5º lab (+ o -)

8/7/2019 5 lab (+ o -)

1/19

5 Laboratorio de Fsica II Densidad y Tensin Superficial

UNIVERSIDAD NACIONAL

DE INGENIERIA

Facultad de Ingeniera Geolgica,Minera y Metalrgica

Facultad: FIGMM

Trabajo: Informe de Laboratorio

Curso: FISICA II

Profesores: Mostacero Ruiz Z.Lazo Jara A.

Alumnos: Cdigo:

Fernandez Quichua R. 20071129KMendoza Centeno A. 20071230CQuintanilla Orellana M. 20071053D

8/7/2019 5 lab (+ o -)

2/19


DENSIDAD Y TENSION SUPERFICIAL

DENSIDAD

FUNDAMENTO TEORICO

Ms o menos 250 A.C., el matemtico griego Arqumedes recibi la tarea de determinar siun artesano haba defraudado al Rey de Siracusa cuando cambi una medida de oro en lacorona del Rey por una de plata. Arqumedes reflexion sobre el problema mientras se

relajaba en una piscina. Ah se dio cuenta que el agua se desparramaba a los lados de lapiscina. Arqumedes tuvo una epifana (una relevacin). Se dio cuenta que la cantidad deagua que se desparramaba era igual en volumen que el espacio que su ocupaba cuerpo. Derepente este hecho le dio el mtodo para diferenciar una corona de oro y plata de unacorona de puro oro. Ya que la medida de la plata ocupa ms espacio que el equivalente dela medida de oro, Arqumedes puso la corona del artesano y una corona equivalente de

puro oro en dos tubos de agua. Encontr que se desparramaba ms agua del tubo cuando lacorona del artesano estaba adentro. Resulta que el artesano haba estado defraudando alRey. La leyenda dice que Arqumedes estaba tan entusiasmado con su descubrimiento que

corri desnudo por las calles de Grecia gritando Eureka! Eureka! (La palabra griega quesignifica 'Lo encontr').

Arqumedes haba usado el concepto de densidad para exponer este fraude. La densidad esuna propiedad fsica de la materia que describe el grado de compacidad de una sustancia.La densidad describe cun unidos estn los tomos de un elemento o las molculas de uncompuesto. Mientras ms unidas estn las partculas individuales de una sustancia, msdensa es la sustancia. Puesto que las diferentes substancias tienen densidades diferentes, lasmedidas de la densidad son una va til para identificar las substancias.

Por ejemplo, cmo distinguir una tonelada mtrica de plumas de una tonelada mtrica deladrillos si no puede vistas?

Una tonelada mtrica de plumas o ladrillos tiene un masa idntica de 1,000 kilogramos(una tonelada mtrica). Sin embargo, una tonelada mtrica de plumas ocupa un volumen de

8/7/2019 5 lab (+ o -)

3/19


casi 400 millones cm3 (ms o menos el tamao de 4 tractores), mientras que una toneladamtrica de ladrillos ocupa solo medio milln cm3 (ms o menos el tamao de una

televisin grande). Los ladrillos son ms densos que las plumas porque su masa estcontenida en un volumen ms pequeo. Esta relacin entre masa y volumen de unasustancia es lo que define la propiedad fsica de la densidad:

Densidad = Masa/Volumen

La densidad es una propiedad intensiva de la materia definida como la relacin de la masade un objeto dividida por su volumen. La masa es la cantidad de materia contenida en unobjeto y comnmente se la mide en unidades de gramos (g). El volumen es la cantidad deespacio ocupado por la cantidad de la materia y es comnmente expresado en centmetros

cbicos (cm3

) o en milmetros (ml) (un cm3

es igual a 1 ml). Por consiguiente, las unidadescomunes usadas para expresar la densidad son gramos por milmetros (g/ml) y gramos porcentmetros cbicos (g/cm3).

