TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN Rúbrica de Calificación Resultado:
3
Criterio de desempeño:
Conducen pruebas, analizan e interpretan los resultados, para evaluar y mejorar las diferentes etapas de los procesos productivos.
3.1:
Realiza pruebas en equipos y sistemas de diversa tecnología utilizando utilizando procedimientos, normas y estándares.
3.2:
Analiza respuestas respuestas de equipos y sistemas, utilizando utilizando los resultados resultados para la mejora del del proceso productivo. TRANSFERENCIA DE MASA Y ENERGÍA
Curso:
Ciclo:
LABORATORIO Nº 1: PROPIEDADES DE LOS LÍQUIDOS
Actividad: Nombre y apellido del alumno:
PAREDES CASTILLO KEREN DAMARIS
Observaciones
CRITERIOS A EVALUACIÓN
“C”
Sección: Periodo:
2017 - II
Excelente
Bueno
Semana: Docente:
2
1
0
Determina el cambio en las propiedades de los líquidos en función a la temperatura y concentraciones.
3
2
1
0
Culminó la tarea en el tiempo previsto
1
0
0
Demostró conocimiento acerca de los temas tratados (prueba escrita / oral, intervenciones)
4
2
0
Presenta informe (redacción, ortografía, formato)
2
1
0
Presenta análisis crítico (datos, esquemas, observaciones, conclusiones)
3
1
0
Aplica procedimientos procedimientos seguros.
2
1,5
1
0
Trabaja en equipo (orden, colaboración)
2
1,5
1
0
1,5 2
Ing. Luis Zavaleta García
Requiere No Mejora aceptable
3
3
1
Fecha:
Determina las propiedades de los líquidos de las soluciones dadas.
0,5
III
Puntaje Total
Comentarios al alumno: (De llenado obligatorio)
Descripción Excelente
Completo entendimiento del problema, realiza la actividad cumpliendo todos los requerimientos.
Bueno
Entendimiento del problema, realiza la actividad cumpliendo la mayoría de requerimientos.
Requiere mejora
Bajo entendimiento del problema, realiza la actividad cumpliendo pocos de los requerimientos. requerimientos.
No Aceptable
No demuestra entendimiento del problema o de la actividad.
Puntaje Logrado
: TECNOLOGÍA DE LA PRODUCCIÓN
: III
: “C”
: ZAVALETA GUSTAVO LUIS
: LABORATORIO TRANSFERENCIA DE MASA Y ENEGÍA
: PAREDES CASTILLO KEREN DAMARIS
: 11 / 09 / 2017
2017 - II
OBJETIVOS
Definir e identificar la importancia de las propiedades: densidad, viscosidad e índice de refracción en soluciones acuosas. Determinar la densidad (δ), la viscosidad (η) y la tensión superficial (θ) de líquidos puros y de soluciones. Estudiar la variaci ón en las propiedades de los líquidos con el cambio de la temperatura y luego con la variación de la concentración en el caso de las soluciones. Determinar experimentalmente la relación de la densidad, la viscosidad e índice de refracción con la concentración de algunas soluciones. Demostrar qué factores pueden modificar dichas propiedades. Relacionar cuál es la importancia de estas propiedades en la industria, indicando ejemplos de aplicación.
FUNDAMENTO TEÓRICO Según el módulo de Transferencia de Masa y Energía, establece que hay que tener en cuenta unos conocimientos previos de algunas de las Propiedades de los Líquidos.
