Daniel Gutiérrez; Eder Lamadrid; John Rodríguez; Wilman Rodríguez
Universidad del Atlántico
Algunas de las propiedades de los fluidos realizan un gran papel, mientras que otras influyen muy poco ò nada. En la estática de los fluidos, el peso específico es una propiedad de suma importancia, en cambio en el flujo de fluidos la viscosidad y la densidad son las que predominan dentro del mismo. Al intervenir presiones manométricas negativas la tensión de vapor pasa a ser importante y en cuanto a la tensión superficial afecta la estática y cinemática de los fluidos cuando sus secciones son pequeñas. Mientras la elaboración de la practica realizada en el laboratorio, pudimos conocer solo algunas de las propiedades de los fluidos como las nombradas anteriormente; la densidad relativa, peso específico y tensión superficial.
Entender más acerca de la naturaleza de los fluidos y su análisis en la práctica. Determinar la densidad de ciertos fluidos de manera experimental. Identificar las relaciones entre densidad, volumen específico, densidad relativa y peso específico.
Utilizar un densímetro para comparar las lecturas arrojadas mediante la inmersión en el fluido, con los valores teóricos y prácticos. Calcular magnitudes derivadas con las fórmulas dadas en la teoría. Contrastar lo medido en el laboratorio con la bibliografía.
Cuando un fluido no está en movimiento solo se estudia la distribución de presiones en el fluido y sus efectos sobre los cuerpos sumergidos o en flotación. En este caso la variación de presión se debe solamente al peso del fluido, es decir al efecto del campo gravitatorio. El estudio de los fluidos en reposo constituye el objeto de la estática de fluidos, una parte comprende la hidrostática o estudio de los líquidos en equilibrio, y la aerostática o estudio de los gases en equilibrio y en particular del aire. A partir de los conceptos de densidad y de presión se obtiene la ecuación fundamental de la hidrostática, de la cual el principio de Pascal y el de Arquímedes pueden considerarse consecuencias. El hecho de que los gases, a diferencia de los líquidos, puedan comprimirse hace que el estudio de ambos tipos de fluidos tenga algunas características diferentes. En la atmósfera se dan los fenómenos de presión y de empuje que pueden ser estudiados de acuerdo con los principios de la estática de gases. Cuando un fluido se mueve como un sólido rígido, como es el caso de un depósito de líquido que ha estado en rotación durante un cierto tiempo, la variación de presión también puede calcularse de manera parecida al caso de fluidos en reposo puesto que no existen fuerzas de cortadura. Aplicaciones importantes de este capítulo son: la distribución de presiones en el aire atmosférico, en lagos y océanos; el diseño manómetros (instrumentos de medición de la presión); la determinación de las fuerzas sobre superficies sumergidas; las fuerza de flotación sobre cuerpos sumergidos y la estabilidad de los cuerpos en flotación.
Los cuerpos difieren por lo general en su masa y en su volumen. Estos dos atributos físicos varían de un cuerpo a otro, de modo que si consideramos cuerpos de la misma naturaleza, cuanto mayor es el volumen, mayor es la masa del cuerpo considerado. No obstante, existe algo característico del tipo de materia que compone al cuerpo en cuestión y que explica por qué dos cuerpos de sustancias diferentes que ocupan el mismo volumen no tienen la misma masa o viceversa. Aun cuando para cualquier sustancia la masa y el volumen son directamente proporcionales, la relación de proporcionalidad es diferente para cada sustancia. Es precisamente la constante de proporcionalidad de esa relación la que se conoce por densidad y se representa por la letra
griega “ρ”. A manera matemática la expresión queda de esta manera: . Despejando de la anterior ecuación resulta:
⁄ Ecuación que facilita la definición densidad y también su significado físico.
La densidad de una sustancia es la masa que corresponde a un volumen unidad de dicha sustancia. Su unidad en el SI es el cociente entre la unidad de masa y la del volumen, es decir
.
A diferencia de la masa o el volumen, que dependen de cada objeto, su cociente depende solamente del tipo de material de que está constituido y no de la forma ni del tamaño de aquél. Se dice por ello que la densidad es una propiedad o atributo característico de cada sustancia. En los sólidos la densidad es aproximadamente constante, pero en los líquidos, y particularmente en los gases, varía con las condiciones de medida. Así en el caso de los líquidos se suele especificar la temperatura a la que se refiere el valor dado para la densidad y en el caso de los gases se ha de indicar, junto con dicho valor, la presión.