Veamos un ejemplo. Un ladrillo tpico tiene una masa de 2,268 g y ocupa un volumen de1,230 cm3. La densidad del ladrillo es por tanto:

2,268 g/1,230 cm3 = 1.84 g/cm3

La densidad es un concepto fcil de confundir. Por ejemplo, muchas cosas quecomnmente creemos que son 'livianas' o 'pesadas' no tienen masas diferentes, pero s

tienen densidades diferentes. Mire la tabla aqu mostrada para ver ejemplos de lasdensidades de substancias comunes.

Densidad de Algunas SubstanciasComunes

SubstanciaDensidad(g/cm3)

(g/cm3)

Aire 0.0013

Plumas 0.0025

Madera(Roble)

0.6 - 0.9

Hielo 0.92

Agua 1.00

Ladrillos 1.84

Aluminio 2.70

8/7/2019 5 lab (+ o -)

4/19


Acero 7.80

Plata 10.50

Oro 19.30

Ligereza

Cuando Arqumedes se sumergi en la piscina, no slo not que el agua se desparramaba,sino que not algo que hacemos cuando nadamos, se sinti ms liviano. La habilidad de unobjeto de 'flotar' cuando est en un fluido se llama fuerza ligera, y est relacionada con ladensidad. Si un objeto es menos denso que el fluido donde est sumergido, l 'flotar' en el

fluido. Pero si es ms denso que el fluido se 'hundir'.

Este concepto explica por qu algunos objetos flotan en el agua y otros se hunden. Porejemplo, la madera flota en el agua porque es menos densa, en cambio el acero se hunde

porque es ms denso que el agua. Cmo se mantiene a flote un gran barco? Los barcosgrandes tienen una tremenda cantidad de espacio en ellos que est lleno de aire (piense enesto: cabinas, cines, casinos en barcos, etc.). Mientras que el acero es ms denso que elagua, el aire es menos denso. Los barcos de metal pueden flotar porque la densidad total esmenor que la densidad del agua en la que flotan. Cuando el casco de un barco se quiebra,

como cuando el Titanic choc con un iceberg, el agua se precipita en el barcoreemplazando al aire en el casco del barco. Es as que la densidad total del barco cambiacuando el barco se hunde.

Este concepto que describe la densidad que cambia es comnmente empleado en otro tipode barco, el submarino. Un submarino tiene un volumen constante pero puede variar sumasa cuando retiene agua en sus tanques de balastro. Cuando el agua en los tanques de

balastro, la masa, (y por consiguiente la densidad) del submarino aumenta y el submarinoalcanza una ligereza negativa, eso le permite sumergirse en las profundidades del ocano.Al contrario, cuando el agua se sale del tanque de balastro, la densidad del barco baja

permitindole salir a la superficie.Este concepto de densidad tambin explica otro fenmeno comn. Ha notado lo que le

pasa a una botella de alio hecho de aceite y vinagre cuando se queda en reposo despus deque ha sido movida? El aceite sube y el vinagre se queda en el fondo de la botella. Esto

pasa porque el aceite es menos denso que el vinagre. Cuando materias de densidadesdiferentes entran en contacto, sus densidades determinan cmo se ordenan. Este fenmeno,donde las materias se acomodan de acuerdo a sus densidades se llama superposicin.

Otro factor que puede afectar la densidad de la materia es la temperatura. Muchos materialesse expanden cuando son calentados. Ya que los materiales que se expanden ocupan unvolumen mayor, su densidad disminuye. Este hecho ocurre ms comnmente con gases yalgunos lquidos y explica cmo funcionan los globos de aire caliente. Cuando el aire dentro

8/7/2019 5 lab (+ o -)

5/19


del globo se calienta, este se expande y su densidad disminuye. El globo adquiere ligerezapositiva con respecto al aire fro que lo rodea y flota en el aire.

La densidad es una propiedad fsica importante de la materia. Es usada comnmente comouna manera de categorizar e identificar diferentes materiales. Adems, una adecuadacomprensin del concepto de densidad es muy importante para construir barcos y algo tanliviano como los globos de aire caliente.

PROCEDIMIENTO

1. Determinacin de la masa del cuerpo. Con el objeto Q suspendido del brazomayor de la balanza, equilibrar a esta mediante el contrapeso C. Luego retirar elobjeto pero sin tocar el contrapeso y restablecer el equilibrio de la balanza mediantela colocacin adecuada de los jinetillos y tomar nota de la posicin de los jinetillos.

