Viscosidad y Consistencia

La viscosidad y la consistencia son términos que se aplican a los fluidos y que representan la re­sistencia que ofrecen al flujo, o a la deformación, cuando están sometidos a un esfuerzo cortante.

La viscosidad de un fluido, definida por Newton, es la resistencia que ofrece el fluido al movimiento entre dos placas paralelas separadas por una distancia unidad, una de ellas fija y la otra móvil que se mueve con la unidad de velocidad. Esta resistencia se expresa como cociente entre el esfuerzo cortante por unidad de área (F /A) y la velocidad cortante por unidad de espesor de la capa de fluido (V/e).

Los fluidos newtonianos (agua, alcohol, aceite ligero de motor) se caracterizan por la relación lineal entre el esfuerzo cortante unitario y la velocidad cortante unitaria, es decir, la representación grá­fica de FM con relación a V/e es una línea recta.

Otros fluidos tienen pendientes variables y no siguen la definición de Newton 


(fluidos no newtonianos). Estos fluidos no newtonianos se clasifican en: 



• Tixotrópicos. La viscosidad baja al aumentar el esfuerzo cortante (pinturas, 

champú). 

• Dilatantes. La viscosidad aumenta cuando aumenta el esfuerzo cortante 

(mezclas de arena y agua). 

• Plásticos y pseudoplásticos. Se comportan como un sólido hasta un cierto 


límite del esfuerzo  cortante y después se convierten en un fluido newtoniano 


o no newtoniano. 

Muchos plásticos requieren la aplicación de una cierta fuerza a la placa móvil antes de que ésta se mueva y, una vez en movimiento, la viscosidad aparente disminuye al incrementarse la velocidad de la placa (la pendiente baja). Otros materiales, que en reposo están coagulados, pasan al estado líquido al ser agitados (tixotrópicos). 

Hagen-Poiseuille definieron la viscosidad en términos más prácticos expresando la relación entre los esfuerzos y las velocidades cortantes para un tubo capilar de la forma siguiente:

Los términos relacionados con la viscosidad son: Viscosidad dinámica o absoluta definida por la fórmula de Hagen-PoiseuiIe, cuya unidad en el sistema de unidades internacionales SI es el Pa x s, o el mPa x s (1 Pa x s = 1000 mPa x s), unidad que ha sustituido en el sistema CGS al poise (1 dina x s/cm2) y al centipoise (cp), equivalente a 0,01 poise (1 mPA x s = 1 centipoise).

El agua a 20 0C tiene una viscosidad de I centipoise. Algunos valores de viscosidad son los que aparecen en la tabla

Viscosidad cinemática, que es el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad del fluido. Su unidad en el sistema internacional (SI) es el m2/S, y en el CGS el cm2/s, llamado stoke, y para valores pequeños se emplea el centistoke (cs) igual a 0,01 stoke (1 m2/s = 10.000 stokes).

Si la viscosidad se expresa en función del tiempo que un volumen determinado del fluido emplea para pasar a través de un orificio o de un tubo capilar (viscosímetro figura 7.37a) se utilizan las siguientes unidades:

• Escala Saybolt (Estados Unidos) = Tiempo, en segundos, que tardan 60 ml del fluido en pasar a través del orifico calibrado de un viscosímetro universal Saybolt a una temperatura determinada.

• Redwood (Gran Bretaña) = Tiempo, en segundos, que tardan 50 ml de aceite en pasar a travésdel orifico calibrado de un viscosímetro universal Redwood a una temperatura determinada.

• Engler (Europa) = Relación entre el tiempo, en segundos, que tardan 200 ml del fluido y 200 ml de agua en pasar a la misma temperatura por un viscosímetro Engler normalizado. Expresado en grados Engler. 

Existe una relación entre la viscosidad cinemática (v) y las unidades anteriores, dada por la fórmula:

La consistencia es el grado de deformación que presentan los fluidos cuando se les somete a un esfuerzo cortante. El término representa, esencialmente, la viscosidad de suspensiones de partículas insolubles en un líquido y es una característica de fluidez del mismo.

El término consistencia se aplica, en la industria, en la fabricación de pinturas, de papel, en el envase de productos alimenticios, etc.

Las unidades de consistencia son totalmente distintas de las de viscosidad y se expresan en unidades arbitrarias. Por ejemplo, en la industria papelera, la consistencia designa la proporción entre el peso de materia seca o fibra de pulpa seca y el peso total de los sólidos más el agua que los transporta. Así:

La consistencia podrá detectarse, de acuerdo con la definición dada, presionando sobre la pulpa de papel con una cuchilla especialmente diseñada para eliminar el rozamiento y la fuerza de impacto.

Viscosímetros

En la industria, se emplean los siguientes sistemas para la medida de viscosidad.

