidad cinemática, que relaciona la viscosidad dinámica con la densidad del fluido utilizado.
Las unidades más utilizadas de esta viscosidad son los centistokes [cst].
1 stoke = 100 centistokes = cm2/s
Su ecuación es la siguiente
Siendo:
ï® : viscosidad cinemática.
ï viscosidad dinámica .
ï²: densidad del
fluido.
1.2.4 Variables que influyen en la viscosidad [1]
La viscosidad puede estar muy afectada por variables como el gradiente de
velocidad de deformación, la temperatura y la presión entre otros, siendo éstas
las más importantes.
Variación de la viscosidad con la velocidad de deformación
Dicha variación se estudiará más adelante ya que va a
ayudar a clasificar los diferentes tipos de fluidos que se pueden encontrar
desde el punto de vista reológico. La siguiente tablamuestra el rango de
gradientes de velocidad de diversos procesos muy conocidos y sus aplicaciones
[1].
Tipo de proceso Rango típico de gradiente de velocidad (s-1) Aplicaciones
Sedimentación de partículas finas sobre un líquido
10-6- 10-4
Medicinas, pinturas
Nivelación debido a tensión superficial
10-2-10-1
Pinturas, tintas de impresión
Escurrido bajo gravedad
10-1-101 Dar mano de pintura, blanquear lavabos
Extrusión
100-102
Polímeros
Amasado
101-102
Alimentos
Mezclado y agitado
101-103
Líquidos
Flujo en tuberías
100-103
Bombeado
Pulverizado y Pintado
103-104
Secado en spray, pintura
Fricción
104-105
Cremas y lociones para piel
Lubricación
103-107
Motores de gasolina
Variación de la viscosidad con la temperatura:
LÍQUIDOS
La viscosidad disminuye con la temperatura. Existen varias fórmulas que
permiten evaluar la variación de la viscosidad de un
líquido al cambiar la temperatura. Las más importantes son:
A) La ecuación de Arrhenius
(ecuación 2
siendo:
ï : viscosidad dinámica [mPa•s]
A y B: constantes dependientes del líquido
T: es la temperatura absoluta en sC
Como se ve en
la ecuación, la viscosidad disminuye con la temperatura. Esto es debido al
hecho de que, conforme aumenta la temperatura, las fuerzas viscosas son
superadas por la energía cinética,dando lugar a una
disminución de la viscosidad. Por este hecho se deben
extremar las precauciones a la hora de medir la viscosidad, teniendo en cuenta
que la temperatura debe permanecer prácticamente constante.
B) La ecuación de Poiseville (1840)
(ecuación 3
donde
ï0: la viscosidad dinámica a 0 s C.
T: la temperatura en sC.
ït ¢: coeficientes constantes.
GASES
En cuanto a los gases, hay que decir que cuanto mayor es la temperatura, mayor
es la agitación y los choques de las moléculas del gas, oponiéndose al movimiento (mayor
fricción) y produciendo un aumento de la viscosidad del gas.
Variación de la viscosidad con la temperatura y la presión:
De las numerosas ecuaciones utilizadas para determinar la viscosidad en función
de la temperatura y la presión (para líquidos tipo aceites lubricantes), se
propone la de Barus
(ecuación 4)
En esta expresión:
ï0 es la viscosidad a T0 y a presión atmosférica.
A: 1/430
B: 1/36
Variación de la viscosidad con la presión.
La viscosidad (en líquidos) aumenta exponencialmente con la presión. El agua a menos de 30 s C es el único caso en que disminuye.
Los cambios de viscosidad con la presión son bastante pequeños para presiones
distintas de la atmosférica. Para la mayoría
de los casos prácticos, el efecto de la presión se ignora a la hora de hacer
mediciones con el viscosímetro.
