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Propiedades Físicas y Químicas de los Metales

Resumen: Estado Natural y Metales Nativos. Propiedades Físicas. Conductividad Eléctrica y Calorífica. Efecto de la Temperatura. Atomicidad. Comportamiento Iónico. Potencial de Oxidación. Formación de Hidruros. Formación de Óxidos. Reacción con Ácidos. Desplazamiento por Metales Activos. Galvanizado. Metales Anfóteros.
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Autor: Alejandra Chávez

Indice
1. Definición y funciones de los lubricantes
2. Propiedades físicas de los lubricantes
3. Efecto de las sustancias extrañas
4. Formación de espuma

1. Definición y funciones de los lubricantes

Se llama lubricante a toda sustancia sólida, semisólida o líquida, de origen animal, mineral o sintético que, puesto entre dos piezas con movimiento entre ellas, reduce el rozamiento y facilita el movimiento.
Además, los lubricantes, según sus características, pueden cumplir otras misiones:
Sellar el espacio entre piezas: Dado que las superficies metálicas son irregulares a nivel microcópico, el lubricante llena los huecos. En los motores de explosión este sellado evita fugas de combustible y gases de escape y permite un mejor aprovechamiento de la energía.
Mantener limpio el cicuito de lubricación: en el caso de los lubricantes líquidos estos arrastran y diluyen la suciedad, depositándola en el filtro.
Contribuir a la refrigeración de las piezas: En muchos sistemas, de hecho, el lubricante es además el agente refrigerante del circuito.
Transferir potencia de unos elementos del sistema a otros: Tal es el caso de los aceites hidráulicos.
Neutralizar los ácidos que se producen en la combustión.
Proteger de la corrosión: El lubricante crea una película sobre las piezas metálicas, lo que las aisla del aire y el agua, reduciendo la posibilidad de corrosión.

2. Propiedades físicas de los lubricantes

Los lubricantes estan definidos por una serie de características, algunas de las cuales se utilizan para clasificar los aceites o grasas. Dada la naturaleza de los distintostipos de lubricanttes no todas las características son aplicables a todos ellos.
Color o fluerescencia
Actualmente el color del aceite dice muy poco acerca de sus características, ya uqe es facilmante modificable con aditivos. No obstante, hasta hace pocos años, se le daba gran importancia como indicativo del grado de refino, y la florescencia era indicativo del origen del crudo (aceites minerales).
El procedimiento para determinar el color de un aceite es el ASTM-D-1500. en el que se compara el color del aceite con una serie de vidrios patron de distintos colores, ordenados en sentido creciente de 0 a 8. Pero para aceites muy claros, tales como los aceites aislantes, aceites blancos técnicos, etc, la escala ASTM no puede establecer diferencias y es preciso usar otros métodos. El colorímetro Saybolt establece una escalas que va desde el -16 para el color blanco amarillento hasta +30 para el blanco no diferenciable con el agua.
En los aceites en servicio, el cambio del color puede alertar sobre deterioros, contaminación, etc.

Densidad
La densidad es la razón entre el peso de un volumen dado de aceite y un volumen igual de agua.
La densidad esta relacionada con la naturaleza del crudo de origen y el grado de refino.
En ocasiones, se usan otras caracterícticas pra definir el aceite en lugar de su densidad, aunque están directamente relacionadas con ella. Veamos algunas.
La gravedad específica se define como la relación entre un cierto volumen de producto y el mismo volumen de agua destilada a 4ºC.

En Estados Unidos suele usarse la gravedad API. Esta es una escala arbitrarioa que expresa la gravedad o densidad del acetie, medida en grados API.

En Estados Unidos la temperatura standar para el agua y el aceite es de 60ºF. En otros paises la temperatura es de 15ºC (59ºF) para el aceite y 4ºC para el agua, si bien en algunos casos so utilizan 15ºC para el agua y el aceite.

La densidad es la razoón entre el peso de un volumen de aceite y el peso de un volumen igual de agua.