Viscosímetros discontinuos que se basan en:

a) Medir el tiempo que emplea un volumen dado del fluido para descargar a través de un orificio (figúra 7.37a). El orificio puede sustituirse por un tubo capilar.

b) Tiempo de caída de una bola metálica o de ascensión de una burbuja de aire en el seno del fluido contenido en un tubo o bien de caída de un pistón en un cilindro (figura 7.37b).

c) Par de resistencia de un elemento estacionario en una taza rotativa que gira a velocidad constante. El par se mide por el desplazamiento angular de un resorte calibrado unido al elemento fijo (figura 7.37c).

Entre los viscosímetros continuos que permiten el control de la viscosidad se encuentran los siguientes:

1. Caída de presión producida por un tubo capilar al paso del fluido que se bombea a caudal constante (figura 7.38a). Dos tomas, situadas antes y después del tubo capilar, se conectan a un transmisor de presión diferencial neumático o electrónico o digital.

2. Rotámetro con flotador sensible a la viscosidad (figura 7.38b). Se mantiene un caudal constante del fluido, con lo que la posición del flotador depende de la viscosidad. Al rotámetro se le puede acoplar un transmisor neumático, electrónico o digital.

3. Rotacionales. Miden el par de torsión necesario para hacer girar un elemento en el fluido. El fluido está contenido entre dos cilindros, uno fijo (radio Ra) y otro giratorio (radio R) de longitud L, de modo que es dividido en múltiples capas con velocidad angular diferente, desde 0 a w. El movimiento relativo de las capas indica la Tasa cortante (Shear rate t) y la Tensión cortante (Shear stress r).

La velocidad de giro es seleccionada (w), el par de rotación resistente (M) se mide y  verifica:

En la norma DIN ISO 3219:1993 se indica la forma de determinar la viscosidad utilizando un viscosímetro rotacional. La velocidad de rotación es de 25 a 600 rpm. El campo de medida es de 10 a 150.000 mPas. El par de torsión abarca de 0,05 a 30 mNm.

4. Vibraciones. La frecuencia de resonancia de una horquilla o de un cilindro en el seno del fluido indica la densidad, mientras que la amplitud de la vibración es inversamente proporcional a la viscosidad. El sistema electrónico asociado mantiene la vibración en la frecuencia de resonancia. La temperatura del fluido abarca desde -40 0C a +150 0C.

Medidores de consistencia

La consistencia se define como el porcentaje de peso de material seco fibroso en cualquier combinación de agua y pulpa. Se calcula con la fórmula:

La consistencia se mide en la industria de las formas siguientes:

Medida de la distancia que recorre el fluido sobre una regla graduada y en un tiempo determinado. En la figura 7.41a puede verse este sistema.

Medidor de consistencia de disco rotativo o de paletas rotativas (figura 7.41b) que mide el par de torsión necesario para hacer girar, a velocidad constante, un disco o un cono con perfiles caracterizados dentro del fluido. Margen: 1,5% al 18%. Repetibilidad: ± 0,01% Cs.

En el medidor de paleta (figura 7.41c), una paleta de forma especial situada en el seno del fluido mide el esfuerzo cortante, no siendo influida por las fuerzas de impacto ni por las de rozamiento gracias a su forma geométrico. Un transmisor electrónico o digital envía la señal correspondiente al valor de la consistencia. Margen: 0,7% al 16%. Exactitud: ± 1%.

El medidor electroóptico (figura 7.41d) se basa en la captación de la luz reflejada de una mezcla de pulpa de papel y agua.

Dos detectores, Dl y D2, captan esta luz reflejada a través de fibra óptica y de dos filtros FI y FR, de tal modo que, en uno de ellos, el agua del fluido absorbe la luz mientras que en el otro no interviene prácticamente.

Así, el cociente de las dos señales es una función de la cantidad de agua existente entre las partículas del producto, es decir, de la consistencia de la pulpa.

El margen de medida es de 0,2% al 6%.

El medidor de consistencia por microondas (figura 7.41e) se basa en las propiedades dieléctricas del producto, fundamentalmente agua y materia sólida, con diferentes constantes dieléctricas.

Existe una relación lineal entre el tiempo de propagación de las microondas, es decir, la velocidad y la consistencia.

Como las microondas avanzan menos en el agua que en las fibras, el tiempo que emplean las microondas en atravesar la masa es función de la consistencia de la masa. El intervalo de medida es del 0% al 16%. La exactitud es del ± 0,02%.

El medidor de consistencia por radiación (figura 7.41f) dispone de una fuente de rayos gamma, cuya radiación es atenuada al atravesar la pasta. Esta atenuación es proporcional a los cambios en la consistencia a igualdad de distancias entre la fuente y el producto. La exactitud es del ± 0,01% y la repetibilidad es del ± 0,0001%.