LABORATORIO DE FÍSICA PRESIÓN HIDROSTÁTICA Camilo Gómez Tovar Ingeniería Electrónica Facultad de ingeniería Universidad de Nariño Objetivos Estudiar la presión que ejercen los líquidos mediante - El principio de pascal - La presión sobre el fondo de un recipiente - La presión ascendente, y la presión hidrostática Materiales - Montaje para medir la presión en el fondo de un recipiente - Maquina de vació
- Hemisferios de Magdeburgo - Vaso de agua
TEORIA Es muy conocido el hecho de que los líquidos presionan hacia abajo, sobre el fondo del recipiente que los contiene y hacia los lados sobre las paredes del mismo. El volumen de un líquido está sometido a la acción de la gravedad, el peso del líquido que se encuentra en la parte superior ejerce una presión sobre el líquido que se encuentra en la parte inferior, es decir la presión bajo el agua aumenta con la profundidad, como la presión hidrostática es:
P=ρgh Entonces se observa que la presión es independiente del área de la vasija y de su forma pues solamente influye la densidad del liquido y su altura. La densidad es una característica de cada sustancia y es el cociente entre la masa y el volumen y veremos que el valor de esta es independiente de la cantidad de sustancia que se escoja.
Montaje 1. Capsula de presión Tabla Nº1. Profundidad capsula h (cm)
alturas manómetro ρgh
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3
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6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
2.3
3.8
5.1
6.3
7.3
8.4
9.6
10.8
11.9
13.1
14.2
15.4
16.4
17.6
18.7
19.9
21
186.7
308.46
414
511.4
592.5
681.8
779.2
876.7
966
(cm)
P manométrica (dinas/cm2)
1063.4 1152.6 1250.1 1331.3 1428.7
1518
Grafica P=f(h) 18000
y = 933,7x + 298,83 R2 = 0,9996
16000 14000 ) a P ( n ó i s e r P
12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Profundidad de la Capsula (cm)
Pendiente k= 933.7 Densidad Agua ρagua k/g = 0.95
Coeficiente de correlación R= 0.999 Error relativo porcentual= 5%
Conclusiones - La pendiente de las gráficas representa la misma densidad de los fluidos utilizados (agua) - La presión hidrostática es P=ρgh, por eso decimos que es independiente del área del recipiente pues solo influye la densidad del liquido y su altura. - Cuando deja de subir el fluido (alcohol) esto corresponde a que se han equilibrado ambas presiones (Atmosférica e Hidrostática)
1615.4 1704.6
Montaje 2. Maquina de Vació. - En condiciones normales en el manómetro el fluido llena totalmente la rama izquierda (la sellada) y se observa una diferencia de altura con la rama derecha (la no sellada) esto se da por que la presión atmosférica obliga al liquido a igualar la presión ejercida sobre él. Cuando se extrae el aire el fluido en ambas ramas queda a la misma altura esto se debe a que al extraer el aire se elimina la presión atmosférica por lo cual las carga en ambas ramas se equilibran y quedan a la misma altura. - Cuando se extrae el aire el globo parece inflarse, esto se debe a q al faltar el aire en el exterior, el aire atrapado dentro del globo se expande ya que se elimina la presión atmosférica. - El agua dentro del recipiente pierde espontáneamente algunas moléculas que dejarán su superficie y pasarán al estado gaseoso. Este proceso se denomina "evaporación" y viene determinado por la temperatura de la sustancia. Inversamente puede ser que en el curso del movimiento al azar que tienen las moléculas separadas, éstas choquen con la superficie y vuelvan otra vez a la fase liquida. Este proceso se denomina "condensación". Para cada temperatura se llega a un equilibrio entre los dos procesos de evaporación y condensación. La presión de las moléculas de agua gaseosa entonces, se denomina presión de vapor. El hacer el vacío desaparecen las moléculas de agua evaporada y para que se restablezca el equilibrio, es necesario que se evaporen nuevas moléculas de líquido. Para que este proceso pueda efectuarse es necesario un aporte de calor y por ello, a medida que se evapora el agua baja la temperatura, pues el calor se "roba" precisamente de la propia masa de agua líquida que puede incluso, si el vacío es suficiente, llegar a congelar.
