La viscosidad cinemática explicada - Noria Latín América

¿Qué es la viscosidad cinemática?

La viscosidad cinemática es una medida de la resistencia interna de un fluido a fluir bajo fuerzas gravitacionales. Se determina midiendo el tiempo en segundos requerido para que un volumen fijo de fluido fluya por gravedad una distancia conocida a través de un capilar dentro de un viscosímetro calibrado a una temperatura estrechamente controlada.

Este valor se convierte en unidades estándar como centistokes (cSt) o milímetros cuadrados por segundo. El informe de viscosidad solo es válido cuando también se informa la temperatura a la que se realizó la prueba, por ejemplo, 23 cSt a 40 ºC.

De todas las pruebas empleadas para el análisis de lubricante usado, ninguna proporciona una mejor repetitividad o consistencia en la prueba que la viscosidad. Del mismo modo, no existe una propiedad más crítica para la lubricación eficiente de los componentes que la viscosidad de la base lubricante. Sin embargo, hay más en la viscosidad de lo que parece.

La viscosidad se puede medir y reportar como viscosidad dinámica (absoluta) o como viscosidad cinemática. Las dos se confunden fácilmente, pero son significativamente diferentes.

La mayoría de los laboratorios de análisis de lubricante usado miden e informan la viscosidad cinemática. Por el contrario, la mayoría de los viscosímetros en sitio miden la viscosidad dinámica, pero están programados para estimar y reportar la viscosidad cinemática, de modo que en los reportes se reflejan los números cinemáticos informados por la mayoría de los laboratorios y proveedores de aceite lubricante.

Dada la importancia del análisis de viscosidad, junto con la creciente popularidad de los instrumentos de análisis de lubricante en sitio utilizados para seleccionar y complementar el análisis de lubricante de laboratorio fuera de sitio, es esencial que los analistas de lubricantes entiendan la diferencia entre las mediciones de viscosidad dinámica y cinemática.

En términos generales, la viscosidad es la resistencia a fluir de un fluido (esfuerzo cortante) a una temperatura dada. A veces, la viscosidad se denomina erróneamente como un espesor (o peso). La viscosidad no es una medida dimensional, por lo que llamar al aceite altamente viscoso “espeso” y al aceite menos viscoso “delgado” es engañoso.

Del mismo modo, no tiene sentido reportar la viscosidad con fines de tendencia sin una referencia a la temperatura. Debe definirse la temperatura para interpretar la lectura de viscosidad. Típicamente, la viscosidad se informa a 40 °C y/o 100 °C o ambas si se requiere calcular el índice de viscosidad.

Ecuación cinemática de viscosidad

Se utilizan varias unidades de ingeniería para expresar la viscosidad, pero las más comunes son, por mucho, el centistoke (cSt) para la viscosidad cinemática y el centipoise (cP) para la viscosidad dinámica (absoluta). La viscosidad cinemática en cSt a 40 °C es la base del sistema de clasificación de viscosidad cinemática ISO 3448, lo que la convierte en el estándar internacional. Otros sistemas de viscosidad cinemática comunes como Segundos Saybolt Universal (SUS, por sus siglas en inglés) y el sistema de clasificación SAE pueden estar relacionados con la medición de la viscosidad en cSt a 40 °C o 100 °C.

Medición de la viscosidad cinemática

La viscosidad cinemática se mide observando el tiempo que tarda el aceite en viajar a través del orificio de un capilar bajo la fuerza de la gravedad (Figura 1). El orificio del tubo del viscosímetro cinemático produce una resistencia fija al flujo. Se encuentran disponibles capilares de diferentes diámetros para soportar fluidos de distintas viscosidades.

El tiempo necesario para que el fluido fluya a través del tubo capilar se puede convertir a una viscosidad cinemática utilizando una constante de calibración simple provista para cada tubo. El procedimiento dominante para realizar mediciones de viscosidad cinemática es ASTM D445, a menudo modificado en el laboratorio de análisis de lubricante usado para ahorrar tiempo y hacer que la medición de la prueba sea más eficiente.