Viscosidad
La viscosidad es una de las propiedades más importantes de un lubricante. De hecho, buena parte de los sistemas de clasificación de los aceites estan basados en esta propiedad.
La viscosidad se define como la resistencia de un líquido a fluir. Esta resistencia es provocada por las fuerzas de atracción entre las moléculas del líquido. El esfuerzo necesario para hacer fluir el líquido (esfuerzo de desplazamiento) estará en función de esta resistencia. Los fluidos con alta viscosidad ofrecen cierta resistencia a fluir, mientras que los poco viscosos lo hacen con facilidad.
La viscosidad se ve afectada por las condiciones ambientales, especialmente por la temperatura y la presión, y por la presencia de aditivos modificadores de la misma, que varian la composición y estructura del aceite.
La fricción entre moléculas genera calor; la cantidad de calor generado está en función de la viscosidad. Esto tambien afecta a la capacidad sellante del aceite y a su consumo.
La viscosidad tambien tiene que ver con la facilidad para ponerse en marcha de las máquinas, particularmente cuando operan en temperaturas bajas. El funcionamiento óptimo de una máquina depende en buena medida del uso de el aceite con la viscosidad adecuada para la temperatura ambiente.
Además es uno de los factures que afecta a la formación de la capa de lubricación.

Viscosidad dinámica o absoluta
Los términos viscosidad absoluta y viscosidad dinámica se usan intercambiablemente con es de viscosidad para distinguirla de la viscosidad cinemática o comercial.
Se define, como ya hemos dicho como la resistencia de un líquido a fluir.
Matemáticamente se expresa como la relación entre el esfuerzo aplicado para mover una capa de aceite (tensión de corte) y el grado de desplazamiento conseguido.
El concepto de viscosidad puede entenderse con ayuda de la figura:

La figura representa dos placas, una fija y otra movil, separadas una distancia D. La placa movil se mueve con velocidad constante V. El aceite adherido a la placa se mueve a la misma velocidad que ella. Entre ambas placas vemos que las capas de aceite situadas entre las dos placas se mueven a velocidad inversamente proporcional a su separación de la placa movil. Para vencer la fricción entre placas será necesario aplicar una fuerza F. Dado que la fricción entre capas esta relacionada con la viscosidad, Newton demostro que la fuerza F es una medida de la fricción interna del fluido, siendo proporcional a la superficie de la placa movil S y al gradiente de velocidad V/D:

en el cual h (eta) es el coeficiente de viscosidad absoluta y V/D es el gradiente de velocidad o grado de desplazamiento.
Por tanto la viscosidad absoluta queda definida como:

Podemos ver así que la viscosdidad de un fluido se puede determinar conociendo la fuerza necesaria para vencer la resistencia del fluido en una capa de dimensiones conocidas.

Viscosidad cinemática o comercial
La viscosidad cinemática se define como la resistencia a fluir de un fluido bajo la acción de la gravedad.
En el interior de un fluido, dentro de un recipiente, la presión hidrostática ( la presión debida al peso del fluido) esta en función de la densidad.
Por otra parte, el tiempo que tarda en fluir un volumen dado de fluido es proporcional a su viscosidad dinámica.
Podemos expresar la viscosidad cinemática como:

donde n es el coeficiente de viscosidad dinámica y d la densidad, todo ello medido a la misma temperatura.
La gravedad especifica puede aplicarse en la expresión anterior en lugar de la densidad.
Por lo dicho anteriormente, la viscosidad cinemática puede definirse como el tiempo requerido por un volumen dado de fluido en fluir a traves de un tubo capilar por acción de la gravedad

Viscosidad aparente
La viscosidad aparente es la viscosidad de un fluido en una determinadas condiciones de temperatura y agitación (no normalizadas).
La viscosidad aparente no depende de las características del fluido, sino de las condiciones ambientales, y por tanto variará según las condiciones.

Factores que afectan a la viscosidad
Aunque en la mayor parte de los casos sería deseable que la viscosidad de un lubricante permeneciese constante, ésta se ve afectada por las condiciones ambientales, como ya hemos dicho. Para evitarlo se usan aditivos, llamados mejoradores del índice de viscosidad.