Densidad (δ): Una de las características más importantes del líquido es la densidad. La densidad del líquido se conoce como la masa de una unidad de volumen de líquido. Usualmente la densidad de los líquidos se expresa en gramos por mililitro. En el Sistema Internacional de unidades (SI) la densidad se convierte a kilogramos por metro cúbico. También se usa la denominación GRAVEDAD ESPECÍFICA. Esta es una relación entre la densidad absoluta y la densidad del agua pura a 3.98 oC (temperatura de su máxima densidad). Se acostumbra a indicarla por gr. esp. t 4. Las densidades de los líquidos se pueden determinar o midiendo el peso de un volumen conocido de un líquido (método del picnómetro), o por los métodos de pérdida de peso (de flotación) basados en el principio de Arquímedes. El densímetro es un instrumento de material de vidrio en forma de ampolla con la parte inferior conteniendo un lastre y la parte superior un tubo largo cerrado y graduado. Para usarlo se le introduce suavemente en el recinto del líquido de densidad a medir y se le deja flotar. Este recipiente debe ser lo suficientemente profundo. Las unidades del densímetro son los grados Beaume (se lee Bomé), oBe. La densidad de un líquido depende de la temperatura. Esta dependencia se expresa mediante la ecuación: δ = δ o (1- t) Donde δ es la densidad del líquido a la temperatura t; δo es la densidad del líquido a 0 oC; es el coeficiente de dilatación cúbica. El coeficiente de dilatación cúbica del agua en el intervalo de temperaturas de 273 a 310 K es igual a 2.07 x 10 -4 K-1. El coeficiente de dilatación cúbica de la mayoría de los líquidos orgánicos es de 2 a 5 veces mayor que el del agua. Por consiguiente, si el error admisible de medición de la densidad no exagera + 0,001 g /cm 3, es necesario
mantener la constancia de la temperatura en los límites de 1 oC. La densidad de las soluciones es función de la concentración. Si los componentes se mezclan sin variación del volumen a todas las concentraciones, la dependencia de la densidad con respecto a la concentración es lineal. Viscosidad (η):
Cuando un líquido fluye, las moléculas se deslizan y pasan unas sobre otras. La extensión por la cual las atracciones moleculares resisten este movimiento resulta en la viscosidad del líquido, su resistencia a fluir. La viscosidad de los líquidos disminuye con el calentamiento. Por ejemplo, en el agua las moléculas se mueven más rápido a más altas temperaturas, pueden sobrepasar más fácilmente las fuerzas intermoleculares y así su resistencia a fluir disminuye. Las unidades de viscosidad son Newton-segundo por metro cuadrado.
Tabla 01: Viscosidad (η) del agua a diferentes temperaturas:
Temperatura (oC )
Viscosidad (N·s/m2)
20
1,00 x 10-3
40
0,65 x 10-3
60
0,47 x 10-3
80
0,35 x 10-3
Fuente: Módulo de Transferencia de Masa y Energía, TECSUP.
La viscosidad o más precisamente el coeficiente de actividad, mide la resistencia que una capa de fluido (líquido o gas) ofrece al desplazamiento de una capa contigua del mismo fluido. La viscosidad de un líquido puede ser determinada midiendo su velocidad de flujo a través de un tubo capilar, que es un tubo circular estrecho donde el flujo es laminar. Para un líquido que fluye a través de un tubo capilar de dimensiones “r” (radio del capilar) y “L” (longitud del tubo) en un tiempo “t” bajo una presión constante “P”, el volumen “V” que pasa por el tubo lo expresa la llamada fórmula de Poiseuille: V
r 4 Pt 8 L
La viscosidad que se determinará será relativa o sea con respecto a la viscosidad de otro líquido de referencia (agua) a temperatura fija, por lo que se requiere un baño de temperatura constante. Uno de los métodos para medir el coeficiente de viscosidad de líquidos es el método del “viscosímetro de Ostwald”.
El viscosímetro de Ostwald es de material de vidrio, consta por lo general de dos bulbos (superior e inferior) y un capilar. El bulbo superior tiene dos marcas por límite y son las que se tendrán presentes para medir el tiempo que fluye el líquido en pasar entre ellas.
