1
UNI – FIM FIM
laboratorio FISICA II
1. PROLOGO
En el siguiente laboratorio tiene como fin calcular la densidad de un aceite teniendo como conocimiento las clases expuesta por nuestros profesores así como como también también los efectos de la tensión superficial ya que esta es muy evidente cuando se mezcla agua y aceite o ver como algunos insectos pueden caminar sobre el agua.
El contenido de este informe es la sustentación de un experimento que nos permite calcular la densidad de algún aceite o un liquido que tenga una densidad que se encuentre comprendida entre los valores de las densidades del alcohol y el agua
Córdova Félix Díaz
UNI – FIM
2
laboratorio FISICA II
2. OBJETIVOS -
Comprender la relevancia de la densidad en las mezclas ya sea el caso de homogéneas o heterogéneas - Calcular la densidad del aceite a partir de una mezcla de agua y alcohol a partir de una regla de mezcla. - Evidenciar la fuerza de tensión superficial y calcular la presión ejercida en el interior de la burbuja.
3. FUNDAMENTO TEORICO
3.1 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.
Sustancia
Córdova Félix Díaz
Densidad kg/m3
en
Densidad en g/c.c.
3
UNI – FIM
laboratorio FISICA II
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, Córdova Félix Díaz
4
UNI – FIM
laboratorio FISICA II
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
1750
328
Mercurio -39
Córdova Félix Díaz
357
5
UNI – FIM
laboratorio FISICA II
3.2 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.
Córdova Félix Díaz
6
UNI – FIM
laboratorio FISICA II
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
Córdova Félix Díaz
7
UNI – FIM
4. MATERIALES
-
Alcohol metílico
-
Agua
-
Aceite
Córdova Félix Díaz
laboratorio FISICA II
8
UNI – FIM
-
Pipeta graduada
-
Probeta
-
Regla
Córdova Félix Díaz
laboratorio FISICA II
9
UNI – FIM
laboratorio FISICA II
5. PROCEDIMIENTO -
Verter agua dentro de la probeta una cantidad considerable en nuestro caso 10 ml de agua 2 ml de aceite dentro de la probeta - Echar dentro de la probeta alcohol por las paredes con ayuda de la pipeta hasta que el la burbuja de aceite quede sumergida dentro de la mezcla.
6. CALCULOS Y RESULTADOS 1. Con la relación de volúmenes de alcohol y agua obtenemos la densidad del aceite esta relación es 10 a 11 aproximadamente Cantidad de agua: 10ml Cantidad de alcohol: 11ml La relación de densidades es de 10 a 11. Tenemos de dato a 25ºC la densidad del alcohol metílico es 791,8 Kg/m3 la del agua es 1000 Kg/m3 Por lo tanto:
2. Hallamos la altura a la que está sumergida la gota y hallaremos la presión interna de esta. Por lo tanto la presión seria considerando a la gota una esfera perfecta y que la variación de presión en sus extremos es despreciable y coeficiente de tensión superficial halado en : tablas
El radio de la gota seria: √ √ )( ) ( Córdova Félix Díaz
10
UNI – FIM
laboratorio FISICA II
7. CONCLUSIONES -
La gota de aceite se sumerge dentro de la mezcla tomando una forma esférica debido a su tensión superficial La mezcla de agua y alcohol es homogénea La densidad del aceite está entre los valores del agua y el alcohol La tensión superficial es apreciable si introducimos la pipeta en la burbuja esta no se romperá y tomara su forma original Vemos que la presión dentro de la burbuja es calculabl si hacemnos un diagrama de cuerpo libre de esta
8. OBSERVACIONES -
Tener cuidado a la ora de verter el aceite no dejar que se parta en varias gotas esto malograría el experimento Verter por la paredes de la probeta el alcohol con mucho cuidado ya que en ese momento la densidad de la mescla varia y la gota se puede partir
9. BIBLIOGRAFIA -
Merle C. Potter, David C. Wiggert - 2002 - 769 páginas Marcelo Alonso, Edward J. Finn - 1998 - 579 páginas Russell C. Hibbeler - 2004 - 637 páginas
Córdova Félix Díaz
