¿Qué es la viscosidad cinemática?

    La viscosidad cinemática es una medida de la resistencia interna de un fluido al flujo bajo la acción de la gravedad. Se determina midiendo el tiempo, en segundos, que tarda un volumen fijo de fluido en recorrer una distancia conocida por gravedad a través de un capilar dentro de un viscosímetro calibrado a una temperatura controlada con precisión.

    Este valor se convierte a unidades estándar como centistokes (cSt) o milímetros cuadrados por segundo. La información sobre la viscosidad solo es válida si también se indica la temperatura a la que se realizó la prueba; por ejemplo, 23 cSt a 40 grados C.

     De todas las pruebas empleadas para el análisis de aceite usado, ninguna ofrece mayor repetibilidad ni consistencia que la viscosidad. Asimismo, no existe propiedad más crucial para la lubricación eficaz de los componentes que la viscosidad del aceite base. Sin embargo, la viscosidad implica más de lo que parece a simple vista. Puede medirse y expresarse como viscosidad dinámica (absoluta) o como viscosidad cinemática. Ambas se confunden fácilmente, pero son significativamente diferentes.

    La mayoría de los laboratorios de análisis de aceite usado miden e informan la viscosidad cinemática. En cambio, la mayoría de los viscosímetros in situ miden la viscosidad dinámica, pero están programados para estimar e informar la viscosidad cinemática, de modo que las mediciones de viscosidad reportadas reflejan los valores cinemáticos informados por la mayoría de los laboratorios y proveedores de aceites lubricantes.

    Dada la importancia del análisis de viscosidad, junto con la creciente popularidad de los instrumentos de análisis de petróleo in situ utilizados para complementar y evaluar los análisis de petróleo realizados en laboratorios externos, es fundamental que los analistas de petróleo comprendan la diferencia entre las mediciones de viscosidad dinámica y cinemática.

    En términos generales, la viscosidad es la resistencia de un fluido al flujo (esfuerzo cortante) a una temperatura determinada. A veces, se la confunde erróneamente con espesor (o peso). La viscosidad no es una medida dimensional, por lo que llamar espeso a un aceite muy viscoso y fluido a uno menos viscoso resulta engañoso.

    Asimismo, informar la viscosidad para fines de análisis de tendencias sin hacer referencia a la temperatura carece de sentido. Es necesario definir la temperatura para interpretar la lectura de viscosidad. Normalmente, la viscosidad se informa a 40 °C y/o 100 °C, o a ambas temperaturas si se requiere el índice de viscosidad.

Ecuación de viscosidad cinemática

    Se utilizan diversas unidades de ingeniería para expresar la viscosidad, pero las más comunes son 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 comunes de viscosidad cinemática, como el Saybolt Universal Seconds (SUS) y el sistema de clasificación SAE, pueden relacionarse con la medición de la viscosidad en cSt a 40 °C o 100 °C.

Medición de la viscosidad cinemática

    La viscosidad cinemática se mide registrando el tiempo que tarda el aceite en atravesar el orificio de un capilar por efecto de la gravedad (Figura 1). El orificio del tubo del viscosímetro cinemático ofrece una resistencia fija al flujo. Existen capilares de diferentes tamaños para soportar fluidos de viscosidad variable.

    El tiempo que tarda el fluido en fluir a través del tubo capilar se puede convertir en viscosidad cinemática mediante una constante de calibración sencilla proporcionada para cada tubo. El procedimiento principal para realizar mediciones de viscosidad cinemática es la norma ASTM D445, que a menudo se modifica en el laboratorio de análisis de aceite usado para ahorrar tiempo y hacer que la medición sea más eficiente.

Figura 1. Viscosímetro de tubo en U capilar 

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 comprimido, etc.) impulsa el aceite a través de un capilar (ASTM D4624), o cuando un cuerpo es forzado a través del fluido por una fuerza externa y controlada, como un husillo accionado por un motor. En ambos casos, se mide la resistencia al flujo (o cizallamiento) en función de la fuerza aplicada, lo que refleja la resistencia interna de la muestra a dicha fuerza, es decir, su viscosidad dinámica.

    Existen diversos tipos y configuraciones de viscosímetros absolutos. El método rotatorio de Brookfield, que se muestra en la Figura 2, es el más común. La medición de la viscosidad absoluta se ha utilizado en aplicaciones de investigación, control de calidad y análisis de grasas en el campo de la lubricación de maquinaria.