Imagen 01: Viscosímetro de Ostwald Fuente: Módulo de Transferencia de Masa y Energía
Si se conocen la longitud y el radio del capilar, se puede calcular la viscosidad absoluta, pero es de rutina calcular la viscosidad relativa de una sustancia con respecto al agua a 25 oC (u otra temperatura). Para determinar la viscosidad relativa de un líquido a una cierta temperatura, se debe medir el tiempo de flujo de un volumen dado de líquido y el tiempo que tarda en fluir el mismo volumen de agua, a igual temperatura en el mismo viscosímetro. De esta manera se mantiene constante la presión, el radio y la longitud del capilar, y por tanto la ecuación (1) puede simplificarse: η1
δ1
t1
—— = ——— η2
δ2
t2
Donde δ 1 y δ 2 son las densidades de los líquidos y
t 1 y t 2 los tiempos de flujo. Nótese que deberá conocer la viscosidad del líquido de referencia. Tensión superficial (γ):
Una molécula en el seno del líquido es atraída por sus vecinas uniformemente y durante un intervalo no experimenta una fuerza desequilibrada en dirección particular alguna. Una molécula en la capa superficial de un líquido es atraída por sus vecinas, pero como solo tiene vecinas debajo de ella, es atraída hacia el seno del líquido. Como las moléculas de la superficie están unidas a las moléculas laterales, no tienen una energía tan baja como las que se encuentran en el interior. Para desplazar una molécula del interior del líquido a la superficie se necesita energía adicional. Como la presencia de otra molécula en la superficie aumenta el área de la superficie, se concluye que debe suministrarse energía para aumentar el área de la superficie líquida. La energía requerida para aumentar el área de superficie en una unidad (en el SI las unidades son J/m 2) se denomina tensión superficial del líquido, también podemos decir que es una fuerza que se opone al aumento del área del líquido.
Tabla 02: Tensión Superficial (γ) de algunos líquidos a 20 oC: Tensión Superficial (J/m2): 7,3 x 10-2
Compuesto Agua
2,3 x 10-2
Etanol
2,5 x 10-2
Butanol
48 x 10-2
Mercurio
Fuente: Módulo de Transferencia de Masa y Energía, TECSUP.
En general, las fuerzas de mayor magnitud entre las partículas de un líquido, aumentan la tensión superficial. El agua tiene alta tensión superficial por los múltiples enlaces de puente de hidrógeno de su molécula. Los surfactantes son agentes que activan la superficie también llamados tensoactivos como los jabones, detergentes, agentes recuperadores de petróleo y emulsificantes biológicos de grasas, disminuyen la tensión superficial del agua al congregarse en la superficie y romper los enlaces por puente de hidrógeno. Si un tubo abierto con un diámetro interior muy pequeño (tubo capilar) se sumerge parcialmente en un líquido, el líquido asciende hacia el tubo en contra de la gravedad y permanece a niveles diferentes fuera y dentro del tubo; este fenómeno llamado capilaridad es una consecuencia del hecho de que la interfase entre el líquido y vapor es curva en el interior del tubo y plana en el exterior. Un líquido se mantiene arriba del capilar por la acción de la tensión superficial que es una fuerza ascendente igual a: Fa
= 2 r cos θ
La fuerza descendente debido a la gravedad que actúa sobre la columna líquida es: 2
Fd = r
h δg
Donde h es la altura del líquido de densidad δ en el capilar de radio r. Si θ < 900, el menisco del líquido es cóncavo y h es positiva. Si θ > 900 el menisco es convexo y tanto cos θ como h son negativos. Cuando se alcanza el equilibrio las fuerzas ascendentes y descendentes son iguales: r h δ g (γ) =
2cos θ
Para líquidos que mojan las paredes del capilar de vidrio, el ángulo de contacto se puede tomar como igual a cero y entonces, cos θ = 1 y así la ecuación queda:
(γ) = ½ r h δ g
MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS Materiales y Equipos
Densímetro
01 Viscosímetro
01 Tubos capilares
01 vaso de 50 mL
01 vaso de 250 mL
01 piseta de 500 mL
Reactivos y Soluciones
Acetona
Etanol
NaCl 1M, 0,1M, 0,05 M
Sulfato de cobre 1M, 0,1M, 0,05M
PROCEDIMIENTO DE DATOS Experimento N° 1: Determinación de la densidad utilizando el densímetro. 1. 2. 3.
Llenar una probeta de 500 mL limpia y seca, con el líquido problema hasta 2 cm del borde superior. Introducir suavemente el densímetro dejándolo flotar. Observar el punto inferior del menisco de la superficie del líquido y la escala del densímetro. Esta coincidencia indica la densidad buscada.
Experimento N° 2: Relación entre la densidad y la concentración de una solución. 1. 2. 3. 4. 5.
Disponer de cinco soluciones acuosas de NaCl de diferentes concentraciones. Medir la densidad de cada una de las soluciones. Enjuagar la probeta con unos mililitros de la nueva concentración y bote el agua de enjuague. Llenar la probeta con la solución a medir y determinar su densidad. Proceder de la misma forma con cada solución y observar si hay variación en la densidad del NaCl con la concentración.
