Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Mecánica
Física II 4to Informe de Laboratorio Densidad y Tensión Superficial
Integrantes: Apellidos y Nombres: Lucana Domínguez Miguel Código: 20170397C Apellidos y Nombres : Obregón Castillejo Farid Jorge Código: 20172027I
Profesor: Apellidos y nombres: Pachas Salhuana José Teodoro
2017
Prólogo Se considera fluidos a todo cuerpo que carece de elasticidad y adopta la forma del recipiente que lo contiene. Los fluidos pueden ser líquidos o gases, según la diferente intensidad que existen entre las moléculas que lo componen. La hidrostática es la parte de la hidrología que estudia el comportamiento de los fluidos en condiciones de equilibrio. Las moléculas que integran las diferentes sustancias se atraen entre sí mediante diferentes fuerzas de diversa intensidad en sus componentes. En determinadas condiciones de presión y temperatura, dichas fuerzas evitan que las moléculas vibren en posiciones distintas a las de equilibrio, generando en ese caso sustanciasen estado sólido. Al aumentar progresivamente las magnitudes de temperatura y presión, la energía de vibración molecular se incrementa, dando lugar a que las partículas abandonen las posicione fijas y se produzca la transición a los estados líquidos y gaseosos. En los líquidos, las fuerzas intermoleculares permiten que las partículas se muevan libremente, aunque mantienen enlaces latentes que hacen que las sustancias, en este estado, presenten volumen constante.
Objetivos Densidad
Determinar la densidad media de algunos cuerpos mediante la aplicación del Principio de Arquímedes.
Tensión Superficial
Calcular el coeficiente de tensión superficial de un líquido.
REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA MATERIALES UTILIZADOS EN DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD
Objetos cuya densidad se desea hallar
Vaso grande
Pipeta
Jinetillos
Fundamento teórico La Densidad Aunque toda la materia posee masa y volumen, la misma masa de sustancias diferentes tienen ocupan distintos volúmenes, así notamos que el hierro o el hormigón son pesados, mientras que la misma cantidad de goma de borrar o plástico son ligeras. La propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez de una sustancia recibe el nombre de densidad. Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, más pesado nos parecerá.
La densidad se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Así, como en el S.I. la masa se mide en kilogramos (kg) y el volumen en metros cúbicos (m3) la densidad se medirá en kilogramos por metro cúbico (kg/m3). Esta unidad de medida, sin embargo, es muy poco usada, ya que es demasiado pequeña. Para el agua, por ejemplo, como un kilogramo ocupa un volumen de un litro, es decir, de 0,001 m3, la densidad será de: La mayoría de las sustancias tienen densidades similares a las del agua por lo que, de usar esta unidad, se estarían usando siempre números muy grandes. Para evitarlo, se suele emplear otra unidad de medida el gramo por centímetro cúbico (gr./c.c.), de esta forma la densidad del agua será: Las medidas de la densidad quedan, en su mayor parte, ahora mucho más pequeñas y fáciles de usar. Además, para pasar de una unidad a otra basta con multiplicar o dividir por mil.
S us tancia
Densidad en Densidad en g/c.c. kg/m3
Agua
1000
1
Aceite
920
0,92
Gasolina
680
0,68
Madera
900
0,9
Aire
1,3
0,0013
Butano
2,6
0,026
1,8
0,018
Dióxido carbono
de
La densidad de un cuerpo está relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotará sobre otra si su densidad es menor. Por eso la madera flota sobre el agua y el plomo se hunde en ella, porque el plomo posee mayor densidad que el agua mientras que la densidad de la madera es menor, pero ambas sustancias se hundirán en la gasolina, de densidad más baja. Densidad: La densidad es una característica de cada sustancia. Nos vamos a referir a líquidos y sólidos homogéneos. Su densidad, prácticamente, no cambia con la presión y la temperatura; mientras que los gases son muy sensibles a las variaciones de estas magnitudes.