Figura 1. Viscosímetro capilar en U

Medición de la viscosidad dinámica (viscosidad absoluta)

La viscosidad dinámica se mide como la resistencia al flujo cuando una fuerza externa y controlada (bomba, aire a presión, etc.) fuerza el aceite a través de un capilar (ASTM D4624), o cuando un cuerpo es forzado a moverse a través del fluido por una fuerza externa y controlada, como un husillo accionado por un motor. En cualquier caso, se mide la resistencia al flujo (o cizallamiento) en función de la fuerza de entrada, que refleja la resistencia interna de la muestra a la fuerza aplicada, o su viscosidad dinámica.

Hay varios tipos de viscosímetros absolutos. El viscosímetro rotativo Brookfield, representado en la Figura 2, es el más común. La medición de la viscosidad absoluta se ha utilizado para aplicaciones de investigación, control de calidad y análisis de grasas en el campo de la lubricación de maquinaria.

Figura 2. Viscosímetro rotativo ASTM D2983

Los procedimientos para evaluar la viscosidad absoluta en el laboratorio mediante el método tradicional Brookfield están definidos por la norma ASTM D2983, D6080 y otros. Sin embargo, la viscosidad absoluta se está volviendo común en el área de análisis de lubricante usado porque la mayoría de los viscosímetros en sitio vendidos en el mercado actualmente miden la viscosidad absoluta, no la viscosidad cinemática. Algunos proveedores de viscosímetros absolutos en sitio son Anton Paar, Kittiwake y Spectro Scientific.

En términos generales, la viscosidad cinemática (cSt) se relaciona con la viscosidad absoluta (cP) en función de la gravedad específica (densidad relativa) del fluido (SG) de acuerdo con las ecuaciones de la figura 3.

Tan simples y elegantes como se ven estas ecuaciones, son válidas solo para los fluidos llamados newtonianos. Además, la gravedad específica del fluido debe permanecer constante durante el período de tendencia. Ninguna de estas condiciones puede suponerse constante en el análisis de lubricante usado, por lo que el analista debe conocer las condiciones bajo las cuales puede ocurrir la variación.

Viscosidad cinemática: fluidos newtonianos versus no newtonianos

Un fluido newtoniano es un fluido que mantiene una viscosidad constante en todas las velocidades de corte (el esfuerzo de corte varía linealmente con la velocidad de corte). Estos fluidos se llaman newtonianos porque siguen la fórmula original establecida por Sir Isaac Newton en su Ley de Mecánica de Fluidos. Sin embargo, algunos fluidos no se comportan de esta manera. En general, se llaman fluidos no newtonianos. Los fluidos newtonianos incluyen a los gases, el agua, el aceite monogrado, la gasolina y el alcohol.

Un grupo de fluidos no newtonianos conocidos como tixotrópicos son de particular interés en el análisis de lubricante usado porque la viscosidad de un fluido tixotrópico disminuye a medida que aumenta la velocidad de corte. La viscosidad de un fluido tixotrópico aumenta a medida que disminuye la velocidad de corte. Con los fluidos tixotrópicos, el tiempo específico puede aumentar la viscosidad aparente como en el caso de la grasa. Algunos ejemplos de fluidos no newtonianos incluyen:

Fluidos que se espesan con el corte: la viscosidad aumenta a medida que aumenta la velocidad de corte. Por ejemplo, el almidón de maíz, cuando se coloca en agua y se agita, comienza a sentirse más espeso con el tiempo.

Líquidos que se diluyen con el corte: la viscosidad disminuye a medida que aumenta la velocidad de corte. La pintura para sus paredes es un buen ejemplo de esto. A medida que agita la pintura, se vuelve más fluida.

Líquidos tixotrópicos: se vuelven menos viscosos cuando se agitan. Ejemplos comunes de esto son la salsa de tomate y el yogur. Una vez agitados, se vuelven más fluidos. Cuando se quedan quietos, vuelven a un estado similar a gel.