2. Determinacin del empuje. Equilibrar la balanza con el peso Q utilizando

solamente el contrapeso C. Colocar bajo Q un recipiente con aguapara sumergirlo

totalmente y mediante los jinetillos restableces el equilibrio. Tomar nota de las

nuevas posiciones de los jinetillos

CALCULOS Y RESULTADOS

Para esta primera parte del laboratorio cuyo fin es hallar la densidad de algunos objetosutilizaremos la ley de equilibrio que dice la suma de momentos con respecto a un punto esigual a cero.(el punto al cual tomaremos es un punto o que viene a ser el codo del brazo dela balanza de Mohor).

* Primero calcularemos para un objeto 1 que tiene una masa de 0.0102Kg (P6)

35

469

10.16.1

11368.0..

10)098.0(10.)09996.0(4).0098.0(

)10()2(.)6(.)4.(

0

mV

gVolumenE

E

dEdPdPdP

M

agua

o

=

==

=++

=++

=

Luego de la definicin de densidad (densidad = masa / volumen)

8/7/2019 5 lab (+ o -)

6/19


353.79.8

10.16,1

0102.0

m

Kg

volumenmasadensidad

==

=

*segundo hallaremos la densidad de otro objeto 2 , cuya masa es .(P5), mediante elmismo criterio expuesto anteriormente(suma de momentos igual a cero)

35

529

10.505,2

24549.0..

1010)2246.0(1.)2009.0(3).0098.0(

)10()10(.)1(.)3.(

0

mV

gVolumenE

E

dEdPdPdP

M

agua

o

=

==

=++

=++

=

Luego de la definicin de densidad (densidad = masa / volumen)

35187,906

10.505,2

0227.0

m

Kgdensidad

volumen

masadensidad

==

=

*Ahora calcularemos la densidad de una esfera de teknopor utilizado el mtodo anterior.Donde de la esfera de teknopor esta suspendida el peso5

8/7/2019 5 lab (+ o -)

7/19


3

55

35

55

5

579234

624,181

...

(*))1(Re

10441,3

)1.........(...

:

....(*)..........337218.0..

1010)23912.0(9)0098.0(3)2009.0(2.)09604.0(1).098.0(

)10()10)(..()9(.)3(.)2(.)1.(

0

mkg

Densidad

M

DensidadMEDensidadM

enmplazando

mxVolumen

DensidadMDensidadMVolumen

volumenvolumenVolumen

donde

gVolumenE

E

dEdPPdPdPdPdP

M

esfera

esfera

pesopeso

esferaesfera

pesopesoesfera

pesfera

agua

o

=

=

=

+=

+=

==

=++++

=+++++

=

8/7/2019 5 lab (+ o -)

8/19


TENSION SUPERFICIAL

INTRODUCCIN

En fsica se denomina tensin superficial al fenmeno por el cual la superficie de un lquidotiende a comportarse como si fuera una delgada pelcula elstica. Este efecto permite aalgunos insectos, como el zapatero (Hydrometra stagnorum) , desplazarse por la superficie delagua sin hundirse. La tensin superficial (una manifestacin de las fuerzas intermolecularesen los lquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los lquidos y las superficies slidas queentran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad, por ejemplo.

A nivel microscpico, la tensin superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cadamolcula son diferentes en el interior del lquido y en la superficie. As, en el seno de unlquido cada molcula est sometida a fuerzas de atraccin que en promedio se anulan. Esto

permite que la molcula tenga una energa bastante baja. Sin embargo, en la superficie hayuna fuerza neta hacia el interior del lquido. Rigurosamente, si en el exterior del lquido setiene un gas, existir una mnima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad estafuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el lquido y el gas.

La tensin superficial tiene como principal efecto la tendencia del lquido a disminuir en loposible su superficie para un volumen dado, de aqu que un lquido en ausencia de gravedadadopte la forma esfrica, que es la que tiene menor relacin rea/volumen.