Experimento N° 3: Determinación del coeficiente de viscosidad de un líquido problema. 1.
Lavar el viscosímetro utilizando detergente. Posterior al lavado enjuague cinco veces con agua destilada.
2. 3.
Usando una pipeta, llenar el bulbo inferior hasta dos tercios de su volumen. Considerar que la medición que está realizando tiene la temperatura ambiente. Anotar la temperatura. Con una bombilla de jebe succionar el líquido por el tubo del extremo del bulbo superior. Retirar la bombilla y el tiempo que demora en pasar el líquido entre las marcas del bulbo superior. Hacerlo tres veces para el agua destilada y luego realizar todas las indicaciones anteriores empleando las sustancias problema.
4. 5.
Experimento N° 4: Determinación de la tensión superficial de un líquido. 1.
Lavar cuidadosamente el capilar con agua destilada y luego con acetona. Colocarlo en una estufa a 100 °C hasta que seque. Hacer una escala en papel milimetrado indicando centímetros. Introducir la escala en un delgado tubo de vidrio sellado por un extremo. Atar un capilar, la escala y un termómetro y con este sistema realizar mediciones de altura introduciendo en una muestra de agua destilada. La
2. 3.
superficie del líquido debe coincidir con el cero de la escala. La altura “h”
se medirá desde la superficie hasta donde haya ascendido el líquido. Se debe considerar la temperatura de trabajo. Repetir la medida cuatro veces; para desocupar el capilar, soplar con una bombilla. Realizar mediciones de otros líquidos y haga sus cálculos con respecto al agua destilada.
4. 5.
CÁLCULOS Experimento N° 1: -
Densidad del agua = 0.995
-
Temperatura del agua =23.6 °C
Experimento N° 2: ¿Cuántos gramos de cloruro de sodio se necesita para preparar una solución
-
en 300 ml de agua en 1.5 de concentración molar? =
=
-
()
()
= 1.5 =
= 0.45 =
.
= = 0.45
() .
= 23 + 35.5 = 58.5
= 26.325 de cloruro de sodio.
Densidad: 1.056g/ml.
Experimento N° 3:
-
.
=
.
=
ó
Tabla n° 1: Resultados del tiempo del experimento 3. AGUA Tiempo 1 = 9.44s Tiempo 2 = 9.50s Tiempo 3 = 9.16s Promedio= 9.37s
SOLUCIÓN Tiempo 1= 9.66s Tiempo 2 = 9.24s Tiempo 3 = 9.14s Promedio= 9.35s
Fuente: Propia
-
Tiempo n° 1 del agua = 9.37s Tiempo para la solución = 9.35s
INTERPOLAR: n1= N/m2 1.102 x 10-3 x 0.890 x 10-3
T1 °C 20 23.6 25 23.6 20 2520
=
1.102 10− (0.89 1.102)10−
= 0.9494 10− / .
Reemplazar en fórmula:
=
.
. .
.
. .
= 1.075 10− / .
Experimento N° 4: 7 = = 3.5 = 3.5 10− h
δ = 0.095
ml
x 100 = 95kg/
= ..ℎ.δ.g
..
r= m h= 3mm= 3x10-3 δH2O= kg/m3
g= 10/m/s2
=
=
=
= 1/2(35 10− )(3 10− )(95)(10) = 0.04988 /
Cuestionario: 1. ¿A qué temperatura la densidad del agua es 1.0 g/ml?
Su temperatura de densidad es a 4 °C. 2. ¿Cómo y por qué varía la densidad del agua a la temperatura entre 0 – 40 °C, a la presión atmosférica?
Porque de 0 a 40 sigue en estado líquido en cambio a menos de 0 su densidad es mayor ya que se convierte en sólido y se mantiene. A más de 40 se convierte en gaseoso. 3. ¿Cuál es el porcentaje en masa de la solución entregada?
El porcentaje de masa entregada de la solución fue 26,325 g %. 4. Explique cómo varía la viscosidad de un reactivo líquido utilizado en plantas concentradoras ubicadas en la costa y en la sierra en épocas de invierno.
