Labo 4y 5 Fico1 Tension.viscosidad

LABORATORIO DE FISICIQUIMICA I 1

TENSIÓN SUPERFICIAL & VISCOSIDAD

I. Objetivos:

I.1. . Determinar la tensión superficial de líquidos puros mediante el método de ascensión capilar.

I.2. Tener una idea concisa de como varia la densidad al variar la temperatura del alcohol isopropilico.

I.3. Determinar la viscosidad de líquidos puros a diferentes temperaturas, utilizando el viscosímetro de Ostwald.

I.4. Obtener una función que relacione la viscosidad con la temperatura.

II. Marco teórico:II.1. Tensión superficial.

Se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. 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.

A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existirá una mínima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y el gas.

Otra manera de verlo es que una molécula en contacto con su vecina está en un estado menor de energía que si no estuviera en contacto con dicha vecina. Las moléculas interiores tienen todas las moléculas vecinas

Diagrama de fuerzas entre dos moléculas


Que podrían tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas vecinas que las interiores y por eso tienen un estado más alto de energía. Para el líquido, el disminuir su estado energético es minimizar el número de partículas en su superficie. Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema será disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de área hasta el mínimo posible.

Como resultado de minimizar la superficie, esta asumirá la forma más suave que pueda ya que está probado matemáticamente que las superficies minimizan el área por la ecuación de Euler-Lagrange. De esta forma el líquido intentará reducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado de energía de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su potencial gravitacional.

II.2. Adhesión

La adhesión es la propiedad de la materia por la cual se unen dos superficies de sustancias iguales o diferentes cuando entran en contacto, y se mantienen juntas por fuerzas intermoleculares.

La adhesión ha jugado un papel muy importante en muchos aspectos de las técnicas de construcción tradicionales. La adhesión del ladrillo con el mortero (cemento) es un ejemplo claro.

La cohesión es distinta de la adhesión. La cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.

Unas gotas de agua adhiriéndose a una telaraña.

El mortero usado para mantener y sostener juntos los ladrillos es un ejemplo de la adhesión.

Tipos:

Adhesión mecánica

Los materiales adhesivos rellenan los huecos o poros de las superficies manteniendo las superficies unidas por enclavamiento. Existen formas a gran escala de costura, otras veces a media escala como


el velcro y algunos adhesivos textiles que funcionan a escalas pequeñas. Es un método similar a la tensión superficial

Adhesión química

Dos materiales pueden formar un compuesto químico al unirse. Las uniones más fuertes se producen entre átomos donde hay permutación (enlace iónico) o se comparten electrones (enlace covalente). Un enlace más débil se produce cuando un átomo de hidrógeno que ya forma parte de una partícula se ve atraída por otra de nitrógeno, oxígeno o flúor, en ese caso hablaríamos de un puente de hidrógeno.

Adhesión dispersiva

En la adhesión dispersiva, dos materiales se mantienen unidos por las fuerzas de van der Waals: la atracción entre dos moléculas, cada una de las cuales tiene regiones de carga positiva y negativa. En este caso, cada molécula tiene una región de mayor carga positiva o negativa que se une a la siguiente de carga contraria. Este efecto puede ser una propiedad permanente o temporal debido al movimiento continuo de los electrones en una región.

En la ciencia de superficies el término "adhesión" siempre se refiere a una adhesión dispersiva. En un sistema sólido-líquido-gas normal (como una gota de un líquido sobre una superficie rodeada de aire) el ángulo de contacto es usado para cuantificar la adhesividad. En los casos donde el ángulo de contacto es bajo la adhesión está muy presente. Esto se debe a que una mayor superficie entre el líquido y el sólido conlleva una energía superficial mayor.

Adhesión electrostática

Algunos materiales conductores dejan pasar electrones formando una diferencia de potencial al unirse. Esto da como resultado una estructura similar a un condensador y crea una fuerza electrostática atractiva entre materiales.

II.3. Cohesión

Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de una sustancia. La cohesión es diferente de la adhesión; la cohesión es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo, mientras que la adhesión es la interacción entre las superficies de distintos cuerpos.En el agua la fuerza de cohesión es elevada por causa de los puentes de hidrogeno que mantienen las moléculas de agua fuertemente unidas, formando una estructura compacta que la convierte en un líquido casi incompresible. Al no poder comprimirse puede funcionar en algunos animales como un esqueleto hidrostático, como ocurre en algunos gusanos perforadores capaces de agujerear la roca mediante la presión generada por sus líquidos internos.


II.4. Viscosidad

La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal. En realidad todos los fluidos conocidos presentan algo de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para ciertas aplicaciones. La viscosidad sólo se manifiesta en líquidos en movimiento.