PUNTOS DE FUSIÓN Y EBULLICIÓN
Calor y Temperatura: En el lenguaje cotidiano solemos confundir los términos calor y temperatura. Así, cuando hablamos del calor que hace en el verano o lo mal que saben los refrescos calientes, realmente nos referimos a la temperatura, a la mayor o menor temperatura del aire o los refrescos. La temperatura es una magnitud física que nos permite definir el estado de una sustancia, lo mismo que cuando decimos que un coche circula a 90 km/h o que una casa tiene 5 m de alto. Cuando se ponen en contacto dos sustancias a distinta temperatura, evolucionan de forma que el cuerpo a mayor temperatura la disminuye y el que tenía menor temperatura la aumenta hasta que al final los dos tienen la misma temperatura, igual que al echar un cubito de hielo a un refresco, que el refresco se enfría y el cubito de hielo se calienta y termina convirtiéndose en agua. Decimos que la sustancia a mayor temperatura ha cedido calor a la sustancia que tenía menor temperatura. Sin embargo, el calor no es algo que esté almacenado en el cuerpo más caliente y que pasa al cuerpo más frío. Tanto uno como otro poseen energía, que depende de la masa del cuerpo, de su temperatura, de su ubicación, etc. y recibe el nombre de energía interna. Cuando esta energía interna pasa de una sustancia a otra a causa de la diferencia de temperatura entre ellas la llamamos calor. Una catarata es agua que pasa de un sitio a otro porque están a distinta altura, de forma similar el calor es la energía que pasa de un cuerpo a otro porque están a distinta temperatura. Punto de ebullición:
Si ponemos al fuego un recipiente con agua, como el fuego está a mayor temperatura que el agua, le cede calor y la temperatura del agua va aumentando, lo que podemos comprobar si ponemos un termómetro en el agua. Cuando el agua llega a 100 ºC, empieza a hervir, convirtiéndose en vapor de agua, y deja de aumentar su temperatura, pese a que el fuego sigue suministrándole calor: al pasar de agua a vapor de agua todo el calor se usa en cambiar de líquido a gas, sin variar la temperatura. La temperatura a la que una sustancia cambia de líquido a gas se llama punto de ebullición y es una propiedad característica de cada sustancia, así, el punto de ebullición del agua es de 100 ºC, el del alcohol de 78 ºC y el hierro hierve a 2750 ºC. Punto de fusión: Si sacas unos cubitos de hielo del congelador y los colocas en un vaso con un termómetro verás que toman calor del aire de la cocina y aumentan su temperatura. En un principio su temperatura estará cercana a -20 ºC (depende del tipo de congelador) y ascenderá rápidamente hasta 0 ºC, se empezará a formar agua líquida y la temperatura que permanecerá constante hasta que todo el hielo desaparezca. Igual que en el punto de ebullición, se produce un cambio de estado, el agua pasa del estado sólido (hielo) al estado líquido (agua) y todo el calor se invierte en ese cambio de estado, no variando la temperatura, que recibe el nombre de punto de fusión. SE trata de una temperatura característica de cada sustancia: el punto de fusión del agua es de 0 ºC, el alcohol funde a -117 ºC y el hierro a 1539 ºC
Sustancia Punto de fusión (ºC) Punto de ebullición (ºC) Agua
0
100
Alcohol
-117
78
Hierro
1539
2750
Cobre
1083
2600
Aluminio
660
2400
Plomo
328
1750
Mercurio
-39
357
Tensión Superficial
Se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.1 Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris), desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido. Otra posible definición de tensión superficial: es la fuerza que actúa tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie. La tensión superficial suele representarse mediante la letra . Sus unidades son de N·m 1 =J·m-2 (véase análisis dimensional). Algunas propiedades de :
> 0, ya que para aumentar el estado del líquido en contacto hace falta llevar más moléculas a la superficie, con lo cual disminuye la energía del sistema y es