Figura 2. Viscosímetro rotacional ASTM D2983 

    Los procedimientos para medir la viscosidad dinámica en el laboratorio mediante el método tradicional de Brookfield están definidos por las normas ASTM D2983, D6080 y otras. Sin embargo, la medición de la viscosidad dinámica se está generalizando en el análisis de aceites usados, ya que la mayoría de los viscosímetros portátiles que se comercializan actualmente miden la viscosidad dinámica, no la cinemática. 

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

Figura 3. Ecuaciones de viscosidad 

    Por muy sencillas y elegantes que parezcan estas ecuaciones, solo son válidas para los denominados fluidos newtonianos. Además, la densidad relativa del fluido debe permanecer constante durante el período de análisis. Ninguna de estas condiciones puede considerarse constante en el análisis de aceite usado, por lo que el analista debe conocer las condiciones bajo las cuales puede producirse variación.

Viscosidad cinemática: Fluidos newtonianos frente a fluidos no newtonianos

    Un fluido newtoniano es aquel que mantiene una viscosidad constante en todo el rango de velocidades de corte (la tensión de corte varía linealmente con la velocidad de corte). Estos fluidos se denominan 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 les denomina fluidos no newtonianos. Entre los fluidos newtonianos se incluyen los gases, el agua, el aceite, la gasolina y el alcohol.

    Un grupo de fluidos no newtonianos denominados tixotrópicos son de particular interés en el análisis de aceites usados, ya que la viscosidad de un fluido tixotrópico disminuye a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento. La viscosidad de un fluido tixotrópico aumenta a medida que disminuye la velocidad de cizallamiento. En el caso de los fluidos tixotrópicos, el tiempo de fraguado puede aumentar la viscosidad aparente, como ocurre con la grasa. Algunos ejemplos de fluidos no newtonianos son:

• Líquidos con comportamiento de espesamiento por cizallamiento: la viscosidad aumenta a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento. Por ejemplo, el almidón de maíz, al disolverse en agua y agitarse, comienza a espesarse con el tiempo.

• Líquidos pseudoplásticos: la viscosidad disminuye a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento. La pintura para paredes es un buen ejemplo de esto. Al removerla, se vuelve más fluida.

• Líquidos tixotrópicos: se vuelven menos viscosos al agitarse. Ejemplos comunes son el kétchup y el yogur. Al agitarlos, se vuelven más fluidos. Si se dejan reposar, recuperan su consistencia gelatinosa.

• Líquidos reopécticos: se vuelven más viscosos al agitarse. Un ejemplo común es la tinta de impresora.

Viscosidad cinemática: un ejemplo práctico

    Imagina que tienes dos frascos frente a ti: uno lleno de mayonesa y el otro de miel. Con ambos frascos sujetos a la mesa con velcro, imagina que sumerges cuchillos de mantequilla idénticos en cada uno de los líquidos, con el mismo ángulo y a la misma profundidad. Imagina que revuelves los dos líquidos girando los cuchillos a las mismas revoluciones por minuto, manteniendo el mismo ángulo de ataque.

    ¿Cuál de los dos líquidos fue más difícil de remover? La respuesta debería ser la miel, que es mucho más difícil de remover que la mayonesa. Ahora imagina que despegas los frascos del velcro de la mesa y los pones de lado. ¿Qué sale más rápido del frasco, la miel o la mayonesa? La respuesta debería ser la miel; la mayonesa no saldrá en absoluto al poner el frasco de lado.

    ¿Qué fluido es más viscoso, la miel o la mayonesa? Si dijiste mayonesa, estás en lo cierto… al menos en parte. Del mismo modo, si dijiste miel, también estás en lo cierto en parte. La razón de esta aparente anomalía es que, al girar el cuchillo en ambas sustancias, la velocidad de cizallamiento varía, mientras que al girar cada frasco de lado simplemente se mide la resistencia estática al flujo.

    Debido a que la miel es un fluido newtoniano y la mayonesa no lo es, la viscosidad de la mayonesa disminuye al aumentar la velocidad de cizallamiento o al girar el cuchillo. Al remover, la mayonesa se somete a una alta tensión de cizallamiento, lo que provoca que ceda ante la fuerza aplicada. Por el contrario, simplemente colocar el frasco de lado somete la mayonesa a una baja tensión de cizallamiento, lo que resulta en un cambio mínimo o nulo de viscosidad, por lo que tiende a permanecer en el frasco.