Montaje 3. Hemisferios de Magdeburgo. Sabemos que todo lo que hay en la superficie de la tierra, por estar envuelta en aire que pesa, recibe fuerzas perpendicularmente a su superficie en todas las direcciones. De la misma forma las reciben los hemisferios tanto en su interior dirigidas hacia fuera como en el exterior hacia dentro. Si una vez cerrados los hemisferios formando la esfera, se les quita casi todo el aire que hay dentro, las fuerzas sobre la superficie exterior que los aprieta uno contra el otro, es muy superior a la que actúa sobre ellos hacia fuera por el aire que tienen en su interior, lo que hace muy difícil separarlos. La fuerza neta que aprieta los hemisferios, repartida sobre toda la esfera formada, o sea, la que hay que vencer para separarlos, suponiendo que el vacío conseguido en el interior fuese como un 10% del aire exterior, es del orden del peso de siete toneladas.
Montaje 4. Vaso de agua invertido. La hoja de papel se comba un poco bajo el peso del líquido, ya que la hoja de papel sufre la acción de toda la presión atmosférica (desde afuera) y parte de la presión atmosférica más el peso del agua (desde dentro). Ambas magnitudes, la interna y la externa, están equilibradas. Por tanto, basta aplicar un esfuerzo muy pequeño, superior a la fuerza de adhesión (o sea, a la tensión superficial de la película de líquido) para desprender el papel de los bordes del vaso.
Montaje 5. Paradoja Hidrostática. Si se ponen en comunicación varias vasijas de formas diferentes, se observa que el líquido alcanza el mismo nivel en todas ellas. A primera vista, debería ejercer mayor presión en su base aquel recipiente que contuviese mayor volumen de fluido. Puesto que la presión solamente depende de la profundidad por debajo de la superficie del líquido y es independiente de la forma de la vasija que lo contiene. Como es igual la altura del líquido en todos los vasos, la presión en la base es la misma y el sistema de vasos comunicantes está en equilibrio.
Montaje 6. una vela dentro de una campana de vidrio. La llama de la vela necesita oxígeno para realizar la combustión como resultado de esta reacción química, se obtiene dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). El agua se desprende en forma de vapor de la combustión, pero se condensa en las paredes del vaso, en forma de pequeñas gotitas. Ese cambio de estado, produce una disminución de volumen. Además, el dióxido de carbono caliente que se desprende de la combustión, también se enfría al entrar en contacto con las paredes del vaso, lo que hace que el volumen de este gas disminuya. Este último efecto es mas pronunciado que la condensación mencionada antes y es la principal causal de que el experimento funcione. Es así como el volumen dentro del vaso disminuye, mientras la presión exterior (presión atmosférica) se mantiene constante. Como la presión de afuera es mayor que la de adentro, empuja al agua y la hace subir, para igualar las presiones.
Montaje 7. Montaje de las 3 velas. La combustión de las velas consume oxígeno y produce dióxido de carbono y vapor de agua. El dióxido de carbono es más denso que el aire pero las corrientes de convección se encargan de acumular el dióxido de carbono en la parte superior del recipiente, desplazando el oxígeno a l a parte inferior. Por este motivo primero se apaga la vela de mayor altura, luego la intermedia y, finalmente, se apagará la vela de menor tamaño
Montaje 8. Buzo de descartes. Inicialmente el gotero flota debido a que la fuerza de flotación que lo empuja hacia arriba es mayor al peso del gotero más el peso del agua que hay en su interior. Al presionar la botella, ingresa agua al gotero como resultado del aumento en la presión del agua en el interior de la botella. El gotero se va haciendo cada vez más pesado a medida que ingresa agua a este. En el
instante en donde el peso del gotero supera a la fuerza de flotación ocurre que el gotero baja.
Montaje 9. Globo dentro de balón de vidrio.
Si el globo se desinflara crearía un vacío dentro del balón de vidrio, pero como el vacío no tiene mucha presión pues la presión atmosférica la empuja el globo hasta cubrir ese vacío. Entonces como conclusión la Presión Atmosférica es mayor que la presión del vacío.
Actividades: 1) P= ρgh= (0.90)(978 cm/s2)(150 cm)=132.03x103 Pa 2) mg= ρAgh P= ρgh m= PA/g; 1atm = 101325Pa a) m= (101325Pa)(100 cm2)/(978 cm/s2)= 10.36 toneladas 1atm = 760mmHg 560mmHg = 0.74atm 0.74atm= 74980.5Pa b) m= (74980.5Pa)(100 cm2)/(978 cm/s2)= 7.67 toneladas
