Densidad y Tension Superficial Imforme de Laboratorio

UNIVERSIDAD

NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA

IMFORME DE 3ER LABORATORIO

“DETERMINACION DE LA DENSIDAD DE UN CUERPO Y COEFICIENTE DE TENSION SUPERFICIAL DE UN LIQUIDO”

CURSO: FISICA II

Universidad Nacional de Ingeniería - FIEE

ALUMNOS: Alavedra S!"r#$ %&a$ Ed&ard# La!a' R#'ale' Ser(# Q&')e C#$de*# G&'+av# E$r,&e

-./0 INTRODUCCION

En términos físicos 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, pero esta distinción suele afectar en gran medida a sus aspectos químicos ya que su estudio físico se realiza en forma unitaria. La hidrostática es la parte de la hidrología que estudia el comportamiento de los fluidos en condiciones de equilirio. Las moléculas que integran las diferentes sustancias se atraen entre si mediante diferentes fuerzas de di!ersa intensidad en sus componente. En determinadas condiciones de presión y temperatura, dichas fuerzas e!itan que las moléculas !iren en posiciones distintas a las de equilirio, generando en ese caso sustancias en estado sólido. "l aumentar progresi!amente las magnitudes de temperatura y presión, la

Densidad y Tensión Superfcial


energía de !iración molecular se incrementa, dando lugar a que las partículas aandonen las posicione fi#as y se produzca la transición a los estados líquidos y gaseosos. En los líquidos, las fuerzas intermoleculares permiten que las partículas se mue!an liremente, aunque mantienen enlaces latentes que hacen que las sustancias, en este estado, presenten !olumen constante. En todos los líquidos reales se e#ercen fuerzas que interfieren el mo!imiento molecular, dando lugar a los llamados líquidos !iscosos. La !iscosidad es deida al frotamiento que se produce en el deslizamiento en paralelo de las moléculas o planos moleculares. " los líquidos en que no existe ningún rozamiento que puedan dar origen a cierto grado de !iscosidad se les denomina líquidos ideales o perfectos. En la naturaleza no existe liquido alguno que presenten estas características estrictamente, aunque en recientes in!estigaciones se han otenidos comportamientos muy cercanos al del liquido ideal en helio condensado a temperaturas mínima.

FUNDAMENTO TEORICO Sandro Martel Vásquez

$ara

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poder

realizar el laoratorio de %&ensidad y 'ensión (uperficial) es necesario tener el conocimiento de que es el empu#e , el torque y por supuesto de que es la densidad y la tensión superficial , por lo que a continuación !eremos los conceptos de cada uno de ellos y de otros que nos ayudaran a entender los fenómenos que ocurren en este laoratorio.

La de$'dad de l#' 1&er)#' &ensidad Los cuerpos difieren por lo general en su masa y en su !olumen. Estos dos atriutos físicos !arían de un cuerpo a otro, de modo que si consideramos cuerpos de la misma naturaleza, cuanto mayor es el !olumen, mayor es la masa del cuerpo considerado. *o ostante, existe algo característico del tipo de materia



que compone al cuerpo en cuestión y que explica el porqué dos cuerpos de sustancias diferentes que ocupan el mismo !olumen no tienen la misma masa o !ice!ersa. "un cuando para cualquier sustancia la masa y el !olumen 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 p.

$ + $eso  + olumen g + "celeración de la gra!edad.

Sandro Martel Vásquez

La densidad de una sustancia es la masa que corresponde a un !olumen unidad de dicha sustancia. (u SEMV

unidad en el (- es el cociente entre la unidad de masa y la del !olumen, es decir g/m0. " diferencia de la masa o el !olumen, que dependen de cada o#eto, su cociente depende solamente del tipo de material de que está constituido y no de la forma ni del tama1o de aquél. (e dice por ello que la densidad es una propiedad o atriuto característico de cada sustancia. En los sólidos la densidad es aproximadamente constante, pero en los líquidos, y particularmente en los gases, !aría con las condiciones de medida. "sí en el caso de los líquidos se suele especificar la temperatura a la que se refiere el !alor dado para la densidad y en el caso de los gases se ha de indicar, #unto con dicho !alor, la presión.

&ensidad y peso específico



La densidad está relacionada con el grado de acumulación de materia 2un cuerpo compacto es, por lo general, más denso que otro más disperso3, pero tamién lo está con el peso. "sí, un cuerpo peque1o que es mucho más pesado que otro más grande es tamién mucho más denso. Esto es deido a la relación $ + m 4 g existente entre masa y peso. *o ostante, para referirse al peso por unidad de !olumen la física ha introducido el concepto de peso específico Pe que se define como el cociente entre el peso $ de un cuerpo y su !olumen. El peso específico representa la fuerza con que la 'ierra atrae a un !olumen unidad de la misma sustancia considerada. La relación entre peso específico y densidad es la misma que la existente entre peso y masa La unidad del peso específico en el (- es el */m0.


