Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Mecánica “DENSIDAD Y TENSION SUPERFICIAL”
CURSO:
PROFESOR:
"LUMNO#S$:
CICLO:
Laboratorio de Física II
Osorio !aniel
%ua&án Rodrígue' (uiller&o (allardo Llanos !aniel +ega Lla,a,asca Ed-in
.//01II
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)E* )!* )E*
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LABORATORIO DE FÍSICA I OBJETIVOS DE LA FISICA EXPERIMENTAL •
Familiarizarse con el papel central del experimento en la física, y por extensión en las ciencias naturales.
•
Moti Motiva vaci ción ón por por
el ente entend ndim imie ient nto o
de los los proc proces esos os físi físico cos, s,
fomentando la creatividad y reforzando la autoconfianza. •
Asimilación de los conceptos aprendidos en la teoría a través de la vivencia en el laboratorio.
•
Desarr Desarroll ollo o de la capaci capacidad dad de utiliz utilizar ar técnic técnicas as de medici medición ón y métodos de experimentación, e interpretación de los datos y el informe de laboratorio.
•
El obeti obetivo vo princi principal pal del labora laborator torio io de física física exper experime imenta ntall es comple mpleme ment nta ar
el
estu studio dio
teó teóric rico,
es
deci decirr,
las las
pr!ct r!ctic ica as
demuestran los principios de la física, "eneralmente desde un punto de vista adicional a lo visto en clase.
.
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EXPERIMENTO Nº 04: “DENSIDAD Y TENSION SUPERFICIAL”
#a física es una ciencia experimental. En la cual se busca deducir las leyes $ue interpretan los fenómenos de la naturaleza. Estas leyes se corroboran a través de experimentos.
Objetivos: •
Dete Determ rmin inar ar la dens densid idad ad medi media a de al"u al"uno nos s cuer cuerpo pos s medi median ante te la aplicación del principio de Ar$uímedes.
•
Determinar el coeficiente de tensión superficial de un lí$uido.
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Fundamento teórico: Densidad: En física el térm términ ino o dens ensida idad % & es una una ma"nitud ma"nitud referida a la cantidad de masa masa contenida contenida en un determinado determinado volumen, volumen, y puede utilizarse en términos absolutos o relativos. En términos sencillos, un obeto pe$ue'o y pesado, como una piedra o un trozo de plomo, es m!s denso $ue un obeto "rande y liviano, como un corc(o o un poco de espuma.
Dens!"! "#s$%&'" #a densid densidad ad absolu absoluta ta o densid densidad ad normal normal,, tambié también n llamad llamada a densid densidad ad real, real, expr expres esa a la masa masa por por unid unidad ad de volu volume men. n. )uan )uando do no se (ace (ace nin" nin"un una a aclaración al respecto, el término *densidad+ suele entenderse en el sentido de dens densid idad ad abso absolu luta ta.. #a dens densid idad ad es una una propiedad propiedad intensiva intensiva de la mate materi ria a producto de dos propiedades extensivas e intensivas.
Dens!"! (e%"')" #a densidad relativa o aparente expresa la relación entre relación entre la densidad de una sustancia y sustancia y la densid densidad ad del a"ua, a"ua, result resultand ando o una ma"nitud adimensional. adimensional. #a densidad del a"ua tiene un valor de -" -"l /a las condiciones de atm y atm y 0 1) / e$uivalente a 222 -" -"m m3. Aun$ue la unidad en el 4istema 5nternacional de 6nidades 6nidades %45& es -"m3, también es costumbre expresar la densidad de los lí$uidos en "cm3.
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Un!"!es !e !ens!"! 6nidades de densidad en el 45 son7 •
-ilo"ramo por -ilo"ramo por metro c8bico %-"m9& c8bico %-"m9&
•
"ramo por "ramo por centímetro c8bico %"cm9& c8bico %"cm9&
6nidades fuera del 457 •
En "ase "ases s suel suele e usar usarse se como como "ramo "ramo po por decímetro decímetro c8bico c8bico %"dm9& %6sado así para poder simplificar con la constante universal : ; 2.2<= atm > dm9 ? mol&
•
-ilo"ramo -ilo"ramo po por litro %-" %-"#& #&.. El a"ua "eneralme "eneralmente nte tiene una densidad densidad alrededor de -"#, (aciendo de esta una unidad conveniente.
•
"ramo por "ramo por mililitro %"m#&, mililitro %"m#&, $ue es$uivale a %"cm9&.