Explicación de la viscosidad

Imaginemos un bloque sólido (no fluido) sometido a una fuerza tangencial (por ejemplo: una goma de borrar sobre la que se sitúa la palma de la mano que empuja en dirección paralela a la mesa.) En este caso (a), el material sólido opone una resistencia a la fuerza aplicada, pero se deforma (b), tanto más cuanto menor sea su rigidez.

Si imaginamos que la goma de borrar está formada por delgadas capas unas sobre otras, el resultado de la deformación es el desplazamiento relativo de unas capas respecto de las adyacentes, tal como muestra la figura (c).

Deformación de un sólido por la aplicación de una fuerza tangencial.

En los líquidos, el pequeño rozamiento existente entre capas adyacentes se denomina viscosidad. Es su pequeña magnitud la que le confiere al fluido sus peculiares características; así, por ejemplo, si arrastramos la superficie de un líquido con la palma de la mano como hacíamos con la goma de borrar, las capas inferiores no se moverán o lo harán mucho más lentamente que la superficie ya que son arrastradas por efecto de la pequeña resistencia tangencial, mientras que las capas superiores fluyen con facilidad. Igualmente, si revolvemos con una cuchara un recipiente grande con agua en el que hemos depositado pequeños trozos de corcho, observaremos que al revolver en el centro también se mueve la periferia y al revolver en la periferia también dan vueltas los trocitos de corcho del centro; de nuevo, las capas cilíndricas de agua se mueven por efecto de la viscosidad, disminuyendo su velocidad a medida que nos alejamos de la cuchara.

Cabe señalar que la viscosidad sólo se manifiesta en fluidos en movimiento, ya que cuando el fluido está en reposo adopta una forma tal en la que no actúan las fuerzas tangenciales que no puede resistir. Es por ello por lo que llenado un recipiente con un líquido, la superficie del mismo permanece plana, es decir, perpendicular a la única fuerza que actúa en ese momento, la gravedad, sin existir por tanto componente tangencial alguna.

Si la viscosidad fuera muy grande, el rozamiento entre capas adyacentes lo sería también, lo que significa que éstas no podrían moverse unas respecto de otras o lo harían muy poco, es decir, estaríamos ante un sólido. Si por el contrario la viscosidad fuera cero, estaríamos ante un superfluido que presenta propiedades notables como escapar de los recipientes aunque no estén llenos.


La viscosidad es característica de todos los fluidos, tanto líquidos como gases, si bien, en este último caso su efecto suele ser despreciable, están más cerca de ser fluidos ideales.

Expresiones cuantitativas

Existen diversos modelos de viscosidad aplicables a substancias que presentan comportamientos viscosos de diferente tipo. El modelo o tipo de fluido viscoso más sencillo de caracterizar es el fluido newtoniano, que es un modelo lineal (entre el gradiente de velocidades y las tensiones tangenciales) pero también existen modelos no lineales con adelgazamiento o espesamiento por cortante.

Fluido newtoniano

Esquema que permite entender la resistencia al avance de una placa horizontal sobre la superficie de un fluido newtoniano.

En un fluido newtoniano la fuerza de resistencia experimentada por una placa que se mueve a velocidad constante por la superficie de un fluido viene dada por:

Donde:

, coeficiente de viscosidad dinámica.

, área de la placa., altura del nivel de fluido o distancia entre la placa horizontal y el fondo del recipiente

que contiene al fluido.

Ley de Poiseuille

La ley de Poiseuille (también conocida como ley de Hagen-Poiseuille después de los experimentos llevados a cabo por Gotthilf Heinrich Ludwig Hagen (1797-1884) en 1839) es la ley que permite determinar el flujo laminar estacionario ΦV de un líquido incompresible y uniformemente viscoso (también denominado fluido newtoniano) a través de un tubo cilíndrico de sección circular constante. Esta ecuación fue derivada experimentalmente en 1838, formulada y publicada en 1840 y 1846 por Jean Louis Marie Poiseuille (1797-1869). La ley queda formulada del siguiente modo:


Donde:

V: es el volumen del líquido que circula en la unidad de tiempo t.

vmedia :la velocidad media del fluido a lo largo del eje z del sistema de coordenadas cilíndrico.

r : es el radio interno del tubo.

ΔP es la caída de presión entre los dos extremos.

h: es la viscosidad dinámica

L: la longitud característica a lo largo del eje z.