    No es posible medir convencionalmente la viscosidad de un fluido no newtoniano. En su lugar, se debe medir la viscosidad aparente, que tiene en cuenta la velocidad de cizallamiento a la que se realizó la medición. (Véase la Figura 4). Al igual que las mediciones de viscosidad carecen de sentido si no se informa la temperatura de la prueba, las mediciones de viscosidad aparente carecen de sentido si no se informan tanto la temperatura de la prueba como la velocidad de cizallamiento.

    Por ejemplo, la viscosidad de la grasa nunca se indica, sino que se informa su viscosidad aparente en centipoises (cP). (Nota: la viscosidad puede informarse para el aceite base utilizado en la fabricación de la grasa, pero no para el producto terminado).

    En términos generales, un fluido es no newtoniano si está compuesto por una sustancia suspendida (pero no disuelta químicamente) en otro fluido. Para que esto ocurra, existen 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 por huevos emulsionados en aceite, el fluido base. Debido a que la mayonesa es no newtoniana, su viscosidad disminuye al aplicarle fuerza, lo que facilita su untado.

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

    Debido a que la pintura no es newtoniana, su viscosidad disminuye bajo la presión del pincel, pero se recupera al retirarlo. Como resultado, la pintura se extiende con relativa facilidad, no deja marcas de pincel ni gotea.

Viscosidad dinámica frente a viscosidad cinemática: ¿Cuál es la diferencia?

    La viscosidad dinámica determina el espesor de la película que proporciona el aceite. La viscosidad cinemática es simplemente un método práctico para estimar el grado de espesor de la película que puede proporcionar el aceite, pero tiene menos relevancia si el aceite no es newtoniano.

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

• Aditivos mejoradores del índice de viscosidad (IV): Los aceites de motor multigrado de base mineral (excepto los aceites base con un IV naturalmente alto) están formulados con un aditivo elástico que se compacta a bajas temperaturas y se expande a altas temperaturas en respuesta al aumento de la solubilidad del fluido. Debido a que esta molécula del aditivo es diferente de las moléculas del aceite base, se comporta de manera no newtoniana.

• Contaminación por agua: El aceite y el agua libre no se mezclan, al menos no químicamente. Sin embargo, bajo ciertas circunstancias, se combinan para formar una emulsión, similar a la mayonesa mencionada anteriormente. Cualquiera que haya visto aceite con aspecto de café con crema puede dar fe de ello. Aunque parezca contradictorio, la contaminación por agua, al emulsionarse en el aceite, aumenta la viscosidad cinemática.

• Subproductos de la degradación térmica y oxidativa: Muchos subproductos de la degradación térmica y oxidativa son insolubles, pero el petróleo los transporta en una suspensión estable. Estas suspensiones generan un comportamiento no newtoniano.

• Hollín: Comúnmente presente en los motores diésel, el hollín es una partícula que forma una suspensión coloidal en el aceite. El aditivo dispersante del aceite, diseñado para evitar que las partículas de hollín se aglomeren y crezcan, facilita la formación de dicha suspensión coloidal.

  
  

    Si se midiera la viscosidad absoluta de una de estas emulsiones o coloides comunes descritos anteriormente con un viscosímetro absoluto de velocidad de cizallamiento variable (por ejemplo, ASTM D4741), la medición disminuiría a medida que aumenta la velocidad de cizallamiento, hasta un punto de estabilización.

    Si se dividiera esta viscosidad absoluta estabilizada entre la densidad relativa del fluido para estimar la viscosidad cinemática, el valor calculado diferiría de la viscosidad cinemática medida. Cabe destacar que las ecuaciones de la Figura 3 se aplican únicamente a fluidos newtonianos, no a los fluidos no newtonianos descritos anteriormente, lo que explica esta discrepancia.

Efectos de la viscosidad cinemática y la gravedad específica

    Observe nuevamente las ecuaciones de la Figura 3. Las viscosidades absoluta y cinemática de un fluido newtoniano están relacionadas en función de su densidad relativa. Considere el aparato de la Figura 1: el bulbo que contiene la muestra de aceite, el cual se libera al eliminar el vacío, generando una presión que impulsa el aceite a través del tubo capilar.

