¿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 necesario para que un volumen fijo de fluido fluya una distancia conocida por gravedad a través de un capilar dentro de un viscosímetro calibrado a una temperatura estrechamente controlada.

    Este valor se convierte a unidades estándar como centistokes (cSt) o milímetros cuadrados por segundo. Los informes de viscosidad solo son válidos cuando también se informa 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 proporciona mejor repetibilidad o consistencia que la viscosidad. Asimismo, no existe ninguna propiedad más crítica para una lubricación eficaz de los componentes que la viscosidad del aceite base. Sin embargo, la viscosidad es mucho más de lo que parece. La viscosidad se puede medir e informar como viscosidad dinámica (absoluta) o viscosidad cinemática. Los dos se confunden fácilmente, pero son significativamente diferentes.

    Los laboratorios de análisis de aceite más utilizados miden e informan la viscosidad cinemática. Por el contrario, 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 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 aceite in situ utilizados para detectar y complementar el análisis de aceite de laboratorio externo, es esencial que los analistas de aceite comprendan la diferencia entre las mediciones de viscosidad dinámica y cinemática.

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

    Del mismo modo, informar la viscosidad con fines de tendencias sin una referencia a la temperatura no tiene sentido. Se debe definir la temperatura para interpretar la lectura de viscosidad. Normalmente, la viscosidad se informa a 40°C y/o 100°C o ambos si se requiere el índice de viscosidad.

Ecuación de viscosidad cinemática

    Se utilizan varias unidades de ingeniería para expresar la viscosidad, pero las más comunes son, con diferencia, 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 lo convierte en el estándar internacional. Otros sistemas de viscosidad cinemática comunes, como 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 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. Hay capilares de diferentes tamaños disponibles para soportar fluidos de diferente viscosidad.

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

Figura 1. Viscosímetro capilar de tubo 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 presurizado, etc.) fuerza el aceite a través de un capilar (ASTM D4624), o un cuerpo es forzado 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 corte) en función de la fuerza de entrada, que refleja la resistencia interna de la muestra a la fuerza aplicada, o su viscosidad dinámica.

    Existen varios tipos y realizaciones de viscosímetros absolutos. El método rotatorio Brookfield que se muestra 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 dentro del campo de la lubricación de maquinaria.

Figura 2. Viscosímetro rotatorio ASTM D2983 

    Los procedimientos para probar la viscosidad dinámica en el laboratorio mediante el método tradicional de Brookfield están definidos por ASTM D2983, D6080 y otros. Sin embargo, la viscosidad dinámica se está volviendo común en el área del análisis de aceites usados ​​porque la mayoría de los viscosímetros in situ que se venden en el mercado hoy en día miden la viscosidad dinámica, no la viscosidad 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 simples y elegantes que parezcan estas ecuaciones, sólo son válidas para los llamados fluidos newtonianos. Además, la gravedad específica del fluido debe permanecer constante durante el período de tendencia. Ninguna de estas condiciones puede asumirse como constante en el análisis de aceite usado, por lo que el analista debe conocer las condiciones bajo las cuales puede ocurrir 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 (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 la Mecánica de Fluidos. Sin embargo, algunos fluidos no se comportan de esta manera. En general, se les llama fluidos no newtonianos. Los fluidos newtonianos incluyen gases, agua, petróleo, gasolina y alcohol.

    Un grupo de fluidos no newtonianos denominados tixotrópicos son de particular interés en el análisis de aceites usados ​​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 fluidos tixotrópicos, el tiempo de fraguado puede aumentar la viscosidad aparente como en el caso de la grasa. Ejemplos de fluidos no newtonianos incluyen:

• Líquidos espesantes por 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 revuelve, comienza a sentirse más espeso con el tiempo.

• Líquidos adelgazantes: la viscosidad disminuye a medida que aumenta la velocidad de corte. La pintura para tus paredes es un buen ejemplo de ello. A medida que revuelves la pintura, se vuelve más fluida.

• Líquidos tixotrópicos: se vuelven menos viscosos cuando se agitan. Ejemplos comunes de esto son el ketchup de tomate y el yogur. Una vez agitados, se vuelven más fluidos. Cuando se los deja solos, vuelven a un estado similar a un gel.

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

Viscosidad cinemática: un ejemplo práctico

    Imagine que tiene dos frascos frente a usted: uno lleno de mayonesa y el otro lleno de miel. Con ambos frascos fijados a la superficie de la mesa con velcro, imagínese sumergiendo cuchillos de mantequilla idénticos en cada uno de los líquidos en el mismo ángulo y a la misma profundidad. Imagine agitar los dos fluidos girando las cuchillas a las mismas revoluciones manteniendo el mismo ángulo de ataque.

    ¿Cuál de los dos fluidos fue más difícil de agitar? Tu respuesta debería ser miel, que es mucho más difícil de revolver que la mayonesa. Ahora imagina separar los frascos del velcro de la mesa y girarlos de lado. ¿Qué sale más rápido del frasco, la miel o la mayonesa? Tu respuesta debería ser cariño; la mayonesa no fluirá en absoluto al girar el frasco de lado.

    ¿Qué líquido es más viscoso, la miel o la mayonesa? Si dijiste mayonesa, estás en lo cierto… al menos en parte. Asimismo, si dijiste cariño, estás parcialmente en lo cierto. La razón de la aparente anomalía es que al girar la cuchilla en ambas sustancias, la velocidad de corte 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 mientras que la mayonesa no es newtoniana, la viscosidad de la mayonesa disminuye a medida que aumenta la velocidad de corte o cuando se gira el cuchillo. La agitación somete la mayonesa a un alto esfuerzo cortante, lo que hace que ceda a la acción forzada. Por el contrario, simplemente colocar el frasco de lado somete a la mayonesa a una tensión cortante baja, lo que produce poco o ningún cambio de viscosidad, por lo que tiende a permanecer en el frasco.

