LABORATORIO DE FSICA I

Universidad Nacional de Ingeniera

Facultad de Ingeniera Mecnica

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

Facultad de Ingeniera MecnicaDENSIDAD Y TENSION SUPERFICIAL

CURSO: Laboratorio de Fsica II

PROFESOR: Osorio, Daniel

ALUMNO(S): Huamn Rodrguez, Guillermo E

Gallardo Llanos, Daniel D

Vega Llapapasca, Edwin E

CICLO: 2008-II LABORATORIO DE FSICA I

OBJETIVOS DE LA FISICA EXPERIMENTAL Familiarizarse con el papel central del experimento en la fsica, y por extensin en las ciencias naturales.

Motivacin por el entendimiento de los procesos fsicos, fomentando la creatividad y reforzando la autoconfianza.

Asimilacin de los conceptos aprendidos en la teora a travs de la vivencia en el laboratorio.

Desarrollo de la capacidad de utilizar tcnicas de medicin y mtodos de experimentacin, e interpretacin de los datos y el informe de laboratorio.

El objetivo principal del laboratorio de fsica experimental es complementar el estudio terico, es decir, las prcticas demuestran los principios de la fsica, generalmente desde un punto de vista adicional a lo visto en clase.

EXPERIMENTO N 04: DENSIDAD Y TENSION SUPERFICIALLa fsica es una ciencia experimental. En la cual se busca deducir las leyes que interpretan los fenmenos de la naturaleza. Estas leyes se corroboran a travs de experimentos.

Objetivos:

Determinar la densidad media de algunos cuerpos mediante la aplicacin del principio de Arqumedes.

Determinar el coeficiente de tensin superficial de un lquido.

Fundamento terico:

Densidad:

En fsica el trmino densidad () es una magnitud referida a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen, y puede utilizarse en trminos absolutos o relativos. En trminos sencillos, un objeto pequeo y pesado, como una piedra o un trozo de plomo, es ms denso que un objeto grande y liviano, como un corcho o un poco de espuma.Densidad absoluta

La densidad absoluta o densidad normal, tambin llamada densidad real, expresa la masa por unidad de volumen. Cuando no se hace ninguna aclaracin al respecto, el trmino densidad suele entenderse en el sentido de densidad absoluta. La densidad es una propiedad intensiva de la materia producto de dos propiedades extensivas e intensivas.

Densidad relativa

La densidad relativa o aparente expresa la relacin entre la densidad de una sustancia y la densidad del agua, resultando una magnitud adimensional. La densidad del agua tiene un valor de 1 kg/l a las condiciones de 1 atm y 4 C equivalente a 1000 kg/m3. Aunque la unidad en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es kg/m3, tambin es costumbre expresar la densidad de los lquidos en g/cm3.Unidades de densidad

Unidades de densidad en el SI son:

kilogramo por metro cbico (kg/m)

gramo por centmetro cbico (g/cm) Unidades fuera del SI:

En gases suele usarse como gramo por decmetro cbico (g/dm) (Usado as para poder simplificar con la constante universal R = 0.082 atm * dm / K mol)

kilogramo por litro (kg/L). El agua generalmente tiene una densidad alrededor de 1kg/L, haciendo de esta una unidad conveniente.

gramo por mililitro (g/mL), que esquivale a (g/cm).

Tambin hay equivalencias numricas de kg/L (1kg/L= 1g/cm= 1g/mL).

Otras unidades usadas en el Sistema Anglosajn de Unidades son:

onza por pulgada cbica (oz/in3)

libra por pulgada cbica (lb/in3)

libra por pie cbico (lb/ft3)

libra por yarda cbica (lb/yd3)

libra por galn (lb/gal)

libra por bushel americano (lb/bu)

slug por pie cbico. Densidad media y puntual

Para un material homogneo, la frmula masa/volumen puede aplicarse sin reparos. En el caso de un objeto no homogneo, en cambio, dicha frmula tiene el problema de que las densidades de las distintas partes son diferentes. En este caso, se puede medir la "densidad media", aplicando la frmula masa/volumen a todo el objeto, o la "densidad puntual" que ser distinta en cada punto del objeto. En esta variante, la frmula se aplica a cada porcin del objeto que sea homognea (a cada fase).

Por ejemplo, un vaso con agua es un objeto con dos partes. Si uno considera la densidad en cada punto, sta es distinta para el agua y para el vidrio. La densidad media, en cambio, es una sola para todo el objeto, y resultar intermedia entre la densidad del agua y la del vidrio. La densidad media de un material no es una propiedad intrnseca y depende de la forma en la que el material haya sido tratado: si est en granos o en polvo ocupar ms espacio que si est en forma compacta.Medicin de densidad

Si se aplican las frmulas de la seccin anterior, la densidad se puede medir en forma indirecta; se miden la masa y el volumen por separado, y luego se calcula la densidad. La masa se mide habitualmente con una balanza, mientras que el volumen puede medirse determinando la forma del objeto y midiendo las longitudes apropiadas, o mediante el desplazamiento de un lquido, entre otros mtodos.