Efecto de la temperatura
En termodinámica la temperatura y la cantidad de movimiento de las moléculas se consideran equivalentes. Cuando aumenta la temperatura de cualquier sustancia (especialmente en líquidos y gases) sus moléculas adquieren mayor movilidad y su cohesión disminuye, al igual que disminuye la acción de las fuerzas intermoleculares.
Por ello, la viscosidad varía con la temperatura, aumentando cuando baja la temperatura y disminuyendo cuando se incrementa.

Efecto de la velocidad de corte
No todos los fluidos responden igual a variación de la velocidad de corte.Debido a su naturaleza, la mayoria de los fluidos no varian su viscosidad al variar la velocidad de corte. Son los llamados fluidos newtonianos. En estos, el grado de desplazamiento de las capas de líquido es proporcional a la fuerza que se aplica Ejemplo de ello son los aceites monogrado.

Los fluidos en los que no se cumple esta condición son llamados no-newtonianos, y dentro de ellos podemos establecer varios tipos:
Fluidos plásticos o de Bingham: Estos fluidos no fluyen mientras que la fuerza que se les aplica no supere un cierto nivel (umbral). Una vez revasado dicho umbral, el desplazamiento conseguido es proporcional a la fuerza aplicada. Este es el caso de los aceites multigrado.

Fluidos pseudoplásticos: En estos no aparece ningun umbral, pero el desplazamiento conseguido no es proporcional a la fuerza, sino que aumenta en una proporción mucho mayor.

Fluidos dilatantes: En estos la viscosidad aumenta al aumentar la fuerza aplicada. Es como si el fluido fuera frenandose al aplicar la fuerza.
Fluidos tixotrópicos: En estos la viscosidad va disminuyendo al aplicar una fuerza y acto seguido vuelve a aumentar al cesar la fuerza. El efecto contrario se conoce como reopexia. Las variciones tixotrópicas son debidas a la destrucción de los enlaces intermoleculares a causa del corte, y a su reconstrucción progresiva al cesar este. Como por ejemplo en la grasa

3. Efecto de las sustancias extrañas

Durante su utilización, el lubricante ve expuesto a sustancias extrañas, que , antes o después, acaban afectandole, modificando sus características. Al contrario que la temperatura o la velocidad de corte, esta modificación será permemente y progresiva.
La vsicosdiad de un lubricante puede disminuir a cuasa de:

  • Base de baja calidad.
  • Disolución por otra sustancia.

Y puede aumentar debido a:

  • Base de baja calidad.
  • Pocos aditivos
  • Acumulación de contaminantes
  • Oxidación.

Los factores anteriores pueden combinar su acción, de manera que incluso llegen a anularse. Es decir, un lubricante puede perder viscosidad debido a una base de baja calidad, y recuperarla por acumulación de suciedad. De cuallquier forma, esto implica una degradación del lubricante, si bien es más preocupante una pérdida de viscosidad que un incremento.

Unidades de medida de la viscosidad
Existen un buen números de unidades empleadas en la medición de la viscosidad. Algunas se basan en la relación entre la fuerza aplicada y el grado de desplazamiento conseguido; otras se basan en el tiempo que tarda en fluir una determinada cantidad de liqudo a traves de un orificio calibrado, a una determinada temperatura, que suele ser 100ºF y 210ºF (37'8ºC y 98'9ºC). Veammoslas:

  • Poise (Po): En honor de Poiseville, quien en 1844 desarrollo la ecuación de viscosidad de los gases. Es la unidad de viscosidad absoluta del sistema CGS. Se define como la fuerza en dinas necesaria para mover una placa lisa de 1 cm2 de superficie separada de otra fija por una capa de líquido de 1 cm d espesor, a una velocidad de 1 cm/seg (dima x cm-2/seg). Tambien se denomina g x cm/seg. En la práctica suele usarse su submultiplo, el centipoise. 1 cPo=0'01 Po
  • Poiseville (Pl): Unidad de viscosidad absoluta del Sistema Internacional. Su definición es similar a la del Poise, pero sustiyendo las unidades CGS por las del S.I. (N x seg/m2). 1 Pl= 10 Po = 1 Pa x seg
  • Reyn: Llamado así por Sir Osborne Reynolds. En la practica se usa el microreyn, su millonésima parte, dada la magnitud de la unidad fundamental.
  • Stoke (St): Unidad de viscosidad cinemática del sistema CGS. Se basa en la relación entre la viscosidad dinámica de un fluido y su densidad (ver viscosidad cinemática). Tambien puede denominarse cm2/seg. Suele emplearse su sbmúltiplo el centistocke (cSt). 1 cSt = 0'01 St.

