UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE SISTEMAS DE TRANSPORTE Y APROVECHAMIENTO APROVECHAMIENTO DE FLUIDOS PRÁCTICA No. 2 FLOTACIÓN Y TENSIÓN SUPERFICIAL
PARTE 1: Tensión Superficial 1. INTRODUCCIÓN En la interfaz entre un líquido y un gas, e incluso entre dos fluidos no miscibles, se forma lo que pareciera ser una película o capa de fluido. De este fenómeno se deriva una propiedad de los fluidos conocida como tensión superficial. Dicha propiedad es importante ya que permite explicar algunos fenómenos como la formación de una burbuja, la forma y tamaño de las gotas y los efectos de capilaridad, los cuales varían de un fluido a otro.
2. TEMAS DE CONSULTA
Definición de tensión superficial. Unidades de la tensión superficial. Fuerza debida a la tensión superficial. Capilaridad como consecuencia de la tensión superficial. Elevación y caída capilar de los fluidos.
3. IMPLEMENTOS
Soporte con polea. Porta-objetos. Balanza. Tubo de ensayo. Gotero. Fluidos a analizar (agua y detergente líquido).
4. PROCEDIMIENTO Descripción del Banco Figura 1. Disposición inicial
Fuente: Laboratorio mecánica de fludios
Figura 2.Montaje experimental
Fuente: Laboratorio mecánica de fluidos El montaje consta de un porta-objetos de vidrio prismático, suspendido mediante una polea con un tubo de ensayo como contrapeso. Un recipiente con líquido se ubica bajo el anterior montaje y sobre una báscula electrónica. Todo el anterior montaje se sostiene mediante un soporte ajustable.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Equilibre el sistema de polea agregando agua en el tubo de ensayo suspendido. Verifique que el porta-objetos este totalmente vertical y equilibrado. Llene el recipiente inferior con el líquido a estudiar, hasta un nivel de uno a dos centímetros. Reinicie la báscula electrónica de tal forma que marque un valor de cero con el recipiente montado sobre ésta. Introduzca ligeramente el portaobjetos en el líquido. Observe el cambio en la lectura de la balanza. Empiece a agregar gradualmente agua en el tubo de ensayo de contrapeso. Para esto utilice un gotero. Observe lo que sucede con la lectura de la balanza. Continúe agregando agua lentamente hasta que el portaobjetos se despegue del agua, y registre el valor de la lectura de la balanza en este preciso momento. Calcule la tensión superficial del líquido analizado. Repita el procedimiento anterior para el líquido con detergente y en caso de que el auxiliar lo indique realizarlo con otro fluido.
5. MARCO TEÓRICO La tensión superficial es una propiedad resultante de las fuerzas de atracción entre las moléculas del fluido. Las fuerzas entre las moléculas en el cuerpo de fluido son iguales en todas las direcciones, por lo que no se ejerce ninguna fuerza neta sobre dichas moléculas. Por el contrario, en una interfaz las moléculas ejercen una fuerza neta que tiene una resultante en la capa de interfaz. Es por eso que esta propiedad se manifiesta sólo en la interfaz de un líquido, con mayor intensidad una interfaz líquido-gas. La fuerza neta resultante en una interfaz de este tipo mantiene una gota de agua suspendida en una superficie y limita el tamaño de la misma. Además hace que las pequeñas gotas de un rociador adopten formas esféricas y, en general, puede desempeñar un papel importante cuando dos líquidos inmiscibles entran en contacto. Un fenómeno importante ligado a esta propiedad es la capilaridad. La atracción capilar es causada por la tensión superficial y por el valor relativo de la adhesión entre el líquido y el sólido, con respecto a la cohesión del líquido.
ALGUNAS PROPIEDADES DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL:
Para un líquido dado, el valor de la tensión superficial decrece a medida que aumenta su temperatura. Esto se debe al aumento de la agitación térmica, lo cual ocasiona una menor intensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de la tensión superficial depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el cuerpo del fluido. Por esto, cuanto mayor es la fuerza de cohesión del líquido, mayor es su tensión superficial. La tensión superficial se puede interpretar como una fuerza por unidad de longitud.