La densidad está relacionada con el grado de acumulación de materia (un cuerpo compacto es, por lo general, más denso que otro más disperso), pero también lo está con el peso. Así, un cuerpo pequeño que es mucho más pesado que otro más grande es también mucho más denso. Esto es debido a la relación existente entre masa y peso. No obstante, para referirse al peso por unidad de volumen la física ha introducido el concepto de peso específico que se define como el cociente entre el peso P de un cuerpo y su volumen
.
El peso específico representa la fuerza con que la Tierra atrae a un volumen unidad de la misma sustancia considerada. La relación entre peso específico y densidad es la misma que la existente entre peso y masa. En efecto siendo g la aceleración de la gravedad. La unidad del peso específico en el SI es el
.
La densidad relativa de una sustancia es el cociente entre su densidad y la de otra sustancia diferente que se toma como referencia o patrón: Para sustancias líquidas se suele tomar como sustancia patrón el agua cuya densidad a 4 ºC es . Para gases la sustancia de referencia la constituye con frecuencia el aire igual a 1000 . Como toda que a 0 ºC de temperatura y 1 atm de presión tiene una densidad de 1,293 magnitud relativa, que se obtiene como cociente entre dos magnitudes iguales, la densidad relativa carece de unidades físicas.
⁄
⁄
Es un instrumento de medición que sirve para determinar la densidad relativa de los líquidos sin necesidad de calcular antes su masa y volumen. Normalmente, está hecho de vidrio y consiste en un cilindro hueco con un bulbo pesado en su extremo para que pueda flotar en
posición vertical. El término utilizado en inglés es “hydrometer”; sin embargo, en español,
un hidrómetro es un instrumento muy diferente que sirve para medir el caudal, la velocidad o la presión de un líquido en movimiento. Se considera a Hipatia de Alejandría como su inventora. Otra posibilidad para determinar las densidades de líquidos y gases es utilizar un instrumento digital basado en el principio del tubo en U oscilante. Cuya frecuencia de resonancia está determinada por los materiales contenidos, como la masa del diapasón es determinante para la altura del sonido.
La determinación de densidades de líquidos tiene importancia no sólo en la física, sino también en el mundo del comercio y de la industria. Por el hecho de ser la densidad una propiedad característica (cada sustancia tiene una densidad diferente) su valor puede emplearse para efectuar una primera comprobación del grado de pureza de una sustancia líquida. El densímetro es un sencillo aparato que se basa en el principio de Arquímedes. Es, en esencia, un flotador de vidrio con un lastre de mercurio en su parte inferior (que le hace sumergirse parcialmente en el líquido) y un extremo graduado directamente en unidades en densidad. El nivel del líquido marca sobre la escala el valor de su densidad. En el equilibrio, el peso W del densímetro será igual al empuje E:
Si se admite, para simplificar el razonamiento, que su forma es la de un cilindro, E será igual, de acuerdo con el principio de Arquímedes, al peso del volumen V del líquido desalojado, es decir, donde h es la altura sumergida y S la superficie de la base del cilindro. Dado que el peso del densímetro es igual a su masa m por la gravedad g, igualándolo al empuje resulta:
... Donde m y S son constantes, luego es inversamente proporcional a la altura sumergida. Midiendo alturas sumergidas pueden, por tanto, determinarse densidades. La determinación de la pureza de la leche de vaca es una de las aplicaciones industriales del densímetro.
El densímetro se introduce vertical y cuidadosamente en el líquido hasta que flote libre y verticalmente. A continuación, se observa en la escala graduada en el vástago del densímetro su nivel de hundimiento en el líquido; esa es la lectura de la medida de densidad del líquido. En líquidos ligeros (queroseno, gasolina, alcohol) el densímetro hundirá más que en líquidos más densos (agua salada, leche). De hecho, es usual tener dos instrumentos distintos: uno para los líquidos en general y otro para los líquidos poco densos, teniendo como diferencia la posición de las marcas medidas.El densímetro se utiliza también en la enología
paradeterminar el momento de fermentación en que se encuentra el vino. Para medir la graduación alcohólica si se utiliza el alcoholímetro de Gay Lussac, con el que se mide directamente la graduación en grados Gay Lussac.
A cada grupo de trabajo se le asigno la revisión de una propiedad de los fluidos, en nuestro caso se trató de la densidad y otras propiedades derivadas del valor de esta, la cual, cabe aclarar que se consigue a través de la medición directa de la masa de un volumen concreto de la sustancia a examinar o con el uso de un densímetro. En el laboratorio nos encontramos con un buen número de densímetros, con diferentes rangos, que permiten examinar diversos fluidos, sin embargo, estos densímetros están fabricados para la medición de petróleos. Lo anterior implica que los densímetros del laboratorio aplican solo para líquidos de densidad superior o ligeramente inferior a la del agua. Los fluidos a experimentar fueron: agua, aceite vegetal, alcohol, etilenglicol, glicerina y propilenglicol. Las densidades consultadas previamente indican que solo la glicerina, el propilenglicol y el etilenglicol podían ser medidos con el densímetro; lamentablemente la cantidad conseguidade etilenglicol no fue suficiente para que se diera la flotabilidad del dispositivo.