o la cantidad de trabajo necesario para llevar una molécula a la superficie. Depende de la naturaleza de las dos fases puestas en contacto que, en general, será un líquido y un sólido. Así, la tensión superficial será igual por ejemplo para agua en contacto con su vapor, agua en contacto con un gas inerte o agua en contacto con un sólido, al cual podrá mojar o no (véase capilaridad) debido a las diferencias entre las fuerzas cohesivas (dentro del líquido) y las adhesivas (líquido-superficie). Se puede interpretar como un fuerza por unidad de longitud (se mide en N·m -1). Esto puede ilustrarse considerando un sistema bifásico confinado por un pistón móvil, en particular dos líquidos con distinta tensión superficial, como podría ser el agua y el hexano. En este caso el líquido con mayor tensión superficial (agua) tenderá a disminuir
su superficie a costa de aumentar la del hexano, de menor tensión superficial, lo cual se traduce en una fuerza neta que mueve el pistón desde el hexano hacia el agua. El valor de depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del líquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesión del líquido, mayor será su tensión superficial. Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres líquidos: hexano, agua y mercurio. En el caso del hexano, las fuerzas intermoleculares son de tipo fuerzas de Van der Waals. El agua, aparte de la de Van der Waals tiene interacciones de puente de hidrógeno, de mayor intensidad, y el mercurio está sometido al enlace metálico, la más intensa de las tres. Así, la de cada líquido crece del hexano al mercurio. Para un líquido dado, el valor de disminuye con la temperatura, debido al aumento de la agitación térmica, lo que redunda en una menor intensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de tiende a cero conforme la temperatura se aproxima a la temperatura crítica Tc del compuesto. En este punto, el líquido es indistinguible del vapor, formándose una fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos .... Tabla de tensiones superficiales de líquidos a 25 °C Material
Tensión Superficial / (10-3 N/m)
Acetona
23,70
Benceno
28,85
Tetracloruro de Carbono 26,95 Acetato de etilo
23,9
Alcohol etílico
22,75
Éter etílico
17,01
Hexano
18,43
Metanol
22,61
Tolueno
28,5
Procedimiento Densidad Superficial 1. Con el objeto Q suspendido del brazo mayor de la balanza, equilibrar a Q mediante el contrapeso “C”. Luego retirar el objeto, pero sin tocar el contrapeso y
restablecer el equilibrio de la balanza mediante la colocación adecuada de los jinetillos y tomar nota de la posición de los jinetillos. 2. Equilibrar la balanza con el peso Q utilizando solamente el contrapeso C. Colocar bajo Q un recipiente con agua para sumergir totalmente y mediante los jinetillos restablecer el equilibrio. Tomar nota de las nuevas posiciones de los jinetillos.
Tensión superficial a) Primer Método 1. Como se indica en la figura, suspenda en la balanza el anillo y el vasito de plástico estableciendo el equilibrio con el compensador o contrapeso C 2. Llene agua en el caso de vidrio y con ayuda de la pipeta gradúe el nivel del líquido de modo que estando el anillo en la superficie del agua, se restablezca el equilibrio pero sin tocar el compensador. 3. Vacíe arena suavemente en la vasija de plástico hasta que justamente se desprenda el anillo del líquido. 4. Retire el agua y con ayuda de los jinetillos restablezca el equilibrio para calcular la fuerza necesaria para vencer la tensión superficial.
5. Repita dos veces más los pasos anteriores .
MATERIALES UTILIZADOS EN DETERMINACIÓN DE LA TENSIÓN SUPERFICIAL
Balanza Mohor Westphal y recipiente con agua
Un anillo
Vaso de plástico
Dos tubos con hilo y un soporte
PROCESO DE LA TOMA DE DATOS: DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE UN CUERPO DETERMINACIÓN DE LA MASA DE UN CUERPO:
Comenzaremos equilibrando el brazo de la balanza utilizando el disco que se encuentra en el extremo opuesto a la masa suspendida, esto lo haremos ajustando este disco mediante rotaciones para hacer variar su posición, hasta que el brazo quede horizontal.
EQUILIBRANDO EL BRAZO DE LA BALANZA
Seguidamente retiraremos el cuerpo suspendido (el brazo perderá el equilibrio), y restableceremos el equilibrio mediante jinetillos que serán colocados en el brazo.
Jinetillos equilibrando el brazo (se usaron 3)
DETERMINACIÓN DEL EMPUJE:
Nuevamente equilibraremos la balanza siguiendo los pasos anteriormente dichos.