II.5. Viscosímetro de Ostwald

Es quizás el modelo que más se ha utilizado en la medida de viscosidades absolutas y

relativas en líquidos puros y biológicos, en sus mezclas y, especialmente, en fluidos

newtonianos. Se basa en la ley de Poiseuille que permite conocer la velocidad de flujo

de un líquido a través de un tubo, en función de la diferencia de presiones bajo las que

se establece el desplazamiento. La simplificación del tratamiento numérico facilita la

expresión que se aplica en la medida experimental. En donde:

Representa la viscosidad relativa del líquido problema, respecto al agua u otro líquido,

los tiempos de flujo del estándar y del líquido, respectivamente, y la densidad.

Dependencia de la viscosidad y la temperatura:


III. Materiales y equipos:

Viscosímetro de OstwaldTubos capilaresTermómetroVaso de precipitado de 500mL y 50mLPinzas; luna de relojRegla milimetradaEstufaBaño maríaAlcohol isopropilicoAgua destilada

IV. Procedimiento experimental:

IV.1. Tensión superficial:Armar un sistema regla milimetrada tubo capilar y alcohol isopropilico, para anotar la variación de alturas.Variar la temperatura del sistema externo comprendido por agua a diferentes temperaturas.Tomar anotaciones de las variaciones de altura y a que temperatura se realizó, para así verificar la densidad teórica en tablas.

Se tabuló la siguiente tabla:

T°C

VariaciónDe

alturah (mm)

DensidadC3H7OH(g/mL)teórico

Radio del capilar (mm)

Gravedad (m/s2)

Γ tensión superficial

(N/m)

10 9,5 0,7900 5 9,8 18,38x10-3

20 9,0 0,7877 5 9,8 17,37x10-3

30 8,5 0,7799 5 9,8 16,24x10-3

35 8,0 0,7772 5 9,8 15,23x10-3

La tensión superficial se halló con la siguiente formula:


Densidad vs variación de altura

Y = 0,0092X+0,7028

Variación de altura

Densidad g/mL

Procedimiento: enfriar o calentar el sistema; medir temperatura y altura


IV.2. Viscosidad:

Armar el sistema viscosímetro con el vaso de precipitado a diferentes temperaturas.Llenar el viscosímetro con el alcohol isopropilico a una altura prudente para poder llevar las mediciones de tiempo a diferentes temperaturas.Luego llenar con agua destilada el viscosímetro y tomar las mediciones de tiempo y temperatura de vaciado del agua.

Observación:

Las temperaturas que se realiza cada medición de tiempo deben de ser las mismas como para el agua que como para el alcohol.

Temperatura °C

Tensión superficial vs temperatura

Tensión superficial N/m


De las mediciones se obtuvo la siguiente tabla y que algunos datos se obtuvieron de teoría:

T °C T °KTiempoC3H7OH

(segundos)

TiempoAgua

(segundos)

ViscosidadC3H7OH

experimental(Centipoises)

ViscosidadAgua

teórico(centipoises)

DensidadC3H7OHteórico(g/mL)

DensidadAgua

teórico(g/mL)

12,0 285,15 20,2 6,4 3,09645 1.236 0,7934 0,99958

24,0 297,15 10,4 4,8 1,55250 0,911 0,7845 0,99738

35,5 308,65 9,6 4,3 1,23667 0,7096 0,7760 0,99408

42,5 315,65 8,4 4,2 0,96169 0,6185 0,7708 0,99146

50,0 323,45 7,4 4,0 0,78386 0,5470 0,7653 0,98802

La viscosidad del alcohol isopropilico se obtuvo utilizando la fórmula que sigue la ley de Poiseuille:

MEDICIONES DE TIEMPO Y TEMPERATURA

AGUA DESTILADAALCOHOL ISOPROPILICO


Observación:

Las densidades como la viscosidad del agua se hallaron de tablas de teóricas.

La grafica se obtuvo de la tabulación anterior.

Cálculos para hallar la ecuación de la curva

Ln(n) = A/T + B hacer la equivalencia

Y = AX + B

Utilizando el método numérico de mínimos cuadrados

Se obtiene que:

A = 3196,578 ; B = -10,1686

Reemplazando se obtiene:

Logarítmica: Ln(n) = 3196,578/T – 10,1686

Exponencial: n = 3,8355.10-5.e3196,578/T

VISCOSIDAD Cp

Y = 49816,84.e-0,034365/X

VISCOSIDAD vs TEMPERATURA

TEMPERATURA °K

Ln(n) 1/T (10-3)

1,13024 3,5069

0,439866 3,3613

0,21242 3,2399

-0,039063 3,1680

-0,243517 3,09454


V. Conclusiones:

Concluimos experimentalmente que la tensión superficial de un líquido varia negativamente al elevarse la temperatura, esto indica que la cohesión entre moléculas disminuye al igual que la adhesión que se genera dentro del capilar.