La viscosidad dinámica en centipoise puede convertirse en viscosdad cinemática en centistokes diviendola por la densidad en g/cm3, a la misma temperatura.

  • Metro cuadrado por segundo (m2/seg): Unidad de viscosdad cinemática del S.I. 1 m2/seg= 104 St
  • Segundos Saybolt (SUS)= Indica el tiempo que tarda el fluir 60 ml de aceite a través de un tubo capilar a una temperatura dada entre 70ºF y 210ºF. Si el fluido es de viscosidad muy alta viscosidad se usa un tubo de mayor diametro, expresando entonces el resultado en Segundos Saybolt Furol (SSF). Se usa sobre todo en Estados Unidos.
  • Segundos Redwood: Indica el tiempo que tarda en fluir 50 ml de aceite a traves un orificio calibrado. Se usa en Gran Bretaña.
  • Grados Engler: Es el cociente entre el tiempo que tarda en fluir 200 ml de aceite a traves de un orificio calibrado y el tiempo que tarda en fluir 200 ml de agua a traves de un orificio del mismo calibre, a la misma temperatura. El resultado se da en grados Engler. Se usa sobre todo en la Europa continental.

En la actualidad, la viscosidad suele determinarse en centistokes, para luego convertirlo a otras unidadades.

Indice de viscosidad
El índice de viscosidad es la medida de la variación de la viscosidad de un aceite en función de la temperatura.
Esta es una medida arbitraria que fue introducida en 1929 por Dean y Davis.
El método consiste en comparar la viscosidad del aceite dado con la de dos aceites patrón: el procedente del crudo de Pensilvania (parafínico), cuya viscosidad varia muy poco con la temperatura, y el procedente del crudo del Golfo de Méjico (naftalénico), que varia mucho su viscosidad con la temperatura. A estos se les asigna un índice de viscosidad de 100 y 0 respectivamente.
Se toma el los aceites patron cuya viscosidad a 210ºF (98ºC) sean iguales a la del aceite problema. A continuación se determina la viscosidad de los tres aceites a 100ºF (38ºC) y se calcula el cociente:

Cuanto más alto es es índice de viscosidad, más estable es la viscosidad del aceite.

Bombeabilidad
Es la capacidad de un lubricante para fluir de manera satisfactoria impulsado por una bomba, en condiciones de baja temperatura. Esta propiedad esta relacionada directamente con la viscosidad.

Consistencia
Se llama así a la resisitencia a la deformación que presenta una sustancia semisólida, como por ejemplo una grasa. Este parámetro se usa a veces como medida de la viscosidad de las grasas. Al grado de consistencia de una grasa se le llama penetración y se mide en decimas de milimetro.
La consistencia, al igual que la viscosidad, varia con la temperatura

Aceitosidad o lubricidad
Se conoce con estos nombres a la capacidad de un lubricante de formar una película de un cierto espesor sobre una superficie.
Esta propiedad está relacionada con la viscosidad; a mayor viscosidad, mayor lubricidad. En la actualidad suelen usarse aditivos para aumentar la lubricidad sin necesidad de aumentar la viscosidad.

Adhesión o adherencia
Capacidad de un lubricante adherirse a una superficie sólida. Esta relacionada con la lubricidad.
Rigidez dieléctrica
La rigidez dieléctrica o tensión de perforación es la tensión que produce un arco eléctrico permanente entre dos electrodos bien definidos separados 2'5mm, sumergidos en aceite a 20ºC. Se expresa en Kv/cm.
La rigidez dieléctrica orienta sobre la capacidad aislante del aceite, así como de la presencia en el mismo de impurezas tales como agua, lodos, polvo, gases, etc.
La presencia de impurezas disminuye la rigidez dieléctrica de un aceite. Las impurezas facilitan el paso de la corriente a través del aceite, especialmente que llevan agua en disolición, tales como fibras de papel, gotas de polvo, etc. No ocurre lo mismo con el disuelta en el aceite, que no afecta a esta propiedad.