Líquidos reopécticos: se vuelven más viscosos cuando se agitan. Un ejemplo común de esto es la tinta de la impresora.

Viscosidad cinemática: un ejemplo práctico

Imagine que tiene dos frascos frente a usted, uno lleno de mayonesa y el otro lleno de miel. Ambos frascos están pegados a la superficie de la mesa con velcro, imagínese sumergiendo cuchillos de mantequilla idénticos en cada uno de los fluidos en el mismo ángulo y a la misma profundidad. Ahora imagine que agita los dos fluidos girando los cuchillos a las mismas rpm mientras mantiene el mismo ángulo de ataque.

¿Cuál de los dos líquidos fue más difícil de agitar? Su respuesta debería ser la miel, que es mucho más difícil de agitar que la mayonesa. Ahora imagine que separa los frascos de la mesa, los levanta y los pone de costado. ¿Qué sale más rápido del frasco, la miel o la mayonesa? Su respuesta debería ser la miel; pues la mayonesa no fluirá poniendo el frasco de costado.

¿Qué fluido es más viscoso, la miel o la mayonesa? Si dijo “mayonesa”, tiene razón… al menos parcialmente. Del mismo modo, si dijo “miel”, está parcialmente en lo cierto. La razón de la aparente anomalía es que al girar el cuchillo en ambas sustancias, la velocidad de corte varía, mientras que al girar cada frasco de lado simplemente mide la resistencia estática al flujo.

Debido a que la miel es un fluido newtoniano mientras que la mayonesa no es newtoniana, la viscosidad de la mayonesa disminuye a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento, o al girar el cuchillo. La agitación somete a la mayonesa a un alto esfuerzo de corte, lo que hace que ceda a la acción de la fuerza. Por el contrario, al colocar simplemente el frasco de costado, la mayonesa se somete a un bajo esfuerzo cortante, lo que resulta en un cambio de viscosidad pequeño o nulo, por lo que tiende a permanecer en el frasco.

No se puede medir convencionalmente la viscosidad de un fluido no newtoniano. Más bien, uno debe medir la viscosidad aparente, que tiene en cuenta la velocidad de corte a la que se realizó la medición de la viscosidad. (Ver Figura 4) Al igual que las mediciones de viscosidad no tienen sentido a menos que se informe la temperatura de prueba, las mediciones de viscosidad aparente no tienen sentido a menos que se informe la temperatura de prueba y la velocidad de corte.

Por ejemplo, la viscosidad de la grasa nunca se reporta, pero la viscosidad aparente de la grasa se reporta en centipoises (cP). (Nota: puede reportarse la viscosidad para el aceite base utilizado para hacer la grasa, pero no para el producto terminado).

En términos generales, un fluido no es newtoniano si está compuesto de una sustancia suspendida (pero no disuelta químicamente) en un fluido huésped. Para que esto suceda, hay dos categorías básicas: emulsiones y suspensiones coloidales. Una emulsión es la coexistencia física estable de dos fluidos inmiscibles. La mayonesa es un fluido no newtoniano común, compuesto de huevos emulsionados en aceite, el fluido huésped. Debido a que la mayonesa no es newtoniana, su viscosidad cede con la fuerza aplicada, lo que facilita su difusión.

Una suspensión coloidal se compone de partículas sólidas suspendidas de manera estable en un fluido huésped. Muchas pinturas son una suspensión coloidal. Si la pintura fuera newtoniana, se esparciría fácilmente, pero se correría si la viscosidad fuera baja, o se extendería con gran dificultad y dejaría marcas del pincel, pero no se correría si la viscosidad fuera alta.

Debido a que la pintura no es newtoniana, su viscosidad cede bajo la fuerza del pincel, pero vuelve cuando se quita el pincel. Como resultado, la pintura se extiende con relativa facilidad, pero no deja marcas del pincel y no se corre.

Viscosidad dinámica vs. cinemática: ¿cuál es la diferencia?

La viscosidad dinámica determina el espesor de la película proporcionada por el aceite. La viscosidad cinemática es simplemente un intento conveniente de estimar el grado del espesor de película que el aceite puede proporcionar, pero tiene menos importancia si el aceite es no newtoniano.