Energticamente, las molculas situadas en la superficie tiene una mayor energa promedioque las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema ser a disminuir la energatotal, y ello se logra disminuyendo el nmero de molculas situadas en la superficie, de ah lareduccin de rea hasta el mnimo posible.

Tensin superficial en loslquidos

En un fluido cada molcula interacciona con las que le rodean. El radio de accin de lasfuerzas moleculares es relativamente pequeo, abarca a las molculas vecinas ms cercanas.

8/7/2019 5 lab (+ o -)

9/19


Vamos a determinar de forma cualitativa, la resultante de las fuerzas de interaccin sobre unamolcula que se encuentra en

A, el interior del lquido B, en las proximidades de la superficie C, en la superficie

Consideremos una molcula (en color rojo) en el seno de un lquido en equilibrio, alejada dela superficie libre tal como la A. Por simetra, la resultante de todas las fuerzas atractivas

procedentes de las molculas (en color azul) que la rodean, ser nula.

En cambio, si la molcula se encuentra en B, por existir en valor medio menos molculas

arriba que abajo, la molcula en cuestin estar sometida a una fuerza resultante dirigida haciael interior del lquido.

Si la molcula se encuentra en C, la resultante de las fuerzas de interaccin es mayor que en elcaso B.

La fuerzas de interaccin, hacen que las molculas situadas en las proximidades de lasuperficie libre de un fluido experimenten una fuerza dirigida hacia el interior del lquido.

Como todo sistema mecnico tiende a adoptar espontneamente el estado de ms baja energapotencial, se comprende que los lquidos tengan tendencia a presentar al exterior la superficie

ms pequea posible.

8/7/2019 5 lab (+ o -)

10/19


Coeficiente de tensin superficial

Se puede determinar la energa superficialdebida a la cohesin mediante el dispositivode la figura.

Una lmina de jabn queda adherida a unalambre doblada en doble ngulo recto y aun alambre deslizante AB. Para evitar que lalmina se contraiga por efecto de las fuerzasde cohesin, es necesario aplicar una fuerzaFal alambre deslizante.

La fuerza F es independiente de la longitud x de la lmina. Si desplazamos el alambredeslizante una longitud x, las fuerzas exteriores han realizado un trabajoF x, que se habrinvertido en incrementar la energa interna del sistema. Como la superficie de la lminacambia en S=2d x (el factor 2 se debe a que la lmina tiene dos caras), lo que supone que

parte de las molculas que se encontraban en el interior del lquido se han trasladado a lasuperficie recin creada, con el consiguiente aumento de energa.

Si llamamos a la energa por unidad de rea, se verificar que

la energa superficial por unidad de rea o tensin superficial se mide en J/m2 o en N/m.

La tensin superficial depende de la naturaleza del lquido, del medio que le rodea y de latemperatura. En general, la tensin superficial disminuye con la temperatura, ya que lasfuerzas de cohesin disminuyen al aumentar la agitacin trmica. La influencia del medioexterior se comprende ya que las molculas del medio ejercen acciones atractivas sobre lasmolculas situadas en la superficie del lquido, contrarrestando las acciones de las molculasdel lquido.

Tensin superficial de los lquidos a 20C

Lquido (10-3 N/m)Aceite de oliva 33.06

Agua 72.8

Alcohol etlico 22.8

Benceno 29.0

8/7/2019 5 lab (+ o -)

11/19


Glicerina 59.4

Petrleo 26.0

Fuente: Manual de Fsica, Koshkin N. I. , Shirkvich M. G.. Editorial Mir (1975)

Medida de la tensin superficial de un lquido

El mtodo de Du Nouy es uno de los ms conocidos. Se mide la fuerza adicional Fque hayque ejercer sobre un anillo de aluminio justo en el momento en el que la lmina de lquido se

va a romper.

La tensin superficial del lquido se calcula a partir deldimetro 2R del anillo y del valor de la fuerza Fquemide el dinammetro.

El lquido se coloca en un recipiente, con el anilloinicialmente sumergido. Mediante un tubo que hace desifn se extrae poco a poco el lquido del recipiente.