La temperatura incrementa el valor de la rigidez dielétrica, hasta alcanza un valor máximo a 100ºC.

Esta propiedad es de especial significación en los aceites de trasnformador y en los aceites para compresores frigorífico

4. Formación de espuma

La espuma es uma aglomeración de burbujas de aire u otro gas, separados por uma fina capa de líquido que persiste en la superficie. Suele formarse por agitación violenta del líquido.
La tendencia a la formación de espuma y la persistencia de esta se determina insuflando aire seco en aceite. El volumen de espuma obtenido durante el ensayo determina la tendencia a la formación de espuma del aceite. Al cabo de un tiempo de reposo se vuekve a medir el volumen, y así se determina la estabilidad de la espuma.
La espuma provoca problemas en los sistemas hidráulicos y de lubricacíon:

  • comportamiento errático de mandos hidráulicos
  • cavitación en bombas
  • derrames en depositos
  • oxidación prematura del aceite
  • corrosión interna de elementos del sistema
  • fallos en cojinetes (por insuficiente lubricación)
  • dismiunción de la capacidad refigerante del aceite
  • diminución de la capacidad de disolución del aceite
  • flotación de pequeñas partículas de lodo presentes en el aceite

La estabilidad de la espuma se ve favorecida por el aumento de la viscosidad del aceite, la presencia de compuestos polares en el mismo. Por el contrario, la temperatura elevada del aceite y la presencia de aditivos antiespumantes en el aceite reducen la tendencia a la formación de espuma.

Emulsibilidad
La emulsibilidad es la capacidad de un líquido no soluble en agua para formar una emulsión.
Se llama emulsión a una mezcla íntima de agua y aceite. Puede ser de agua en aceite (siendo el agua la fase discontinua) o de aceite en agua (donde el agua es la fase continua).
Se considera que una emulsión es estable si persiste al cesar la acción que la originó y al cabo de un tiempo de reposo. Los factores que favorecen la estabilidad de las emulsiones son:

  • viscosidad del aceite muy alta
  • tensión superficial del aceite baja
  • pequeña diferencia de densidad entre los dos líquidos
  • presencia de contaminantes.

La presencia de agua en el aceite es siempre perjudicial para la lubricación,ya que,entre otras cosas, puede disolver ciertos aditvos, restando eficacia al aceite. Por lo tanto, siempre es deseable que los aceites formen emulsiones inestables, o separen el agua por decantación. Esto es especialmente deseable en el caso de la maquinaria expuesta a la interperie.
Sin embargo, en algunos casos, como los aceites de corte o los marinos para maquinaria de cubierta, lo deseable es que la emulsiones sean estables.

Demulsibilidad
Se llama asi a la capacidad de un líquido no soluble en agua para separarse de la misma cuando está formando una emulsión.
La oxidación del aceite y la presencia de contaminantes afectan negativamente a la demulsibilidad del aceite.
La adecuada eliminación del agua facilita en muchos casos la lubricación, reduciendo el desgaste de piezas y la posibilidad de corrosión.
Esta propiedad es muy importante en los aceites hidráulicos, para lubricación de maquinaria industrial, de turbina y para engranajes que transmiten grandes esfuerzos. En los aceites de automoción no lo es tanto, debido a la capacidad dispersante y detergente de los mismo.

Aeroemulsión
La aeroemulsión es una emulsión de aire en aceite, formada por burbujas muy pequeñas (0'0001 a 0'1 cm), dispersas por todo el líquido.
Las aeroemulsiones son muy dificiles de eliminar y provocan problemas semejantes a los de la espuma superficial.
Esta es una propiedad muy importante en los aceites de turbina y en los hidráulicos de alta presión. Es una caracteristica intrinseca del aceite base y no puede ser modificada con aditivos.

