Viscosímetro

Un viscosímetro é un instrumento utilizado para medir a viscosidade dun fluído. Para líquidos con viscosidades que varían coas condicións de fluxo, emprégase un instrumento chamado reómetro. Os viscosímetros, porén, só miden viscosidades baixo unha única condición de fluxo.

En xeral hai dous tipos de viscosímetro: ou ben o aparello permanece quedo e é o líquido o que se move polo seu interior, ou ben o líquido permanece quedo e o viscosímetro é o que se move no seu seo. A fricción causada polo movemento relativo entre o fluído e unha superficie é a chamada viscosidade. As condicións de fluxo teñen que ter un valor suficientemente pequeno do coeficiente de Reynolds para que o fluxo sexa laminar.

A 20,00 °C a viscosidade da auga é 1.002 mPa·s e a súa viscosidade cinética (relación entre a viscosidade e a densidade) é 1.0038 mm²/s. Estes valores son utilizados para calibrar os distintos tipos de viscosímetro.

Viscosímetros estándar de laboratorio para líquidos

O viscosímetro de Ostwald mide a viscosidade dun fluído a partir dunha densidade coñecida.

Viscosímetros de tubo en U

Estes dispositivos tamén son coñecidos como viscosímetros de vaso capilar ou viscosímetros de Ostwald, en honor a Wilhelm Ostwald. Consisten nun tubo en forma de “U” suxeito verticalmente no interior dun baño térmico. Un dos brazos ten na súa parte baixa un diámetro interno moi reducido, a chamada zona capilar. Por riba disto hai un bulbo, ó igual que no outro brazo hai outro similar pero situado máis abaixo. Para usalo hai que succionar o líquido cara ao bulbo superior e logo deixalo fluír de novo cara a abaixo polo efecto da gravidade cara ao bulbo máis baixo. Contén dúas marcas arriba e abaixo do bulbo superior que delimitan un volume coñecido. O tempo que tarda o líquido entre a primeira e a segunda marca é proporcional á viscosidade cinética.

Para obter os resultados utilizaríamos a ecuación do viscosímetro:

$\eta =A\rho t\,$

Onde:

• “$\eta$” é a viscosidade cinética
• ”$A$” é a constante do viscosímetro
• ”$\rho$” é a densidade do fluído
• ”$t$” é o tempo medido.

Viscosímetros de bóla en caída libre

Viscosímetro de bóla en caída libre.

A Lei de Stokes é o fundamento dos viscosímetros de bólas, no cal o fluído permanece quedo nun tubo de vidro vertical. Unha esfera de densidade e tamaño coñecido déixase descender polo fluído. A partir de dúas marcas no tubo obtemos a velocidade terminal (ou límite). Pódense utilizar tamén aparellos electrónicos para calcular a viscosidade en fluídos opacos. Sabendo a velocidade terminal, o tamaño, a densidade da esfera e a densidade do líquido, a lei de Stokes dános a densidade do fluído. Normalmente, úsase unha serie de bólas de aceiro de diámetro diferente para afinar os resultados do experimento e mellorar a precisión no cálculo.

En 1851, George Gabriel Stokes derivou unha expresión para a forza de rozamento exercida en obxectos esféricos con moi pequeno número de Reynolds (p.ex.: partículas moi pequenas) nun fluído viscoso continuo aplicando as Ecuacións de Navier-Stokes a masas infinitesimales de fluídos:

$F=6\pi r\eta v\,$

Onde:

• $F$ é a forza de rozamento,
• $r$ é o radio do obxecto esférico,
• $\eta$ é a viscosidade do fluído
• $v$ é a velocidade da partícula.

Se as partículas están caendo no fluído viscoso polo seu peso propio, a velocidade terminal acádase cando a forza de rozamento combinada coa forza de buoyant equilibran exactamente a forza da gravidade. O resultado da velocidade límite vén dado por:

$V_{s}={\frac {2}{9}}{\frac {r^{2}g(\rho _{p}-\rho _{f})}{\mu }}$

Onde:

• V_s é velocidade terminal das partículas (m/s) (cara a abaixo se $\rho _{p}>\rho _{f}$, cara a arriba se $\rho _{p}<\rho _{f}$),
• $r$ é o radio de Stokes da partícula (m),
• g é a aceleración gravitatoria (m/s²),
• ρ_p é a densidade das partículas (kg/m³),
• ρ_f é a densidade do fluído (kg/m³), e
• $\mu$ é a viscosidade dinámica do fluído (Pa s).