@ambién ambién (ay e$uivalencias numéricas de -"# % -"# ; "cm9 ; "m#&. tras unidades usadas en el 4istema An"losaón de 6nidades son7 6nidades son7 •
onza por onza por pul"ada c8bica %ozin c8bica %ozin3&
•
libra por libra por pul"ada c8bica %lbin 3&
•
libra por pie c8bico %lbft c8bico %lbft3&
•
libra por yarda c8bica %lbyd c8bica %lbyd3&
•
libra por "alón %lb"al& "alón %lb"al&
•
libra por bus(el americano bus(el americano %lbbu&
•
slu" por slu" por pie c8bico.
Dens!"! *e!" + ,&n'&"% Bara Bara un mate materia riall (omo"éneo, (omo"éneo, la fórmula masavolumen puede aplicarse sin reparos. En el caso de un obeto no (omo"éneo, en cambio, dic(a fórmula tiene el problema de $ue las densidades de las distintas partes son diferentes. En este este caso, caso, se puede puede medir medir la Cdensi Cdensidad dad mediaC mediaC,, aplica aplicando ndo la fórmul fórmula a masavolumen a todo el obeto, o la Cdensidad puntualC $ue ser! distinta en
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cada punto del obeto. En esta variante, la fórmula se aplica a cada porción del obeto $ue sea (omo"énea %a cada fase&. fase&. Bor eemplo, un vaso con a"ua es un obeto con dos partes. 4i uno considera la densidad en cada punto, ésta es distinta para el a"ua y para el vidrio. #a dens densid idad ad medi media, a, en camb cambio io,, es una una sola sola para para todo todo el obe obeto to,, y resu result ltar ar! ! intermedia entre la densidad del a"ua y la del vidrio. #a densidad media de un material no es una propiedad intrínseca y depende de la forma en la $ue el material (aya sido tratado7 si est! en "ranos o en polvo ocupar! m!s espacio $ue si est! en forma compacta.
Me!-.n !e !ens!"! 4i se aplican las fórmulas de la sección anterior, la densidad densidad se puede medir en forma indirecta se miden la masa y el volumen por separado, y lue"o se calcula la densidad. #a masa se mide (abitualmente con una balanza, balanza, mientras $ue el volumen puede medirse determinando la forma del obeto y midiendo las lon"itudes apropiadas, o mediante el desplazamiento de un lí$uido, entre otros métodos. 6n instrumento muy com8n para medir en forma directa la densidad de un lí$uido es el densímetro. densímetro. 6n instrumento menos com8n es el picnómetro, y picnómetro, y en el caso de "ases, el picnómetro de "as. tra posibilidad para determinar las densidades de lí$uidos y "ases es utilizar un instrumento di"ital basado en el principio del tubo en 6 oscilante
C"*#$s !e !ens!"! En "ene "enera ral, l, la dens densid idad ad de un mate materi rial al varí varía a al camb cambia iarr la presión o la requerida temperatura. temperatura. 4e puede demostrar cita requerida , utilizando la termodin!mica $ue termodin!mica $ue al
aumentar la presión debe aumentar la densidad de cual$uier material estable.
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En cambio, si bien al aumentar la temperatura usualmente decrece la densidad de los materiales, (ay excepciones notables. Bor eemplo, la densidad del a"ua lí$uida crece entre el punto de fusión %a 2 1)& 1)& y los 0 1) y 1) y lo mismo ocurre con el silicio a silicio a baas temperaturas El efecto de la temperatura y la presión en los sólidos y lí$uidos es muy pe$ue'o, por lo $ue típicamente la compresibilidad de compresibilidad de un lí$uido o sólido es de 2 GH bar G % bar;2. MBa& y el coeficiente de dilatación térmica dilatación térmica es de 2 GI ? G. Bor otro lado, la densidad de los "ases es fuertemente afectada por la presión y la temper temperat atur ura. a. #a ley de los "ases ideales ideales describe matem!ticamente la relación entre estas tres ma"nitudes7
donde R es es la constante la constante universal de los "ases ideales i deales,, P es es la presión del "as, la temperatura absoluta. absoluta. m su masa molar , y T la Eso si"nifica $ue un "as ideal a 322 ? %=J 1)& 1)& y bar duplicar! duplicar! su densidad si se aumenta aumenta la presión a = bar o, o, alternativamente, se reduce su temperatura a I2 ?.
Tensión superficial: En física se física se denomina tensión superficial al fenómeno por el cual la superficie de un lí$uido tiende lí$uido tiende a comportarse como si fuera una del"ada película el!stica. Este Este efec efecto to permi ermite te a al"u l"unos nos insectos, insectos, como el zapatero %Kydrometra sta"norum& sta"norum& , desplazarse por la superficie del a"ua sin (undirse. #a tensión superficial %una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los lí$uidos&, unto a las fuerzas $ue se dan entre los lí$uidos y las superficies sólidas $ue entran en contacto con ellos, da lu"ar a la capilaridad, capilaridad, por eemplo.