Colocaremos el vaso grande lleno de agua debajo del cuerpo que se encuentra colgado en el extremo del vaso, de tal manera que este se encuentre totalmente sumergido (se observara que el brazo se inclina ligeramente hacia arriba), y con los jinetillos haremos que el brazo vuelva a su posición inicial.
Cuerpo sumergido
brazo equilibrado por los jinetillos
DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE DE TENSIÓN SUPERFICIAL MÉTODO 1:
Armaremos un sistema que conste de una balanza (del tipo mohor whestphal) con un balde colgado en unos de sus extremos y un anillo en el otro (este debe estar paralelo a la base de la balanza).
Colocaremos un vaso grande lleno de agua debajo del anillo.
Sistema para el método 1
Si el anillo no está en contacto con el agua se introduce volumen de agua con la ayuda de la pipeta hasta que el anillo ingrese ligeramente al agua.
Nivel del anillo
Nivel del agua
Seguidamente colocaremos poco a poco gotas de agua en el balde hasta que el anillo deje de tener contacto con el agua.
Se introduce gotas de agua en el balde para que el anillo deje de tener contacto con el agua
Luego retiraremos el agua y el anillo, y volvemos a equilibrar la balanza con los jinetillos.
La balanza se equilibra con 3 jinetillos
MÉTODO 2:
Sumergimos el dispositivo formado por los tubitos y el hilo en una mezcla jabonosa.
Posteriormente colgaremos el tubo ya sumergido y mediremos la distancia entre los tubitos, la separación mínima entre los hilos y la longitud de un hilo.
Sistema a formar (los tubitos deben estar paralelos)
CÁLCULOS Y RESULTADOS 1. Determine la densidad de cada una de las dos muestras metálicas us ando los pas os ( 1) y (2).
Primero hallamos las masas de cada muestra:
× 3 + × 8 10
=
= 20.17g
=
× 8 + × 6 10
= 21.68g
=
× 1 + × 7 10
= 1.78 g Luego hallamos los empujes en cada muestra al ser sumergida en agua:
= × × 1 + × × 2 = 0.2346 N = × × 1 + × × 2 = 0.2217 N
+ = × × 1 + × × 3 + × × 5 + × × 6 = 1.5794 N
Dividiendo las fórmulas de empuje entre las masas:
× = = 843.426 ⁄ × = = 959.318 ⁄ × = = 11.056 ⁄ 2. C alcular el coefici ente de tens ión s uperfici al del ag ua
Primer Método: Agua Potable:
=
=
( 2 + 2 )
=
0.001276 5.09 4.828 (2000 + 2000 ) = 81.904
Segundo Método: Agua con Detergente
=
=
ℎ 2[ − ℎ + + ] 25.506
7.7 2[35.06 − 7.7 + 5.856 + 7.7] = 81.11
OBSERVACIONES
Al llenar lentamente de líquido el recipiente, y al primer contacto líquido y objeto, esta es atraída.
Notamos que el plomo y bronce se llegan a hundir completamente en líquido más no el tecno-por.
Para el segundo método, se debe realizar el experimento rápidamente por que el detergente disminuye la tensión superficial del agua, por ende se separa por acción de la fuerza de gravedad.
Para el cálculo de las masas, no es necesaria saber la masa de la perilla giratoria ni de su posición de equilibrio.
La balanza no logra equilibrarse a la perfección debido a fuerzas externas que consideraremos despreciables, por ello no se equilibra perfectamente.
Se debe adicionar una buena cantidad de detergente, ya que si la cantidad de detergente es poca, no se formara la película entre los dos tubitos.
CONCLUSIONES Para poder realizar nuestros experimentos, es tener cuidado con ciertas cosas que harían variar nuestros resultados, por lo que pongo algunas recomendaciones:
Verificar limpieza y eliminar humedad en todo el material a utilizar.
Hacer las mediciones por triplicado.
Emplear en cada caso, la misma cantidad de muestra.
CONCLUSIONES:
Mediante la realización de estos experimentos se obtuvieron datos que no coincidieron con los cálculos obtenidos debido a ciertos errores en la realización de éstos, así como en la medición de masas, ya que la balanza que se usó para ver el peso de los jinetillos solo media múltiplos de 0.5 gramos.