Muchas formulaciones y condiciones de lubricantes producirán un fluido no newtoniano, incluyendo:

Aditivos Mejoradores del Índice de Viscosidad (VI)

Los aceites de motor a base de minerales multigrado (excepto los aceites base de alto IV natural) están formulados con un aditivo elástico que se contrae a bajas temperaturas y se expande a altas temperaturas en respuesta al aumento de la solvencia del fluido. Debido a que esta molécula de aditivo es diferente de las moléculas del aceite huésped, se comporta de una manera no newtoniana.

Contaminación con agua

El aceite y el agua libre no se mezclan, al menos no químicamente. Pero bajo ciertas circunstancias, se combinarán para formar una emulsión, al igual que la mayonesa discutida anteriormente. Cualquiera que haya visto un aceite que parece café con crema puede dar fe de este hecho. Si bien puede parecer contradictorio, la contaminación con agua, cuando se emulsiona en el aceite, en realidad aumenta la viscosidad cinemática.

Subproductos de degradación térmica y oxidativa

Muchos subproductos de degradación térmica y oxidativa son insolubles, pero el aceite los transporta en una suspensión estable. Estas suspensiones crean un comportamiento no newtoniano.

Hollín

Comúnmente encontrado en motores diésel, el hollín es una partícula que da como resultado una suspensión coloidal en el aceite. El aditivo dispersante del aceite, diseñado para evitar que las partículas de hollín se aglomeren y crezcan, sirve para facilitar la formación de una suspensión coloidal.

Si se midiera la viscosidad absoluta de una de estas comúnmente encontradas emulsiones o coloides descritas anteriormente con un viscosímetro absoluto de velocidad de corte variable (por ejemplo, ASTM D4741), la medición disminuiría a medida que aumentara la velocidad de corte, hasta un punto de estabilización.

Si se dividiera esta viscosidad absoluta estabilizada por la gravedad específica del fluido para estimar la viscosidad cinemática, el valor calculado sería diferente de la viscosidad cinemática medida. Una vez más, las ecuaciones de la Figura 3 se aplican solo a los fluidos newtonianos, no a los fluidos no newtonianos descritos anteriormente, razón por la cual ocurre esta discrepancia.

Viscosidad cinemática y efectos de la gravedad específica

Vea nuevamente las ecuaciones en la Figura 3. Las viscosidades absolutas y cinemáticas de un fluido newtoniano están relacionadas en función de la gravedad específica del fluido. Considere el aparato en la Figura 1, el bulbo que contiene la muestra de aceite, que se libera cuando se elimina el vacío, y luego produce un cabezal de presión que impulsa el aceite a través del tubo capilar.

¿Se puede suponer que todos los fluidos producirán la misma presión? No, la presión es una función de la gravedad específica del fluido, o peso relativo al peso de un volumen idéntico de agua. La mayoría de los aceites lubricantes a base de hidrocarburos tienen un peso específico de 0.85 a 0.90. Sin embargo, esto puede cambiar con el tiempo a medida que el aceite se degrada o se contamina (glicol, agua y metales de desgaste, por ejemplo), lo que produce un diferencial entre las mediciones de viscosidad cinemática y absoluta.

Considere los datos presentados en la Tabla 2. Cada uno de los escenarios del aceite nuevo es idéntico, y en ambos casos la viscosidad absoluta aumenta en un 10 por ciento, generalmente el límite condenatorio para un cambio de viscosidad. En el escenario A, el modesto cambio en la gravedad específica resulta en un ligero diferencial entre la viscosidad absoluta medida y la viscosidad cinemática.

Tabla 2. Incluso un ligero cambio en la gravedad específica puede influir en el diferencial entre la medición de viscosidad cinemática y absoluta

Este diferencial podría retrasar levemente la alarma de cambio de aceite, pero no causaría un gran error. Sin embargo, en el escenario B, el diferencial es mucho mayor. Aquí, la gravedad específica aumenta significativamente, lo que da como resultado un aumento medido del 1.5 por ciento en la viscosidad cinemática, frente a un aumento del 10 por ciento medido con un viscosímetro absoluto.