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A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a $ue las fuerzas $ue afec afecta tan n a cada molécula son son dife difere rent ntes es en el inte interi rior or del del lí$ui lí$uido do y en la superficie. Así, en el seno de un lí$uido cada molécula est! sometida a fuerzas de atracción $ue en promedio se anulan. Esto permite $ue la molécula ten"a una ener"ía una ener"ía bastante bastante baa. 4in embar"o, en la superficie superficie (ay una fuerza neta (acia el interior del lí$uido. :i"urosamente, si en el exterior del lí$uido se tiene un "as, "as, existir! una mínima fuerza atractiva (acia el exterior, aun$ue en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la "ran diferencia de densidades entre el lí$uido y el "as. #a tensión superficial tiene como principal efecto la tendencia del lí$uido a dismin disminuir uir en lo posibl posible e su superfic superficie ie para para un volumen dado, volumen dado, de a$uí $ue un lí$uido lí$uido en ausencia ausencia de "ravedad adopte "ravedad adopte la forma esférica, $ue es la $ue tiene menor relación !reavolumen. Ener"é Ener"étic ticame amente nte,, las molécu moléculas las situad situadas as en la superf superfici icie e tiene tiene una una mayor mayor ener"ía promedio $ue las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistem sistema a ser! ser! a dismin disminuir uir la ener"í ener"ía a total, total, y ello ello se lo"ra lo"ra dismin disminuy uyend endo o el n8mero de moléculas situadas en la superficie, de a(í la reducción de !rea (asta el mínimo posible.
Propiedades #a tensión superficial suele representarse mediante la letra L. 4us unidades son de NmO;PNmO= %véase an!lisis dimensional&. dimensional&. Al"unas propiedades propiedades de L7 •
L Q 2, ya $ue para aumentar el estado del lí$uido en contacto (ace falta llevar m!s moléculas a la superficie, con lo cual disminuye la ener"ía del
sist sistem ema a y L es
, o la cant cantid idad ad de trab traba ao o nece necesa sari rio o para para
llevar una molécula a la superficie.
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L depende de la naturaleza de las dos fases puestas en contacto $ue, en "eneral, ser! un lí$uido y un sólido. Así, la tensión superficial ser! i"ual por eemplo para a"ua en contacto con su vapor, a"ua en contacto con un "as inerte o a"ua en contacto con un sólido, al cual podr! moar o no %véase capilaridad& capilaridad& debido a las diferencias entre las fuerzas co(esivas %dentro del lí$uido& y las ad(esivas %lí$uidoOsuperficie&.
•
L se puede interpretar como un fuerza por unidad de lon"itud %se mide en Nm NmO&. Esto Esto puede puede ilustr ilustrars arse e consid considera erando ndo un sistem sistema a bif!si bif!sico co confinado por un pistón móvil, en particular dos lí$uidos con distinta tensión superficial, como podría ser el a"ua y a"ua y el (exano. (exano . En este caso el lí$uid lí$uido o con mayor mayor tensió tensión n superf superficia iciall %a"ua& %a"ua& tender tender! ! a dismin disminuir uir su supe superf rfic icie ie a cost costa a de aume aument ntar ar la del del (exa (exano no,, de meno menorr tens tensió ión n superficial, lo cual se traduce en una fuerza neta $ue mueve el pistón desde el (exano (acia el a"ua.
•
El valor de L depende de la ma"nitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del lí$uido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de co(esión del lí$uido, mayor ser! su tensión superficial. Bodemos ilustrar este eemplo considerando tres lí$uidos7 (exano, (exano, a"ua y a"ua y mercurio mercurio.. En el caso del (exano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Ran der Saals. Saals. El a"ua, aparte de la de Ran Ran der Saals tiene interacciones de puente de (idró"eno, de mayor intensidad, y el mercurio est! sometido al enlace met!lico, met!lico, la m!s intensa de las tres. Así, la L de cada lí$uido crece del (exano al mercurio.
•
Bara un lí$uido dado, el valor de L disminuye con la temperatura, temperatura, debido al aume aument nto o de la a"it a"itac ació ión n térm térmic ica, a, lo $ue $ue redu redund nda a en una una meno menor r intensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de L tiende a cero conforme la temperatura se aproxima a la temperatura crítica @ crítica @c del comp compue uest sto. o. En este este punt punto, o, el lí$u lí$uid ido o es indi indist stin in"u "uib ible le del del vapo vaporr, form!ndose una fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos.