La resistencia al fluir del alcohol isopropilico disminuye al aumentar la temperatura debido a que su densidad también disminuye y la cohesión disminuye entre las moléculas de alcohol.

En variaciones de tiempo, disminuyen al incrementar la temperatura por la disminución en la resistencia al fluir el líquido dentro del viscosímetro.

VI. Bibliografía:

Castellan, Gilbert W. Fisicoquímica; Segunda Edición.

Don W. Green, Robert H. Perry. Manual del Ingeniero Químico; séptima edición.

Pons Muzzo, Gaston. Tratado de Química Física, A.F.A; sexta edición

http://es.wikipedia.org/wiki/Adhesi%C3%B3n

http://www.google.com.pe/search?q=fuerzas+cohesion+y+adhesion&hl=es&prmd=imvnsbfd&source=lnms&tbm=isch&ei=w-2hT-icKcrc0QHhhuTUDA&sa=X&oi=mode_link&ct=mode&cd=2&sqi=2&ved=0CBEQ_AUoAQ&biw=1600&bih=805

http://www.google.com.pe/search?q=dependencia+de+la+viscosidad+con+la+temperatura&hl=es&prmd=imvns&source=lnms&tbm=isch&ei=bv2hT83jOaXo0QGagZXWDA&sa=X&oi=mode_link&ct=mode&cd=2&ved=0CBEQ_AUoAQ&biw=1600&bih=805

http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Poiseuille

http://www.google.com.pe/search?q=viscosidad+vs+temperatura&hl=es&prmd=imvns&source=lnms&tbm=isch&ei=-jWiT5i9EOHn0QH_iLXWDA&sa=X&oi=mode_link&ct=mode&cd=2&sqi=2&ved=0CBEQ_AUoAQ&biw=1600&bih=805

http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Poiseuille







http://es.wikipedia.org/wiki/Adhesi%C3%B3n


VII. Anexos:

PROBLEMAS:

Problema1

A 20 °C, utilizando el viscosímetro de Ostwald, se encontró para el benceno, un tiempo de flujo de 183s. A esta temperatura, la densidad y la viscosidad del benceno son respectivamente, 0.88g/ml y 0.67x10-3 kg/ms. Al realizar el experimento con alcohol etílico, el tiempo de flujo fue de 378s. Si la densidad del alcohol es 0.79 g/ml a 20°C ¡cual es el coeficiente de viscosidad del alcohol etílico?

Solución:

Sea: benceno = A; alcohol = B

tₐ = 183s

μₐ = 0.67x10 ˉᶾ kg/m.s = 0.67cp

ρₐ = 0.88g/ml

tᵦ = 378s

ρᵦ= 0.79g/ml

Piden calcular “μᵦ”

La relación general de viscosidad para dos líquidos es:

Remplazando:

Problema 2

A 20 °C la densidad del nitrobenceno es de 1.2g/ml y el tiempo de flujo en el viscosímetro de Ostwald es de 134 segundos. Para el agua, en el mismo viscosímetro, el tiempo de flujo fue de 80


segundos. Asumir 1 G/ml, la densidad del H₂O a 20 °C se pide calcular el índice de viscosidad del nitrobenceno

Solución:

Problema 3

Se tiene un tubo capilar de 0.5mm de radio, colocado sobre mercurio líquido. ¿Cuál será la depresión capilar si la tensión superficial es 490 ergios/cm² y la densidad del mercurio es 13.6g/ml?

Solución:

Datos:


Problema 4

Un tubo capilar se calibro a 20°C usando agua. El agua subió 8.37cm. Una muestra de mercurio bajo a 3.67cm en el mismo capilar. Si el peso específico para el agua es 0.9982g/cmᶾ y su tensión superficial es 72.75dina /cm. Hallar la tensión superficial del mercurio y el radio del tubo capilar.


Problema 5

Las viscosidades en centipoises de la acetona líquida, a varias temperaturas, son como sigue:

Viscosidad cp.

0,399 0,337 0,316 0,295 0,280

T°C 0 15 25 30 41T °K 273 288 298 303 314

Trazando un gráfico el más conveniente y la formula que lo modele.


Cálculos para hallar la ecuación de la curva

Ln(n) = A/T + B hacer la equivalencia

Y = AX + B

Utilizando el método numérico de mínimos cuadrados

Se obtiene que:

A=750,0677 ; B= -3,677

Reemplazando se obtiene:

Logarítmica: Ln(n) = 750,0677/T – 3,677

Exponencial: n = 0,0253.e-750,0677/T

Ln(n) 1/T(10-3)

Ln(0,399) 3,663

Ln(0,337) 2,472

Ln(0,316) 3,356

Ln(0,295) 3,300

Ln(0,28) 3,185

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