La viscosidad depende de la temperatura y varía si en esta se incrementa o disminuye. La temperatura en la Sierra es baja en comparación a la costa, por lo tanto, en la sierra la viscosidad de un líquido es mayor a la viscosidad del líquido en la Costa. 5. ¿Por qué debe emplearse siempre el mismo volumen de líquido al hacer medidas de diferentes líquidos? Porque la medida de viscosidad (η) depende de otros parámetros como la
presión y el tiempo, y al realizar mediciones en diferentes volúmenes se obtendrá diferentes valores de tiempo por efecto a la viscosidad. 6. ¿Qué otro método para medir la viscosidad conoce?
Existen diversos métodos para medir la viscosidad tales como con el viscosímetro de tubo capilar, Viscosímetro Couette o Hatshek, Viscómetros estándar calibrados capilares de vidrio, Viscómetro de caída de bola, etc. 7. Explique brevemente la ley de Stokes.
La ley de Stokes se refiere a la fuerza de fricción experimentada por objetos esféricos moviéndose en el seno de un fluido viscoso en un régimen laminar de bajos números de Reynolds.
8. Indicar las fuentes de error que a su criterio puedan cometerse en éste experimento.
% =
0.0721 0.051193 0.0721
∗ 100
%e = 29%
9. ¿Cuál es relación entre la temperatura y la viscosidad de los gases?
La relación que tienen ambas es que La viscosidad disminuye muy rápidamente a medida que se incrementa la temperatura (en líquidos). 10. Las densidades de la acetona y del agua a 20 °C son 0.792 y 0.998 gr/ml. Respectivamente. La viscosidad del agua es 1,002 centipoises. Si el agua requiere 120 segundos para pasar entre las marcas de un viscosímetro de Ostwald, y la acetona 49 segundos. Calcular la viscosidad de la acetona a 20° C.
P1=0.998g/mL P2=0.792g/Ml t1=120s t2=49s n1=1.002 n2=? 1 centipoises=1.002centipoises=x X=1.002 x 10-3 N s2
=
1.00210− = 0.324810−
P1 t1 . 2 2
=
0.98120 0.79249
.
RESULTADOS Tabla N° 01: Resultado de la densidad del experimento 1 a T=23.6 °C.
[M]
g/ml
0.05
0.996
0.1
0.998
1.0
1.040
1.5
1.056
Fuente: Propia
Tabla N° 02: Resultado de la densidad del experimento 2.
[M]
g/ml
T1s
N1 N/m2.s
0.05
0.996
5.12
0.9693x10-3
0.1
0.998
12.06
1.004x10-3
1.0
1.040
11.47
1.0386x10-3
1.5
1.056
10.00
1.0754x10-3
Fuente: Propia
ANÁLISIS DE RESULTADO De acuerdo con la tabla n° 1, nos dice que a mayor concentración la densidad aumenta. En la tabla n° 2dice que a mayor concentración la viscosidad aumenta.
CONCLUSIONES
Se definió e identifico la importancia de las propiedades: densidad, viscosidad e índice de refracción en soluciones acuosas. Se determino la densidad (δ), la viscosidad (η) y la tensión superficial (θ) de líquidos puros y de soluciones. Se estudio la variación en las propiedades de los líquidos con el cambio de la temperatura y luego con la variación de la concentración en el caso de las soluciones. Se determino experimentalmente la relación de la densidad, la viscosidad e índice de refracción con la concentración de algunas soluciones. Demostrar qué factores pueden modificar dichas propiedades. Se relaciono cuál es la importancia de estas propiedades en la industria, indicando ejemplos de aplicación.
RECOMENDACIONES
Se sugiere tomar los datos correctos del tiempo.
Se recomienda seguir las indicaciones dadas por el docente para no cometer errores.
Se sugiere mantener el área de trabajo ordenada, sin libros, abrigos, bolsas, exceso de productos químicos y cosas innecesarias o inútiles.
Se recomienda limpiar siempre perfectamente el material y aparatos después de su uso.
Se recomienda mantener el orden para evitar accidentes
Se sugiere trabajar con cuidado con materiales de vidrio que frágiles y fácil de romper.
BIBLIOGRAFIA
Tecsup, [2017: 07 de Septiembre]. Módulo de Transferencia de Masa y Energía Recuperado de https://drive.google.com/drive/folders/0B1MqVML99Cz8ZjY4RFlGUVJDMlE