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Tens$"-')!"! 4e denomina tensoactividad al fenómeno por el cual una sustancia reduce la tensión superficial al disolverse en a"ua u otra solución acuosa. 4u fórmula es 2 Pi*D*Y = F donde7
OD ; Di!metro. OT ; @ensión 4uperficial OF ; Fuerza Capilaridad #a capilaridad es la cualidad $ue posee una sustancia para absorber un lí$uido. 4ucede 4ucede cuand cuando o las fuerzas intermoleculares ad(esi ad(esivas vas entre entre el lí$uido y el sólido son sólido son mayores $ue las fuerzas intermoleculares co(esivas del lí$uido. Esto causa $ue el menisco ten"a una forma curva cuando el lí$uido est! en contacto con una superfic superficie ie vertical vertical.. En el caso caso del tubo tubo del"ado, éste succiona un lí$uido incluso en contra de la fuerza de "ravedad. "ravedad. Este es el mismo efecto $ue causa $ue los materiales porosos absorban lí$uidos.
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Materiales: •
@res obetos cuyas densidades se desean (allar
•
6n vaso "rande
•
6n recipiente
•
6na pipeta "raduada
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•
6na balanza con inetillos
•
6n anillo
•
6n dispositivo formado por dos tubitos don (ilo y un soporte
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Hoja de datos:
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Cálculos y resultados: Densidad . Determine la densidad de cada una de las dos muestras met!licas. Bara la determinación de la densidad de estas muestras se usaron I inetillos, cuyas masas fueron7
=2.I"
=2.3"
2"
2"
.="
A partir de estas y si"uiendo los pasos correspondientes se obtuvieron las masas y vol8menes vol8menes de las muestras, tal como si"ue7
Muestra 7 Uronce
#a masa %tanto a$uí como en las dem!s muestras& se obtuvo a través de un balance de momentos7
El volumen fue (allado también por medio de un balance de momentos, momentos, en el $ue actuaba el empue7
Muestra =7 Blomo
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=. Determínese la densidad de un cuerpo de menor densidad $ue la del a"ua. Bara ello unir el cuerpo cuerpo con cada cada una de las muestras muestras anteriores cuyo cuyo peso y densidad ya son conocidas.
En este caso caso se unió la muestra muestra = a la muestra muestra 3 %de menor densidad densidad $ue $ue el a"ua&.
Muestra 37 Uolita de tecnopor7
@ensión superficial7
De la primera experiencia sobre tensión superficial se pudieron obtener los si"uientes datos7
D;I2mm D=;IH.Imm
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" A partir partir de los cuales, se obtuvo obtuvo la si"uiente fuerza de tensión superficial7 superficial7
Adem!s7
De la se"unda experiencia se obtuvieron los si"uientes datos7
bs.7 >4e midió la masa total del sistema %tubito mas (ilo&, para los c!lculos sólo es necesario la masa de un tubito %el inferior&, la cual tomaremos tomaremos %sin pérdida de muc(a exactitud& como
.
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>#as medidas est!n en milímetros. 4abemos 4abemos $ue la expresión expresión $ue define el coeficient coeficiente e de tensión superficial superficial esta dado por7
:eemplazando nuestros datos obtenemos7
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Conclusiones:
En un obeto compuesto por dos materiales %y solo dos& es posible (allar
los pesos %individuales& de cada componente conociendo las densidades de cada uno y la masa total. )uando )uando un cuerpo cuerpo no est! del todo sumer" sumer"ido ido act8a act8an n sobre sobre él
las
fuerzas de tensión superficial y empue, aun$ue en los en la resolución de problemas normalmente se toma solo el empue. El coef coefic icie ient nte e de tens tensió ión n supe superf rfic icia iall del del a"ua a"ua %pur %pura& a& es mayo mayorr al coeficiente de tensión superficial del a"ua abonosa %por lo cual se lava meor una prenda en a"ua abonosa $ue solamente en a"ua&.
Observaciones:
#a dens densid idad ad medi media a %cal %calcu cula lada da en la expe experi rien enci cia& a& es una una buen buena a
aproximación de la densidad puntual de la muestra. #a densidad varia con la variación de la temperatura %por la dilatación& ,así como también con la variación de presión%al aumentar la presión también aumenta la co(esión entre las moléculas y por ende disminuye el volumen&. Es a caus causa a de la tens tensió ión n supe uperfic rficia iall $ue al"un l"unos os mate materi ria ales les %normalmente los de forma lineal& m!s densos $ue el a"ua flotan sobre ella.
iblio!raf"a: o
VVV.Vi-ipedia.comtensionOsuperficial VVV.Vi-ipedia.comtension Osuperficial
o
VVV.mono"rafias.comdensidad
o
Manual de laboratorio de física
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