Nótese que é un fluxo de Stokes, polo que o número de Reynolds ha de ser pequeno.

Unha modificación do viscosímetro de bóla en caída libre é o viscosímetro de esfera rodante, que cronometra unha bóla rodando cara a abaixo nunha pendente mentres está inmersa no fluído a examinar.

Viscosímetros de cilindro e pistón

Tamén coñecido como viscosímetro de Norcross debido ao seu inventor, Austin Norcross. O principio de medición de viscosidade deste robusto e sensible dispositivo industrial baséase no mecanismo de cilindro e pistón. Os pistóns son periodicamente levantados por un mecanismo de elevación do ar, empuxando o material polo buraco entre o pistón e a parede do cilindro ao espazo que hai baixo o pistón. Daquela, déixase caer o mecanismo polo efecto da gravidade, expulsando a mostra para fóra a través do mesmo camiño polo que entrou, creando un efecto de rotura no líquido medido. Isto fai que este viscosímetro sexa particularmente sensible e bo para medir certos líquidos tixotrópicos. O controlador de viscosidade mide o tempo de caída e calcula o valor da viscosidade resultante. O seu uso na industria é popular debido á sinxeleza, baixo mantemento e lonxevidade. Este tipo de medida non é afectado pola taxa de fluxo ou vibracións externas.

Viscosímetros de vibración

Os viscosímetros de vibración remóntanse á década de 1950 co instrumento de Bendix, que operaba a través da medición do amortiguamento dun resonador de oscilacións electromecánicas mergullado nun fluído cuxa viscosidade debe ser determinado. O resonador xeralmente oscila en torsión ou transversalmente (coma un diapasón). Canto maior sexa a viscosidade, maior será o amortiguamento sufrido polo resonador. Pódese medir por varios métodos:

1. Medindo a enerxía necesaria para manter o oscilador a vibrar nunha amplitude constante. A maior viscosidade, maior é a enerxía que se precisa.
2. Medindo o tempo de decadencia da oscilación. A maior viscosidade, o sinal decae con maior velocidade.

A parte activa do sensor do viscosímetro de vibración é unha vara vibrante. A amplitude da vibración varía segundo a viscosidade do fluído no que está inmerso. Estes Medidores de viscosidade son adecuados para medir líquidos e fluídos de alta viscosidade, incluíndo aqueles con fibras. Actualmente, moitas industrias ao redor do mundo consideran estes viscosímetros como os máis eficientes para medir a viscosidade dunha ampla variedade de fluídos, porén, os viscosímetros rotacionais esixen máis mantemento, e precisan calibracións frecuentes despois dun uso intensivo.

Viscosímetros rotacionais

Os viscosímetros rotacionais utilizan a idea de que o torque requirido para virar un obxecto nun fluído é unha función da viscosidade daquel fluído. Miden o torque requirido para a rotación dun disco nun fluído a velocidade coñecida.

Viscosímetro Störmer

O viscosímetro Störmer é un dispositivo rotativo usado para determinar a viscosidade das pinturas, e amplamente utilizado en industrias de procesamento de pintura. É unha especie de rotor con aletas tipo paddle que se atopa inmerso nun líquido e comeza a xirar a 200 rotacións por minuto, mídese a carga do motor para esta operación e a viscosidade buscámola en táboas ASTM D 562, que veñen en unidades Krebs. O método aplícase ás pinturas, tanto de pincel coma de rolo.

Viscosímetros de burbulla

Os viscosímetros de burbulla úsanse para unha rápida determinación da viscosidade cinética de fluídos coma resinas e vernices. O tempo requirido para o aumento dunha burbulla de ar no seo do fluído é inversamente proporcional á viscosidade do líquido. É dicir, a maior velocidade de crecemento das burbullas, menor viscosidade.

Outros tipos de viscosímetros

Outros tipos de viscosímetros son utilizados para caracterizar fluídos non newtonianos. Normalmente son os chamados reómetros ou plastómetros.

Véxase tamén

• Mecánica de fluídos