Esta es una diferencia significativa que podría llevar al analista a identificar la situación como no reportable. El error que se ha cometido es la suposición en ambos escenarios de que los fluidos siguen siendo newtonianos.

Debido a las muchas posibilidades de que se formen fluidos no newtonianos, el verdadero parámetro de interés para el analista de lubricantes y la tecnología de lubricación debería ser la viscosidad absoluta. Es lo que determina el espesor de la película del fluido y el grado de protección de las superficies de los componentes. En aras de la economía, la simplicidad y el hecho de que los nuevos procedimientos de prueba de lubricantes se prestan comúnmente para el análisis de lubricante usado, la viscosidad cinemática del aceite es el parámetro medido utilizado para tendencia y toma de decisiones en la gestión de la lubricación. Sin embargo, en ciertos casos esto puede estar introduciendo errores innecesarios en la determinación de la viscosidad de un aceite.

El problema puede reducirse a matemáticas simples. Como sugieren las ecuaciones en la Figura 3, la viscosidad cinemática y absoluta están relacionadas en función de la gravedad específica del aceite. Si tanto la viscosidad como la gravedad específica son dinámicas, pero solo se mide una, se producirá un error y la viscosidad cinemática no proporcionará una evaluación precisa del cambio en la viscosidad absoluta del fluido, el parámetro de interés. La cantidad de error es una función de la cantidad de cambio en el parámetro no medido, la gravedad específica.

Conclusiones importantes sobre la viscosidad cinemática

Se pueden sacar las siguientes conclusiones de esta discusión sobre la medición de la viscosidad:

Suponiendo que el laboratorio mide la viscosidad mediante métodos cinemáticos, agregar una medición de gravedad específica a un programa de análisis de lubricante de laboratorio de rutina ayudará a eliminar esto como una variable en la estimación de la viscosidad absoluta a partir de la viscosidad cinemática medida.
Cuando utilice un viscosímetro en sitio, no busque que haya una total coincidencia entre el viscosímetro cinemático del laboratorio y el instrumento en sitio. La mayoría de estos dispositivos miden la viscosidad absoluta (cP) y aplican un algoritmo para estimar la viscosidad cinemática (cSt), a menudo manteniendo constante la gravedad específica. Considere la tendencia de los resultados del viscosímetro en sitio en cP.

Es el parámetro que se está midiendo y ayuda a diferenciar la tendencia en sitio de la tendencia de los datos producidos por el laboratorio con un viscosímetro cinemático. No intente que estén completamente de acuerdo las mediciones de viscosidad en sitio y en laboratorio. Es inútil y genera poco valor. En el mejor de los casos, busque una ligera correlación. Siempre obtenga la línea de base del aceite nuevo con el mismo viscosímetro que está utilizando para el aceite en servicio.

Reconozca que los fluidos no newtonianos no proporcionan la misma protección de película para una viscosidad cinemática dada que un fluido newtoniano de la misma viscosidad cinemática. Debido a que la viscosidad de un fluido no newtoniano variará con la velocidad de corte, la resistencia de la película se debilita bajo la carga y velocidad de operación. Esa es una de las razones por las que el agua emulsionada aumenta la tasa de desgaste en componentes como los rodamientos, donde la resistencia de la película de fluido es crítica (por supuesto, el agua también causa otros mecanismos de desgaste como la cavitación vaporosa, la oxidación y la fragilización por hidrógeno).

La viscosidad es una propiedad crítica del fluido, y el monitoreo de la viscosidad es esencial para el análisis de lubricante. Las técnicas de medición de viscosidad dinámicas y cinemáticas pueden producir resultados muy diferentes cuando se analizan aceites usados. Asegúrese de comprender los recovecos de la medición de la viscosidad y el comportamiento del fluido viscoso para que se puedan tomar decisiones de lubricación precisas.

Drew Troyer. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latin America