LABORATORIO NÂº 3

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL

LABORATORIO DE FÍSICA II

LABORATORIO Nº 3: DENSIDAD Y TENSIÓN SUPERFICIAL

1. OBJETIVOS:

Determinar de manera experimental la densidad media de algunos cuerpos mediante la aplicación del Principio de Arquímedes.

Comprender mejor las propiedades de los líquidos para su buen uso en la vida cotidiana.

Determinar el coeficiente de tensión superficial de un líquido. Observar cómo actúa el empuje mediante el principio de Arquímedes. Poder determinar la masa de un cuerpo y el empuje que un líquido ejerce

sobre este cuando está totalmente sumergido. Comprobar de manera experimental la variación en el coeficiente de tensión

superficial al adicionar un agente tenso activo a dicho líquido.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO:

La densidad media de un objeto cualquiera se define como el cociente entre la masa y el volumen de dicho objeto. Si el objeto es de un material homogéneo entonces dicha densidad media del objeto será también la densidad del material.

Definamos algunos conceptos que vamos a utilizar como herramienta para desarrollar el laboratorio:

Fluido

Es una sustancia incapaz de resistir fuerzas o esfuerzos de corte sin separarse, mientras que un sólido si puede hacerlo. Los fluidos pueden ser líquidos y gases:

Líquidos

Están sometidos a fuerzas intermoleculares que los mantienen unidos de tal forma que su volumen es definido, pero su forma no. Los líquidos son ligeramente compresibles y su densidad varía poco con la temperatura o presión.

Densidad: Para un fluido homogéneo está definida como una relación de su masa y el volumen que tiene u ocupa, depende de la temperatura y la presión para los gases, en cambio para los líquidos la variación es pequeña.

D = ρ = M/V, [Kg/m3]

Unidades de densidad: Unidades de densidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI).

Kilogramo por metro cúbico (kg/m³)

Gramo por centímetro cúbico (g/cm³)



Kilogramo por litro (kg/L). El agua tiene una densidad próxima a 1 kg/L

1 kg/L = 1 g/cm³ = 1 g/mL

Gramo por mililitro (g/mL), que equivale a (g/cm³).

Peso específico: Es el cociente entre el peso del cuerpo por la unidad de volumen.Pe = γ = P/Vγ = ρ.g

Principio de Arquímedes

El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido estático, será empujado con una fuerza vertical ascendente igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newton (en el SI).

El principio de Arquímedes se formula así:

E = ρgVsum

Tensión superficial

En física se denomina tensión superficial de un líquido a la cantidad de energía necesaria para disminuir su superficie por unidad de área.1 Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para disminuir su superficie. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero, 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

(Diagrama de fuerzas intermoleculares)



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 `` ``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.

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.

3. EQUIPOS UTILIZADOS:

Tres objetos cuyas densidades medias se desea determinar



Un vaso grande y un recipiente

Una pipeta sin graduar

Una balanza con dos jinetillos de 10g y una de 1g



4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

1) Determinación de la masa del cuerpo

Con el objeto suspendido del brazo mayor de la balanza, equilibrar a esta mediante el contrapeso en forma de cilindro.

Luego tirar el objeto pero sin tocar el contrapeso y restablecer el equilibrio de la balanza mediante la colocación adecuada de los jinetillos y tomar nota de la posición de los jinetillos.

DENSIDAD

con el objetosuspendido del brazo de la balanza

loequilibramos mediante un contrapeso.

luego retiramos el objeto pero sin tocar el

contrapeso y restablecer el equilibrio colocando los jinetillos

luego proceder a hallar la masa del objeto en

estudio .



2) Determinación del empuje

Equilibrar la balanza con el peso utilizando solamente el contrapeso cilíndrico. Colocar bajo la masa un recipiente con agua para sumergirlo totalmente y mediante los jinetillos restablecer el equilibrio.

Tomar nota de las nuevas posiciones de los jinetillos.

5. CÁLCULOS Y RESULTADOS:

Pesando con la balanza cada jinetillo se obtuvo que:

TENSIÓN SUPERFICIAL

equilibramos la balanza solamente utilizando el

contrapeso

colocamos un recipiente con agua para sumergirlo el objeto y mediante los jinetillos restablecer el

equilibrio

luego proceder con el calculo de la tensión

superficial



m1=1.5 g

m2=19.5 g

6. OBSERVACIONES:

Se observa que es posible determinar la masa de un cuerpo aplicando momentos de fuerza en dicha balanza.

Se observa que el tecno por es un material que fácilmente flota en el agua; al contrario, las masitas de metal se hunden en ella.

Además, que para poder calcular la densidad de un cuerpo de baja densidad (menor que la del líquido, que en este caso es agua), es necesario adicionarle una pesa más para que esta puede sumergirse completamente en ella.

También se observa que la densidad media de la bolita de tecno por es menor que la del agua.

Se debe tener en cuenta también que al realizar alguna medida esta conlleva una incertidumbre, ya sea por la poca precisión del instrumento o por el medidor en sí.

Se nota además que al sumergir un anillo dentro del agua, los bordes de este son atrapados por una porción de agua que ejerce una fuerza sobre el anillo al intentar sacar el anillo de la superficie.

Se puede apreciar también que es posible capturar una película de un líquido como hicimos en el caso del agua con detergente y que este mantiene una forma rectangular con dos lados curveados hacia dentro.

7. CONCLUSIONES:

Para los alumnos es más fácil comprender la ciencia si hacen experimentos, si se manipulan o si se observan. Algunas experiencias que no requieren de aparatos ni sustancias sofisticadas y que no son caros, se pueden llevar a cabo dentro del aula. En particular, para comprender las nociones de



densidad y tensión superficial, es conveniente demostrar algunas propiedades de aquellos líquidos y sólidos que tienen a su alcance todos los días.

Como se observó, la densidad del tecno por resultó menor que la del agua; por lo que se deduce que todo cuerpo con menor densidad que la de cierto líquido puede flotar en dicho líquido; mientras que si su densidad es mayor, este se sumergirá.

También se deduce que el empuje de un líquido afecta a cualquier cuerpo que se sumerja o parte de este en dicho líquido mediante el principio de Arquímedes.

8. BIBLIOGRAFÍA:

FÍSICA UNIVERSITARIA VOLUMEN I, Sears, Zemansky, Young, Fredman, Pearson

FÍSICA VOLUMEN I, Tipler , Mosca, Reverte FÍSICA II , Leyva Naveros, Moshera

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