    ¿Se puede asumir que todos los fluidos generan la misma presión? No, la presión depende de la densidad relativa del fluido, es decir, de su peso en relación con el peso de un volumen idéntico de agua. La mayoría de los aceites lubricantes a base de hidrocarburos tienen una densidad relativa de entre 0,85 y 0,90. Sin embargo, esta puede variar con el tiempo a medida que el aceite se degrada o se contamina (por ejemplo, con glicol, agua o metales de desgaste), lo que produce una diferencia entre las mediciones de viscosidad absoluta y cinemática.

    Consideremos los datos presentados en la Tabla 2. Cada uno de los nuevos escenarios de petróleo es idéntico, y en ambos casos la viscosidad absoluta aumenta un 10 por ciento, que suele ser el límite crítico para un cambio en la viscosidad. En el escenario A, el modesto cambio en la gravedad específica produce una ligera diferencia entre la viscosidad absoluta medida y la viscosidad cinemática.

    Esta diferencia podría retrasar ligeramente la activación de la alarma de cambio de aceite, pero no causaría un error significativo. Sin embargo, en el escenario B, la diferencia es mucho mayor. En este caso, la densidad relativa aumenta considerablemente, lo que se traduce en un incremento medido del 1,5 % en la viscosidad cinemática, frente a un incremento del 10 % medido con un viscosímetro absoluto.

    Esta es una diferencia significativa que podría llevar al analista a considerar la situación como no reportable. El error radica en asumir, en ambos casos, que los fluidos conservan su comportamiento newtoniano.

    Debido a la gran variedad de fluidos no newtonianos que se pueden formar, el parámetro clave para el analista de aceite y el técnico de lubricación debería ser la viscosidad absoluta. Esta determina el espesor de la película del fluido y el grado de protección de las superficies de los componentes. Por razones de economía, simplicidad y dado que los nuevos procedimientos de prueba de lubricantes se suelen utilizar para el análisis de aceite usado, la viscosidad cinemática del aceite es el parámetro medido para el seguimiento de tendencias y la toma de decisiones sobre la gestión de la lubricación. Sin embargo, en ciertos casos, esto puede introducir errores innecesarios al determinar la viscosidad del aceite.

    El problema se puede simplificar mediante operaciones matemáticas. Como sugieren las ecuaciones de la Figura 3, la viscosidad absoluta y la cinemática están relacionadas en función de la densidad relativa del aceite. Si tanto la viscosidad como la densidad relativa son dinámicas, pero solo se mide una de ellas, 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 magnitud del error depende de la variación del parámetro no medido: la densidad relativa.

Conclusiones importantes sobre la viscosidad cinemática

De esta discusión sobre la medición de la viscosidad se pueden extraer las siguientes conclusiones:

• Suponiendo que el laboratorio mida la viscosidad mediante métodos cinemáticos, añadir la medición de la gravedad específica a un programa rutinario de análisis de aceite de laboratorio ayudará a eliminar esta variable a la hora de estimar la viscosidad absoluta a partir de la viscosidad cinemática medida.

  
  Al usar un viscosímetro de laboratorio, no espere una concordancia total entre el viscosímetro cinemático del laboratorio y el instrumento de campo. 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 densidad relativa. Considere registrar la evolución de los resultados del viscosímetro de campo en cP.

  
  

• Se trata del parámetro que se mide, y ayuda a diferenciar la tendencia observada en el sitio de la tendencia de los datos obtenidos en el laboratorio con un viscosímetro cinemático. No intente lograr una concordancia perfecta entre las mediciones de viscosidad en el sitio y en el laboratorio. Es inútil y aporta poco valor. En el mejor de los casos, busque una correlación aproximada. Siempre establezca la línea base del aceite nuevo con el mismo viscosímetro que utiliza con el aceite en servicio.

  
  

• Es importante tener en cuenta 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. Dado que la viscosidad de un fluido no newtoniano varía con la velocidad de cizallamiento, la resistencia de la película se debilita bajo carga y velocidad de operación. Esta 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 fundamental (por supuesto, el agua también provoca otros mecanismos de desgaste como la cavitación por vapor, la corrosión, la fragilización por hidrógeno y la formación de ampollas).

    La viscosidad es una propiedad crítica de los fluidos, y su monitorización es esencial para el análisis del aceite. Las técnicas de medición de viscosidad dinámica y cinemática pueden arrojar resultados muy diferentes al analizar aceites usados. Es fundamental comprender a fondo la medición de la viscosidad y el comportamiento de los fluidos viscosos para tomar decisiones precisas sobre la lubricación.