CAPITULO II MARCO DE REFERENCIA
1.-Fundamentos Teóricos:
1.1 Comportamiento del petróleo, gas y agua, ante cambios de P y T. Petróleo crudo, gas natural y agua son las sustancias de mayor interés para los ingenieros de petróleo.
Aunque estas sustancias pueden
presentarse como sólidos o semisólidos, generalmente a presiones y temperaturas bajas, se presentan en forma de parafina, hidratos de gas, hielo o crudos de alto punto de flujo. Por otro lado en el yacimiento y en los pozos, tales sustancias se hallan como fluidos, en estado liquido o gaseoso, o frecuentemente en ambos. Incuso en los procesos de perforación, cementación y fracturación, los materiales sólidos se utilizan en forma de fluidos o lechadas. La separación de los fluidos del yacimiento y del pozo en estado liquido
y gaseoso depende principalmente de la temperatura y
presión. BCCraft (1977) nos indica bajo que factor los fluidos multifasicos del yacimiento cambian de estado. “El estado físico de un fluido en el yacimiento generalmente varia con la presión, pues la temperatura es esencialmente constante”. En muchos casos el estado físico del fluido en el yacimiento no esta relacionado con el estado del fluido en la superficie, El principal objetivo del ingeniero de petróleo es determinar el comportamiento del petróleo crudo, gas natural y agua, solos o en combinación, bajo condiciones estáticas o en movimiento en el yacimiento en las tuberías, con cambios de temperatura y presión.
1.2 Propiedades de los Fluidos: 1.2.1 Existencia de una fuerza de tensión superficial. Las fuerzas de atracción que existen entre las moléculas de un líquido, son de diferente magnitud dependiendo de la zona del líquido considerada. Las moléculas en su seno del líquido están lo suficientemente cerca para que el efecto de las fuerzas de atracción sea considerable, pero tienden a equilibrarse. Por el contrario, las moléculas de la zona superficial ( no están rodeadas completamente por otras moléculas del líquido y por lo tanto estas moléculas están desequilibradas con un efecto neto hacia el seno del líquido. Esta fuerza neta es normal a la superficie y será más baja mientras más pequeña sea dicha superficie. Es decir, para una superficie mínima se cumple una energía mínima y por lo tanto podemos decir que la superficie de un líquido tiende a contraerse y el efecto resultante de estas fuerzas de contracción es lo que da origen a la tensión superficial, permitiendo además que la superficie sea estable.
Es decir, para una superficie mínima se cumple una energía mínima y por lo tanto podemos decir que la superficie de un líquido tiende a contraerse y el efecto resultante de estas fuerzas de contracción es lo que da origen a la tensión superficial, permitiendo además que la superficie sea estable.
1.2.2 Tensión superficial: B.C.Craft(1977), define la tensión superficial como “La fuerza por unidad de longitud ejercida perpendicularmente a una línea cualquiera contenida en la interfase que separa a dos fluidos inmiscibles. Dicha fuerza es tangencial a la superficie del líquido”. (p-59)
Trabajo necesario para crear una nueva unidad de superficie en la interface de dos fluidos.
Ya que la tendencia natural, de un líquido, es reducir su superficie, cualquier intento de aumentar ésta, requiere de la realización de un trabajo.
Supongamos que se extiende la película de líquido contenida en un bastidor de alambre rectangular (véase fig.1). Si se aplica una fuerza F (que actuará en sentido contrario y estará balanceada por la fuerza de tensión superficial), al lado móvil del bastidor, para desplazar la película una distancia dx, el trabajo (W) realizado estará dado por:
dW = F dx pero F = 2
(1) γ
L;
(2)
ya que la película posee dos superficies. Entonces: dW = 2
γ
l dx
(3) Figura
siendo 2 L dx el incremento de área generado dA , y dW =
γ
dA
(4)
Las ecuaciones (2) y (4) generan dos definiciones equivalentes para
γ
.
ó la fuerza en dinas que actúa a lo largo de 1 cm de longitud de película
Y
ó el trabajo en ergios necesario para generar un centímetro cuadrado de superficie ó la energía libre superficial por centímetro cuadrado de área.