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&ensidad relati!a La densidad relati!a de una sustancia es el cociente entre su densidad y la de otra sustancia diferente que se toma como referencia o patrón5 $ara sustancias líquidas se suele tomar como sustancia patrón el agua cuya densidad a 6 78 es igual a 9::: .g/m0 . $ara gases la sustancia de referencia la constituye con frecuencia el aire que a : 78 de temperatura y 9 atm de presión tiene una densidad de 9,;<0 .g/m0 . 8omo toda magnitud relati!a, que se otiene como cociente entre dos magnitudes iguales, la densidad relati!a carece de unidades físicas. =nas de las de la propiedades que se presentan en los líquidos y que dependen de la densidad es el empu#e5



Empu#e hidrostático5 %$rincipio de "rquímedes) Los cuerpos sólidos sumergidos en un líquido experimentan un empu#e hacia arria. Este fenómeno, que es el fundamento de la flotación de los arcos, era conocido desde la más remota antig>edad, pero fue el griego "rquímedes 2;?@A;9; a. de 8.3 quien indicó cuál es la magnitud de dicho empu#e. &e acuerdo con el principio que lle!a su nomre, todo cuerpo sumergido total o parcialmente en un líquido experimenta un empu#e !ertical y hacia arria igual al peso del !olumen de líquido desalo#ado. "un cuando para llegar a esta conclusión "rquímedes se apoyó en la medida y experimentación, su famoso principio puede ser otenido como una consecuencia de la ecuación fundamental de la hidrostática. 8onsidérese un cuerpo en forma de paralelepípedo, las longitudes de cuyas aristas !alen a,  y c metros, siendo c la correspondiente a la arista !ertical. &ado que las fuerzas laterales se compensan mutuamente, sólo se considerarán las fuerzas sore las caras horizontales. La fuerza F9 sore la cara superior estará dirigida hacia aa#o y de acuerdo con la ecuación fundamental de la hidrostática su magnitud se podrá escriir como5 siendo (9 la superficie de la cara superior y h9 su altura respecto de la superficie lire del líquido. Sandro Martel Vásquez

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La fuerza F; sore la cara inferior estará dirigida hacia arria y, como en el caso anterior, su magnitud !endrá dada por La resultante de amas representará la fuerza de empu#e hidrostático E. $ero, dado que (9 + (; + ( y h; + h9 B c, resulta5 Cue es precisamente el !alor del empu#e predicho por "rquímedes en su principio, ya que  + c 4 ( es el !olumen del cuerpo, la densidad del líquido, m + 4  la masa del liquido desalo#ado y finalmente m 4 g es el peso de un !olumen de líquido igual al del cuerpo sumergido.

Equilirio de los cuerpos sumergidos



&e acuerdo con el principio de "rquímedes, para que un cuerpo sumergido en un líquido esté en equilirio, la fuerza de empu#e E y el peso P han de ser iguales en magnitudes y, además, han de aplicarse en el mismo punto. En tal caso la fuerza resultante R es cero y tamién lo es el momento M, con lo cual se dan las dos condiciones de equilirio. La condición E + P equi!ale de hecho a que las densidades del cuerpo y del líquido sean iguales. En tal caso el equilirio del cuerpo sumergido es indiferente. (i el cuerpo no es homogéneo, el centro de gra!edad no coincide con el centro geométrico, que es el punto en donde puede considerarse aplicada la fuerza de empu#e. Ello significa que las fuerzas E y P forman un par que hará girar el cuerpo hasta que amas estén alineadas.

Equilirio de los cuerpos flotantes (i un cuerpo sumergido sale a flote es porque el empu#e predomina sore el peso 2 EDP3. En el equilirio amas fuerzas aplicadas sore puntos diferentes estarán alineadas tal es el caso de las emarcaciones en aguas tranquilas, por e#emplo. (i por efecto de una fuerza lateral, como la producida por un golpe de mar, el e#e !ertical del na!ío se inclinara hacia un lado, aparecerá un par de fuerzas que harán oscilar el arco de un lado a otro. 8uanto mayor sea el momento M del par, mayor será la estailidad del na!ío, es decir, la capacidad para recuperar la !erticalidad. Ello se consigue dise1ando con!enientemente el casco y repartiendo la carga de modo que rea#e la posición del centro de gra!edad, con lo que se consigue aumentar el razo del par.



"quí se ilustra el principio en el caso de un loque de aluminio y uno de madera. 293 El peso aparente de un loque de aluminio sumergido en agua se !e reducido en una cantidad igual al peso del agua desplazada. 2;3 (i un loque de madera está completamente sumergido en agua, el empu#e es mayor que el peso de la madera 2esto se dee a que la madera es menos densa que el agua, por lo que el peso de la madera es menor que el peso del mismo !olumen de agua3. $or tanto, el loque asciende y emerge del agua parcialmente Fdesplazando así menos aguaF hasta que el empu#e iguala exactamente el peso del loque.