–
El densímetro utilizado fue el de rango 1 1.2. Se introdujo en una probeta con suficiente glicerina y propilenglicol para conseguir flotabilidad.
De manera alternativa se midió la masa de un volumen establecido de las sustancias, se utilizó una jeringa de 4.5 g para medir 5ml de líquido, luego se midió la masa conjunta en una balanza granataria, al resultado se le restó la masa de la jeringa. Dado que el volumen era constante, la densidad se estableció con la formula:
Medición de masa.
A continuación se presenta una tabla con el valor de la masa medido (de un solo intento) para un volumen de 10ml de fluido, a partir de esto y con ayuda de las formulas correspondientes se calculó el valor de las demás propiedades asociadas.
; ; ; ;
(g)
10.25
(ml ; cm3) 10
(g/cm3 ; g/ml) 1.025
1.025
10055.25
9.25
10
0.925
0.925
9074.25
9.30
10
0.93
0.93
9123.3
12.80
10
1.28
1.28
12556.8
10.70
10
1.07
1.07
10496.7
(N/m3)
. x . . . . (m3/kg)
EN EL ANEXO SE ENCUENTRAN LOS CÁLCULOS CORRESPONDIENTES
Medición de Densidad Relativa.
Se midió la densidad relativa de dos sustancias con el uso del densímetro.
. . Glicerina: . . Propilenglicol:
Sil 56
(ml ; cm3) 800
(m3; ml) 830
A181800
800
877648
800
1Brand
800
10.70
800
Se calculo las densidades relativas de dos sustancias medidas con el densímetro, los resultados arrojados por la medición de masa para estas mismas sustancias son muy cercanos.
. . . . . . . . . .
Las medidas realizadas con el densímetro resultaron mayores con una exactitud aceptable dentro de los porcentajes de error a pesar de las posibles dificultades que pudiesen existir en el area de trabajo, pues estas condiciones son seguramente diferentes a las cuales se calibró el densímetro. Al parecer la alteración prevista es muy despreciable y el error en el valor encontrado seguramente está más asociado el acto de medición que a las cualidades mismas del densímetro. Las medidas realizadas con la balanza granataria siempre se encuentran sujeta a errores apreciables (aunque también pequeños), igualmente suponen ser un buen método de aproximación a las magnitudes verdaderas, pues, un error inferior al 5% es medianamente aceptable para los fines del curso. Una observación inmediata es que efectivamente el aceite es menos denso que el agua, esto combinado con la nula miscibilidad de estos líquidos resulta en que al combinar mezclas aceitosas con agua, ésta se deposite en la parte inferior y el aceite flote en la superficie. Debido a que las demás propiedades analizadas son derivadas de la densidad, es razonable que los cálculos hechos con anterioridad también poseen un margen de error pequeño, especialmente aquellos basados en las mediciones del densímetro.
En conclusión fluidos son sustancias que adoptan la forma que uno mismo le da, entre sus moléculas existe provoca fuerza de atracción. Posee una gran variedad de propiedades que poseen estos fluidos tales como la densidad, viscosidad, tensión, presión, etc. La densidad es una magnitud escalar referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen de una sustancia, se mide con un instrumento llamad densímetro.
* Un fluido es una sustancia que escurre o se deforma continuamente, cuando está sometido a un esfuerzo de corte tangencial en reposo solo soporta esfuerzos normales.
* La estática de fluidos postula dos principios fundamentales mediante los cuales describe las características de los fluidos sometidos a diversos fenómenos como la presión atmosférica o la sumersión en líquido y los efectos colaterales que se producen al realizarlos.
La presión atmosférica es la presión que ejerce el aire sobre la atmósfera. La presión atmosférica se suele expresar en mm de mercurio (milímetros de mercurio) o torricelli, diciéndose que la presión normal, a nivel del mar es de 760 mm de Hg. Este valor se llama también una atmósfera. Sin embargo suelen utilizar otra unidad para medir la presión: el milibar.
. . . .
.
, . .
. . ( ) . .
g
. . .
. . . . ( ) . . g
. . . . . . . ( )
. .
g
. . . . . . . ( ) . . g
. . .
. . . . ( ) . . g