1.2.3 Definición termodinámica de la tensión interfacial: Superficie e interfase se define una superficie como la superficie de contacto entre un gas y una fase condensada (liquido o Solido).Se define una interface como la superior de contacto entre dos fases condensadas (dos líquidos o un liquido y un sólido). Mc Kaine (1995) nos da una definición desde el punto de vista termodinámico “Se definió la tensión superficial como la fuerza de atracción hacia dentro ejercida sobre las moléculas de la superficie de un liquido. Esta tensión tiene como consecuencia la contracción de la superficie”.
Cuando se ponen en contacto dos líquidos inmisibles el sistema considerado estará formado por las dos fases liquidas y la interfase de contacto entre ellas.
Las moléculas de la interface entre dos líquidos estarán sometidas a fuerzas de magnitudes diferentes a las que están sometidas las moléculas del seno de cada uno de los líquidos . Figura
Además se tendrán también interacciones de tipo Van der waals con las moléculas del otro liquido en la interfase, lo que conducirá a que la tensión a la interfase (tensión interfacial) tenga un valor intermedio entre las tensiones superficiales de los dos líquidos condensados.
Figura
Según la figura3 . El trabajo necesario para modificar el are esta dado por γ .
Si además de este trabajo se toma en consideración el asociado a cualquier cambio de volumen o- PdV, donde P es la presión de cada fase y V el volumen total del sistema, el trabajo total realizado en el sistema cerrado es:
dW= - PdV +
γ
dA
ya que para aumentar el área se requiere un trabajo positivo, la tensión tiene un valor positivo. Ahora al referirse a la figura Una gota de liquido o burbuja de gas fase
γ
cuando el embolo
se desplaza algo de la gota se evapora o algo de la burbuja se condensa.
Figura
Tambien se difinio superficial como el trabajo necesario para generar un centimetro cuadrado de superficie o la energia libre superficial por centimetro cuadrado de area.
Volviendo a la fig3 . Como la interfase es plana P1=P2=P Para un sistema multicomponente, el potencial quimico de cada componente debe ser igual en cada fase y en la interface. La variacion de la energia del sistema esta dada por:
En la que
γ
dA es el trabajo reversible a P y T constante asociado con
la variacion del area. Todas las relaciones termodinamicas clasicas se escriben con el termino adicional concerniendo la superficie.
1.4.1 Metodo del Anillo. Mc Kaine (1995), describe un metodo para determinar la tension superficial “Un anillo se coloca sobre la superficie del liquido y se mide la fuerza requerida para separar el anillo de la superficie. En este metodo debe asegurarse el mojado completo del anillo para obtener resultados reproducibles y de significado”.
Es un metodo muy sencillo, rapido, de alta precision, no muy dependiente del angulo de contacto,es una variante del metodo de la placa que tiene ciertas ventajas respecto a la precision.
Figura
Si se quieren medir tensiones interfaciales debajo de 0.01 dina/cm se deben usar los metodos mas precisos bien sea el de la gota colocada, el de la gota pendiente y el de la gota giratoria. Se mide la fuerza en un anillo, utilizando un medidor de torsión, justo antes de que se desprenda una capa líquida. La tensión superficial se calcula a partir del diámetro del anillo y de la fuerza de desprendimiento.
Figura
Para medir la tensión superficial de líquidos por el método de ruptura. Anillo metálico con arco
fijo,
Dinamómetro
recomendado:
dinamómetro de torsión,
diámetro 19.5mm. Figura
en
estuche.
2.0Identificación de Variables:
2.1 Variable independiente : Después de tratar de minimizar las incertidumbres producidas en la obtención de mediciones de eventos físicos, producidos en el laboratorio, los cuales son esquematizados y tabulados a continuación, se establece que las variaciones mas considerables son posiblemente producidas por la alteración de la estructura del anillo. 2.2Variable dependiente: El anillo está formado de un material muy dúctil, mientras mas alterada este su forma, mayor será la incertidumbre producida en las mediciones y mayor será el error producido en las mediciones. 2.3Variable interviniente: Este factor es importante ya que afecta el resultado final, en la toma de mediciones, se suele utilizar la toma aleatoria de datos buscando una media y esperando corregir el error producido, con ello se espera determinar un valor mas o menos aproximado.