    No se puede medir convencionalmente la viscosidad de un fluido no newtoniano. Más bien, se debe medir la viscosidad aparente, que toma en consideración 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 informen la temperatura de prueba y la velocidad de corte.

    Por ejemplo, la viscosidad de la grasa nunca se informa, sino que la viscosidad aparente de la grasa se informa en centipoises (cP). (Nota: se puede informar la viscosidad del aceite base utilizado para fabricar la grasa, pero no del producto terminado).

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

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

    Debido a que la pintura no es newtoniana, su viscosidad cede bajo la fuerza del pincel, pero regresa cuando se retira el pincel. Como resultado, la pintura se esparce con relativa facilidad, pero no deja marcas de pincel ni se corre.

Viscosidad dinámica versus 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 de espesor de película que el petróleo puede proporcionar, pero tiene menos importancia si el petróleo no es newtoniano.

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

• Aditivos mejoradores del índice de viscosidad (VI): los aceites de motor multigrado de base mineral (excepto los aceites base naturalmente altos de VI) están formulados con un aditivo elástico que es compacto 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 del agua: el aceite y el agua libre no se mezclan, al menos no químicamente. Pero bajo ciertas circunstancias, se combinarán para formar una emulsión, muy parecida a la mayonesa mencionada anteriormente. Cualquiera que haya visto un aceite que parece café con nata puede dar fe de este hecho. Si bien puede parecer contradictorio, la contaminación del agua, cuando se emulsiona en el aceite, en realidad aumenta la viscosidad cinemática.

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

• Hollín: El hollín, que se encuentra comúnmente en los motores diésel, es una partícula que produce 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 emulsiones o coloides comúnmente encontrados descritos anteriormente con un viscosímetro absoluto de velocidad de corte variable (por ejemplo, ASTM D4741), la medición disminuiría a medida que aumenta 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 diferiría de la viscosidad cinemática medida. Nuevamente, las ecuaciones de la Figura 3 se aplican únicamente a los fluidos newtonianos, no a los fluidos no newtonianos descritos anteriormente, razón por la cual ocurre esta discrepancia.

Viscosidad cinemática y efectos de gravedad específica

    Mire las ecuaciones en la Figura 3 nuevamente. Las viscosidades absoluta y cinemática de un fluido newtoniano están relacionadas en función de la gravedad específica del fluido. Considere el aparato de la Figura 1, el bulbo que contiene la muestra de aceite, que se libera cuando se elimina el vacío, luego produce una 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 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 una gravedad específica 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 absoluta y cinemática.

    Considere 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 en un 10 por ciento, generalmente el límite condenatorio para un cambio en la viscosidad. En el escenario A, el modesto cambio en la gravedad específica da como resultado una ligera diferencia entre la viscosidad absoluta medida y la viscosidad cinemática.

    Este diferencial podría retrasar ligeramente el sonido de la alarma de cambio de aceite, pero no causaría mucho 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 suponer en ambos escenarios que los fluidos siguen siendo newtonianos.

    Debido a las muchas posibilidades de formar fluidos no newtonianos, el verdadero parámetro de interés para el analista de petróleo y el técnico de lubricantes 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 comúnmente se toman prestados nuevos procedimientos de prueba de lubricantes para el análisis de aceite usado, la viscosidad cinemática del aceite es el parámetro medido que se utiliza para determinar tendencias y tomar decisiones sobre la gestión del lubricante. Sin embargo, en ciertos casos esto puede introducir errores innecesarios al determinar la viscosidad de un aceite.

    El problema se puede reducir a simples matemáticas. Como sugieren las ecuaciones de la Figura 3, la viscosidad absoluta y cinemática 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 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 la medición de la gravedad específica a un programa de análisis de aceite de laboratorio de rutina ayudará a eliminar esto como una variable al estimar la viscosidad absoluta a partir de la viscosidad cinemática medida.

  
  Cuando utilice un viscosímetro in situ, no busque una concordancia completa entre el viscosímetro cinemático del laboratorio y el instrumento in situ. 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 in situ en cP.

  
  

• Es el parámetro que se está midiendo y ayuda a diferenciar la tendencia in situ de la tendencia de los datos producidos por el laboratorio con un viscosímetro cinemático. No intente lograr una concordancia perfecta entre las mediciones de viscosidad realizadas en el sitio y en el laboratorio. Es inútil y genera poco valor. En el mejor de los casos, busque una correlación vaga. Siempre base el aceite nuevo con el mismo viscosímetro que está usando con el aceite en servicio.

  
  

• Reconozca que los fluidos no newtonianos no proporcionan la misma película protectora para una viscosidad cinemática determinada 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 cavitación vaporosa, oxidación y fragilidad por hidrógeno y formación de ampollas).

    La viscosidad es una propiedad crítica del fluido y el monitoreo de la viscosidad es esencial para el análisis del aceite. Las técnicas de medición de la viscosidad dinámica y cinemática pueden producir resultados muy diferentes al probar aceites usados. Asegúrese de comprender los entresijos de la medición de la viscosidad y el comportamiento de los fluidos viscosos para poder tomar decisiones precisas sobre la lubricación.