En la figura se representa:

1. El comienzo del experimento2. Cuando se va formando una lmina de lquido.

3. La situacin final, cuando la lmina comprende nicamente dos superficies (en estasituacin la medida de la fuerza es la correcta) justo antes de romperse.

Si el anillo tiene el borde puntiagudo, el peso del lquido que se ha elevado por encima de lasuperficie del lquido sin perturbar, es despreciable.

8/7/2019 5 lab (+ o -)

12/19


No todos los laboratorios escolares disponen de un anillo para realizar la medida de la tensinsuperficial de un lquido, pero si disponen de portaobjetos para microscopio. Se trata de una

pequeo pieza rectangular de vidrio cuyas dimensiones son a=75 mm de largo, b=25 mm deancho y aproximadamente c=1 mm de espesor, su peso es aproximadamente 4.37 g.

Se pesa primero el portaobjetos en el aire y a continuacin, cuando su borde inferior toca lasuperficie del lquido. La diferencia de peso Fest relacionada con la tensin superficial

F=2(a+c)

Se empuja el portaobjetos hacia arriba cuasiestticamente. Justamente, cuando va a dejar detener contacto con la superficie del lquido, la fuerza Fque hemos de ejercer hacia arriba esigual a la suma de:

El peso del portaobjetos mg La fuerza debida a la tensin superficial de la lmina de lquido que se ha formado

2(a+c) El peso del lquidogach que se ha elevado una altura h, sobre la superficie libre de

lquido. Siendo es la densidad del lquido.

Para un portaobjetos de la dimensiones sealadas, que toca la superficie del agua, h es delorden de 2.3 mm (vase el artculo citado en las referencias)

La fuerza debida a la tensin superficial es 2(a+c)=272.810-3(0.075+0.001)=11.0710-3 N

El peso de la lmina de agua es del orden degach=10009.80.0750.0010.0023=1.7010-3 N

Para que la simulacin sea lo ms simple posible, no se ha tenido en cuenta el peso de lalmina de lquido que se eleva por encima de la superficie libre.

MEDICION DE LA TENSION SUPERFICIAL DEL AGUA:

8/7/2019 5 lab (+ o -)

13/19


Existen varios mtodos para medir la tensin superficial de un lquido. Uno de ellos consisteen utilizar un anillo de platino que se coloca sobre la superficie del agua. Se mide la fuerza

que se requiere para separar el anillo de la superficie del agua con una balanza de altaprecisin.

Diagrama 3. Cuerpo libre del anillo de DuNoy

Ejemplo de tensin superficial

IMPORTANCIA DE LA TENSION SUERFICIAL:
http://citt.ufl.edu/Marcela/Sepulveda/html/diagramas/cuerpo_libre_anillo_DuNoy.htmhttp://citt.ufl.edu/Marcela/Sepulveda/html/diagramas/cuerpo_libre_anillo_DuNoy.htm

8/7/2019 5 lab (+ o -)

14/19


La tensin superficial explica muchos fenmenos caractersticos del estado liquido, porejemplo la formacin de gotas cuando el liquido sale a travs de orificios pequeos, la

formacin de espuma, etc.La tensin superficial da lugar a que el lquido no pase a travs de mallas muy finas porejemplo a travs del tejido de los paraguas o de las lonas de las tiendas de campaa

PRIMER METODO:

Un anillo con su plano de posicin horizontal se sumerge en un lquido. Al pretender extraerel anillo del lquido se nota que es necesario ejercer una fuerza superior al peso del anillo.Esto se debe a que en el instante de la separacin se forma una pelcula superficial en elinterior y otra en el exterior del anillo. El valor de esta fuerza adicional dividida entre el doblede la longitud del anillo viene a ser el coeficiente de la tensin superficial del liquido.

PROCEDIMIENTO:

Suspenda en la balanza el anillo y el vasito de plstico estableciendo el equilibrio con elcompensador o contrapeso.