6. CÁLCULOS TIPO Para el cálculo de la tensión superficial utilice la siguiente fórmula:
Donde: γ es la tensión superficial. F es la Fuerza debida a la tensión superficial. P es el perímetro mojado del sólido.
7. PREGUNTAS 1. ¿Cómo varía la lectura de la balanza al introducir el portaobjetos en el líquido? 2. ¿Cómo varía la lectura de la balanza al agregar gradualmente agua al tubo de ensayo de contrapeso? Explique el porqué de este comportamiento. 3. ¿Qué cree que ocurriría si el porta-objetos utilizado se ubicara de tal manera que la cara en contacto con el líquido fuera la más grande? 4. ¿Qué consecuencia tendría para el experimento el aumentar la temperatura del líquido utilizado en el recipiente? 5. Identifique algún fenómeno relacionado a la propiedad de tensión superficial y diga claramente de que se trata. 6. Compare los resultados de tensión calculada con la teórica y compárela también con los otros fluidos implicados.
PARTE 2: Flotación 1. INTRODUCCIÓN La ley de flotación tiene sus orígenes muchos años atrás en la historia, desde la conocida por muchos, leyenda del filósofo griego Arquímedes. Es por esto que la ley a tratar en esta práctica se conoce también como Ley de Arquímedes. Esta ley adquiere relevancia en la medida en que representa el funcionamiento de numerosos sistemas reales y sirve de base para otros principios igualmente importantes. Figura 3. Montaje experimental.
2. TEMAS DE CONSULTA
Fuerza de flotación, principio físico y aplicación en la industria. El densímetro, principio de funcionamiento. Aplicaciones industriales del densímetro.
3. IMPLEMENTOS
Báscula. Balanza. Vaso de precipitado. Cilindro de Prolon. Cilindro de Acero. Cilindro de Aluminio. Cilindro de Bronce.
4. PROCEDIMIENTO 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Nivele la báscula. Ubique la pesa a sumergir en un extremo de la balanza y en el otro extremo ubique el contrapeso de cobre sobre la báscula, de tal modo que la balanza quede nivelada. Reinicie la báscula de tal modo que marque ce ro con la pesa de cobre sobre ella. Ubique el vaso de precipitado debajo del eleme nto a sumergir. Llene lentamente el vaso de precipitado hasta que el nivel de agua alcance el nivel superior del elemento a sumergir sin rebosar. Tome el dato que proporciona la bascula y regístrelo. Repita el procedimiento para los demás materiales disponibles. Halle la fuerza de flotación teórica con e l principio de Arquímedes y compárela con la experimental hallada según la medida de masa en la báscula.
5. PREGUNTAS 1.
Enuncie y explique con sus palabras el principio de Arquímedes.
2.
¿Qué pasaría con la fuerza de flotación si se usa un cilindro de Fundición de volumen igual al de Acero?
3.
Si se cambia el cilindro de Prolón por un cubo del mismo material con igual volumen, ¿qué sucede con la fuerza de flotación?
4.
¿Qué ocurre con la fuerza de flotación si el cuerpo se encuentra totalmente sumergido?
5.
¿Qué ocurre con la fuerza de flotación apenas el cuerpo tiene contacto con e l agua?
6.
¿Cómo se comportaría la fuerza de empuje si el líquido se reemplazara por un acei te lubricante?
6. BIBLIOGRAFIA
ÇENGEL, Yunus A. y CIMBALA, John M. Mecánica de fluidos, fundamentos y aplicaciones. México: McGraw-Hill, 2006. MOTT, Robert L. Mecánica de fluidos aplicada. 4 ed. México: Prentice Hall, 1996. POTTER, Merle C y WIGGERT, David C . Mecánica de Fluidos. 2 ed. México: Prentice Hall, 1998.