Aprendimos de igual forma que existen diferentes maneras de calcular la tensión superficial, siendo más efectivo para mí el primer método ya que no se hacen suposiciones tal como se hizo en el segundo método; además de calcular la densidad mediante la balanza de Mohr.
Pudimos comprobar que a causa del detergente agregado al agua, esta disminuyo su tensión superficial.
Al momento de calcular la masa concluimos que debido a que cumple la función de una balanza manual (torque generado) se puede apreciar un error al equilibrar con el contrapeso.
RECOMENDACIONES
Es preferible al momento de realizar el ensayo observar que la barra este en equilibrio desde una viste frontal, lo cual permitirá asegurarse que esta quede en absoluto equilibrio.
Tratar que el aro de metal al momento de colgar sobre la varilla quede en forma horizontal sin inclinaciones, ya que cualquier variación de ángulo de esta puede ocasionar fallos en los resultados y sus respectivos cálculos.
Equilibrar la balanza con más de un jinetillo ya que esto ayuda a una mejor precisión en la medición de masas y densidades.
APÉNDICE Medida de la tensión superficial de un líquido El método de Du Nouy es uno de los más conocidos. Se mide la fuerza adicional Δ F que hay que ejercer sobre un anillo de aluminio justo en el momento en el que la lámina de líquido se va a romper. La tensión superficial del líquido se calcula a partir del diámetro 2R del anillo y del valor de la fuerza Δ F que mide el dinamómetro.
El líquido se coloca en un recipiente, con el anillo inicialmente sumergido. Mediante un tubo que hace de sifón se extrae poco a poco el líquido del recipiente. En la figura se representa:
1. El comienzo del experimento 2. Cuando se va formando una lámina de líquido. 3. La situación final, cuando la lámina comprende únicamente dos superficies (en esta situación la medida de la fuerza es la correcta) justo antes de romperse. Si el anillo tiene el borde puntiagudo, el peso del líquido que se ha elevado por encima de la superficie del líquido sin perturbar, es despreciable. No todos los laboratorios escolares disponen de un anillo para realizar la medida de la tensión superficial de un líquido, pero si disponen de portaobjetos para microscopio. Se trata de una pequeño pieza rectangular de vidrio cuyas dimensiones son a=75 mm de largo, b=25 mm de ancho y aproximadamente c =1 mm de espesor, su peso es aproximadamente 4.37 g.
Se pesa primero el portaobjetos en el aire y a continuación, cuando su borde inferior toca la superficie del líquido. La diferencia de peso Δ F está relacionada con la tensión superficial ΔF =2·γ.(a+c )
Se empuja el portaobjetos hacia arriba cuasi estáticamente. Justamente, cuando va a dejar de tener contacto con la superficie del líquido, la fuerza F que hemos de ejercer hacia arriba es igual a la suma de:
El peso del portaobjetos mg La fuerza debida a la tensión superficial de la lámina de líquido que se ha formado 2·γ.(a+c ) El peso del líquido ρ.g.a.c.h que se ha elevado una altura h, sobre la superficie libre de líquido. Siendo ρ es la densidad del líquido.
Para un portaobjetos de la dimensiones señaladas, que toca la superficie del agua, h es del orden de 2.3 mm (véase el artículo citado en las referencias)
La fuerza debida a la tensión superficial es 2· γ (a+c )=2·72.8·10 3 ·(0.075+0.001)=11.07·10 -3 N El peso de la lámina de agua es del orden -3 de ρgach=1000·9.8·0.075·0.001·0.0023=1.70·10 N
Para que la simulación sea lo más simple posible, no se ha tenido en cuenta el peso de la lámina de líquido que se eleva por encima de la superficie libre.
BIBLIOGRAFÍA
http://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_superficial SEARS, ZEMANSKY, YOUNG, FREEDMAN: '" Fisica Universitaria", Vol. I y II, Pearson, 1999
SERWAY-J "Física para Ciencias e Ingeniería" Vol. Editorial Thomson
Manual de laboratorio de física general – UNI , EDICIÓN MARZO DEL 2009