8omo se menciono en una parte del concepto de lo que es el empu#e, este se puede otener de la Sandro Martel Vásquez

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ecuación fundamental de la hidrostática, por lo que es con!eniente !er esta ecuación y como es que se otiene.

Ecuación Gundamental de la Hidrostática



"l igual que en los sólidos, sore los gases y los líquidos tamién actúa la atracción gra!itatoria, y por tanto tamién tienen peso. 8uando un líquido se encuentra en equilirio en un recipiente, cada capa de líquido dee soportar el peso de todas las que están por encima de ella. Esa fuerza aumenta a medida que se gana en profundidad y el número de capas aumenta, de manera que en la superficie la fuerza 2y la presión3 es prácticamente nula, mientras que en el fondo del recipiente la presión es máxima. $ara calcular la forma en que !aría la presión desde la superficie del líquido hasta el fondo del recipiente, considere una porción de líquido en forma de disco a cierta profundidad por dea#o de la superficie, de espesor infinitesimal. Las fuerzas que actúan sore esa porción de líquido a lo largo del e#e y son las siguientes.

Gg + mg + rg + r"gdy 2atracción gra!itatoria3 G + p" 2peso de las capas líquidas superiores3 G I + 2p B dp3" 2fuerza equilirante e#ercida por las capas inferiores de líquido3 8uando el sistema está en equilirio, se dee cumplir5 G I J G J Gg + may + : 2p B dp3" J p" J r"gdy + :


(implificando y ordenando esta expresión se llega a5

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dp + rgdy . $ara hallar la diferencia de presión entre dos puntos uicados a diferentes profundidades y9,y; deemos integrar a amos lados de la expresión anterior5

Entonces nos queda5

293

Esta expresión es !álida para líquidos y gases. En los gases hay que tomar en cuenta la dependencia de la densidad r con la altura r + r2y3. 8omo los líquidos son prácticamente incompresiles, la densidad r se puede considerar constante y extraerla fuera de la integral.

$ara líquidos5 8onsiderando r + constante en 2935

2;3

'omando y; J y9 + h 2profundidad a partir del punto 93 y &p + p; J p9, sustituyendo y arreglando términos en esta expresión, se llega a5

)- 2 )/  r(4

536



Esta ecuación se conoce como la ecuación fundamental de la hidrostática. En particular, si el punto 9 se toma en la superficie del líquido, p9 representa la presión en la superficie, y h la profundidad a partir de la superficie.

"hora que ya me hemos !isto lo que es la ecuación fundamental de la hidrostática podemos pasar a !er lo que es la tensión superficial.

MATERIALES UTILI7ADOS


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DETERMINACION DE LA DENSIDAD

K#etos cuya densidad se desea hallar



aso grande

inetillos

PROCEDIMIENTOS Sandro Martel Vásquez Sandro Martel Vásquez SEMV SEMV

DETERMINACI8N DE LA DENSIDAD DE UN CUERPO &E'EMN-*"8-K* &E L" N"(" &E =* 8=EM$K5 •

8omenzaremos equilirando el razo de la alanza utilizando el disco que se encuentra en el extremo opuesto a la masa suspendida, esto lo haremos a#ustando este disco mediante rotaciones para hacer !ariar su posición, hasta que el razo quede horizontal



•

. (eguidamente retiraremos

el cuerpo suspendido2el

razo

perderá el equilirio3, y

restaleceremos el equilirio mediante #inetillos que serán colocados en el razo.

EQUILIBRANDO EL BRA7O DE LA BALAN7A

&E'EMN-*"8-K* &EL EN$=E5 Sandro Martel Vásquez

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•

*ue!amente equiliraremos la alanza siguiendo los pasos anteriormente dichos.

•

8olocaremos el !aso grande lleno de agua dea#o del cuerpo que se encuentra colgado en el extremo del !aso, de tal manera que este se encuentre totalmente sumergido 2se oser!ara que el razo se inclina ligeramente hacia arria3, y con los #inetillos haremos que el razo !uel!a a su posición inicial.



C&er)# '&!er(d# 9 "ra*# e,&l"rad# )#r el $e+ll#

RECOMENDACIONES


Y CONCLUSIONES

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$ara poder realizar nuestros experimentos, es tener cuidado con ciertas cosas que harían !ariar nuestros resultados, por lo que pongo algunas recomendaciones5 • • •

erificar 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:



•

Nediante la realización de estos experimentos se otu!ieron datos que no coincidieron con los cálculos otenidos deido a ciertos errores en la realización de éstos, asi como en la medición de masas, ya que la alanza que se uso para !er el peso de los #inetillos solo media múltiplos de :.O gramos.

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