Punto de goteo
Se llama punto de goteo a la temperatura a la cual una grasa pasa de estado semisólido a líquido. Este cambio de estado puede ser brusco o paulatino, considerandose el punto de goteo como el final del proceso.
En las grasas tipo jabon el cambio de estado es debido a la separación del aceite y el jabon al alcanzarse el punto de goteo. Las grasa tipo no jabon pueden cambiar de estado sin separarse el aceite del espesante.
Se considera que el rango de temperatura útil de una grasa está entre 100 y 150º F por debajo del punto de goteo. La operación en temperaturas próximas al punto de goteo obviamente afectará a la eficacia lubricante de la grasa.
El punto de goteo no esta relacionado con la calidad de la grasa.

Punto de inflamación
Se llama punto de inflamación a la temperatura mínima en la cual un aceite empieza a emitir vapores inflamables.
Esta relacionada con la volatilidad del aceite. Cuanto más bajo sea este punto, mas volatil sera el aceite y tendra mas tendencia a la inflamción. Un punto de inflamación alto es signo de calidad en el aceite.
En los aceites industriales el punto de inflamación suele estar entre 80 y 232 ºC, y en los de automoción entre 260 y 354ºC
El punto de inflamación tambien orienta sobre la presencia de contaminantes, especialmente gases (los cuales pueden reducir la temperatura de inflamción hasta 50ºC en algunos aceites), riesgo de incendios a causa de los vapores y procesos no adecuados en la elaboración del aceite.

Punto de combustion
Se llama así a la temperatura a la cual los vapores emitidos por un aceite se imflaman, y permanecen ardiendo al menos 5 segundos al acercarsele una llama. El punto de combustión suele estar entre 30 y 60 º por encima del punto de inflamación.

Punto de enturbiamiento
Se llama punto de enturbiamiento a la temperatura a la cual las parafinas y otras sustancias disueltas en el aceite se separan del mismo y forman cristales, al ser enfriado el mismo, adquiriendo así un aspecto turbio.
La solubilidad del aceite y el peso molecular de las sustancias disueltas influyen en el punto de enturbiamiento.
Como es sabido, la solubilidad esta directamente relaciona con la temperatura de la misma. Al bajar esta, la solubilidad disminuye, haciendo que alguna sustancias disueltas se separen de la sustancias disolvente.
El peso molecular de las sustancias disueltas tambien influye en la capacidad del disolvente ( este caso el aceite) para disolverlas. Cuanto menor sea el peso molecular en cuestión mas facil sera disolver dichas sustancias.
La presencia de sustancias extrañas y el almacenamiento prolongado tamvien influyen en el punto de enturbiamiento.
Los contaminantes se combinan o aglomeran parafinas y otras sustancias susceptibles de separarse del aceite, elevando el punto de enturbiamiento.
Igualmente, el almacenamiento prolongado favorece la aglomeracion de parafinas.
El proceso de enturbiamiento es reversible en la inmensa mayoria de los casos.
No todos los aceites presenta punto de enturbiamiento: alguno se solidifican directamente al alcanzar la temperatura de congelación.
Esta caracteristi ca es de especial significación en los aceites que operan en temperaturas ambiente muy bajas, ya que afecta a la facilidad para bombear el aceite y su tendencia a obstruir filtros y pequeños orificios.

Punto de congelación
El punto de congelación (tambien llamado punto de fluidez)es la menor temperatura a que se observa fluidez en el aceite al ser enfriado. Se expresa en múltiplos de 3ºC o 5ºF.
En los aceites naftalénicos este punto se alcanza por la disminución de la densidad causa por el descenso de la temperatura; en lo parafínicos se debe principalmente a la cristalización de sustancias parafínicas.
El punto de congelación se alcanza siempre a temperatura inferior a la del punto de entrubiamiento. Al igual que este, es una caracteristica importante en aquellos aceites que operan a muy bajas temperaturas ambientales.

Punto de floculación
Se llama punto de floculación a la temperatura a la cual las parafinas y otras sustancias disueltas en el aceite se precipitan formando flóculos (agregados de sustancias sólidas) al entrar en contacto con un fluido refrigerante (normalmente R-12), en una mezcla con un 10% de aceite y un 90% fde refrigerante, al ser enfriado el aceite.

Esta característica es de especial significación en los aceites que trabajan en elementos de sistemas de refigeración, en los cuales el refrigerante es mixcible con el aceite.

 

Trabajo enviado por:
Oscar López Rodrigo
oscar.lr@terra.es

 

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