Llene agua en el vaso de plstico y con ayuda de la pipeta graduar el nivel del liquido demodo que estando el anillo en la superficie del agua, se restablezca el equilibrio pero sintocar el compensador.

Vaci arena suavemente en la vasija de plstico hasta que justamente se desprenda el anillodel lquido.

Retire el agua y con ayuda de los jinetillos restablezca el equilibrio para calcular la fuerzanecesaria para vencer la tensin superficial.

CALCULO DE LA TENSION SUPERFICIAL:

8/7/2019 5 lab (+ o -)

15/19


Fuerza x 10 = P3 x 2+ P9 x 4

P3 = 0.09604 NP9 = 0.0098 NFuerza x 10 = 0.09604 x 2 + 0.0098 x 4Fuerza x 10 = 0.23128Fuerza =0.023128

Segn el mtodo de DuNoy

R

F

2.2

=

F = 0.0231282R = 0.035

= 310105 x N/m a 26 CSEGUNDO METODO

a. Sumerja el sistema formado por los tubitos de vidrio y el hilo en una solucinjabonosa, luego suspndalo en su soporte a fin de medir las magnitudes necesarias para poder calcular el coeficiente de tensin superficial mediante la formulaencontrada.

8/7/2019 5 lab (+ o -)

16/19


Clculos y Resultados

Masa total del sistema mostrado es de 4,3 grs (masa del tubo inferior es de 1,8 grs)

2a = 5,4 cm2b = 4,6cm2h = 5,6 cm

P = peso del tubo inferior del sistemaEs de 0,01764 N.

a b = 0,4 cm = mx 2104,0

*) Determinaremos el coeficiente

++

=

baba

h

P

2

2

++

=

22

2

22

103,2107,2104,0

)108,2(2

01764,0

xxx

x

203585,0

m

N=

*) Ahora determinaremos la tangente del ngulo

[ ]

tan4 ha

P

+=

[ ]tan108,2107,2401764,0

03585,022 +

=xx

Luego de operar se obtiene que:

8/7/2019 5 lab (+ o -)

17/19


429,3tan =

*) Calculando el radio formado debido a la tensin superficial de la segunda parte:

a + Rsen = b + Rh = Rcos R = (h/cos )

Reemplazando en la primera ecuacin se obtiene:

a + h tan = b + R reemplazamos los valores obtenidos.

Rxxx +=+ 222 103,2tan108,2107,2

Rxxxx +=+ 222 103,2429,3108,2107,2

100012,0=R m1,0R m

CONCLUSIONES

8/7/2019 5 lab (+ o -)

18/19


Tenemos varias formas de calcular la tensin superficial de un lquido, aun siendo las

dos algo inexactas, pueden servirnos para ciertos clculos.

La densidad, es la relacin masa volumen de un cuerpo, pudiendo ser medida de

distintas maneras.

Un cuerpo de menor densidad que el agua, se hunde en ella.

La fuerza del agua, con la cual se forma una capa en ella, se llama Tensin Superficial.

Debido a la tensin superficial ciertos insectos pueden andar por el agua, debiendo ser

su peso menor al de ruptura de la capa.

Cada lquido tiene diferente tensin superficial debido a las fuerzas intermolecularesque existen en la interfase de cada lquido.

Al agregar detergente (sustancia tenso activo), el agua cambia su tensin superficial.

BIBLIOGRAFIA

FSICA Raymond .A Serway

8/7/2019 5 lab (+ o -)

19/19


FSICA II Humberto Leyva N.

FSICA UNIVERSITARIA FRANCIS W. SEARS

MARKW. ZEMANSKY

HUGH D. YOUNG

ROGERA. FREEDMAN

Castellan, Gilbert. Fisicoqumica. Segunda edicin. Editorial Addison Wesley

Longman.

Levine, Ira. Fisicoqumica. Cuarta edicin. Volumen 1. Mc Graw Hill. Sonnessa, Anthony. Principios de Qumica.

www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/tension/introduccion/introduccion.htm

citt.ufl.edu/Marcela/Sepulveda/html/tension.htm

5º lab (+ o -)

Documents

Transcript of 5º lab (+ o -)