Un instrumento muy comn para medir en forma directa la densidad de un lquido es el densmetro. Un instrumento menos comn es el picnmetro, y en el caso de gases, el picnmetro de gas. Otra posibilidad para determinar las densidades de lquidos y gases es utilizar un instrumento digital basado en el principio del tubo en U oscilanteCambios de densidad

En general, la densidad de un material vara al cambiar la presin o la temperatura. Se puede demostrar[citarequerida], utilizando la termodinmica que al aumentar la presin debe aumentar la densidad de cualquier material estable. En cambio, si bien al aumentar la temperatura usualmente decrece la densidad de los materiales, hay excepciones notables. Por ejemplo, la densidad del agua lquida crece entre el punto de fusin (a 0C) y los 4C y lo mismo ocurre con el silicio a bajas temperaturas

El efecto de la temperatura y la presin en los slidos y lquidos es muy pequeo, por lo que tpicamente la compresibilidad de un lquido o slido es de 106bar1 (1bar=0.1MPa) y el coeficiente de dilatacin trmica es de 105K1.

Por otro lado, la densidad de los gases es fuertemente afectada por la presin y la temperatura. La ley de los gases ideales describe matemticamente la relacin entre estas tres magnitudes:

donde R es la constante universal de los gases ideales, P es la presin del gas, m su masa molar, y T la temperatura absoluta.

Eso significa que un gas ideal a 300K (27C) y 1bar duplicar su densidad si se aumenta la presin a 2bar o, alternativamente, se reduce su temperatura a 150K.Tensin superficial:

En fsica se denomina tensin superficial al fenmeno por el cual la superficie de un lquido tiende a comportarse como si fuera una delgada pelcula elstica. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero (Hydrometra stagnorum) , desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensin superficial (una manifestacin de las fuerzas intermoleculares en los lquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los lquidos y las superficies slidas que entran 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 cada molcula son diferentes en el interior del lquido y en la superficie. As, en el seno de un lquido 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 hay una fuerza neta hacia el interior del lquido. Rigurosamente, si en el exterior del lquido se tiene un gas, existir una mnima fuerza atractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza 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 lo posible su superficie para un volumen dado, de aqu que un lquido en ausencia de gravedad adopte la forma esfrica, que es la que tiene menor relacin rea/volumen.

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

Propiedades La tensin superficial suele representarse mediante la letra . Sus unidades son de Nm-1=Jm-2 (vase anlisis dimensional).

Algunas propiedades de :

> 0, ya que para aumentar el estado del lquido en contacto hace falta llevar ms molculas a la superficie, con lo cual disminuye la energa del sistema y es , o la cantidad de trabajo necesario para llevar una molcula a la superficie.

depende de la naturaleza de las dos fases puestas en contacto que, en general, ser un lquido y un slido. As, la tensin superficial ser igual por ejemplo para agua en contacto con su vapor, agua en contacto con un gas inerte o agua en contacto con un slido, al cual podr mojar o no (vase capilaridad) debido a las diferencias entre las fuerzas cohesivas (dentro del lquido) y las adhesivas (lquido-superficie).

se puede interpretar como un fuerza por unidad de longitud (se mide en Nm-1). Esto puede ilustrarse considerando un sistema bifsico confinado por un pistn mvil, en particular dos lquidos con distinta tensin superficial, como podra ser el agua y el hexano. En este caso el lquido con mayor tensin superficial (agua) tender a disminuir su superficie a costa de aumentar la del hexano, de menor tensin superficial, lo cual se traduce en una fuerza neta que mueve el pistn desde el hexano hacia el agua.

El valor de depende de la magnitud de las fuerzas intermoleculares en el seno del lquido. De esta forma, cuanto mayor sean las fuerzas de cohesin del lquido, mayor ser su tensin superficial. Podemos ilustrar este ejemplo considerando tres lquidos: 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 hidrgeno, de mayor intensidad, y el mercurio est sometido al enlace metlico, la ms intensa de las tres. As, la de cada lquido crece del hexano al mercurio.

Para un lquido dado, el valor de disminuye con la temperatura, debido al aumento de la agitacin trmica, lo que redunda en una menor intensidad efectiva de las fuerzas intermoleculares. El valor de tiende a cero conforme la temperatura se aproxima a la temperatura crtica Tc del compuesto. En este punto, el lquido es indistinguible del vapor, formndose una fase continua donde no existe una superficie definida entre ambos. Tensoactividad

Se denomina tensoactividad al fenmeno por el cual una sustancia reduce la tensin superficial al disolverse en agua u otra solucin acuosa. Su frmula es 2 Pi*D*Y = F; donde:

-D = Dimetro. -Y = Tensin Superficial -F = FuerzaCapilaridad

La capilaridad es la cualidad que posee una sustancia para absorber un lquido. Sucede cuando las fuerzas intermoleculares adhesivas entre el lquido y el slido son mayores que las fuerzas intermoleculares cohesivas del lquido. Esto causa que el menisco tenga una forma curva cuando el lquido est en contacto con una superficie vertical. En el caso del tubo delgado, ste succiona un lquido incluso en contra de la fuerza de gravedad. Este es el mismo efecto que causa que los materiales porosos absorban lquidos.

Materiales:

Tres objetos cuyas densidades se desean hallar

Un vaso grande

Un recipiente

Una pipeta graduada

Una balanza con jinetillos

Un anillo

Un dispositivo formado por dos tubitos don hilo y un soporte

Hoja de datos:

Clculos y resultados:

Densidad1. Determine la densidad de cada una de las dos muestras metlicas.

Para la determinacin de la densidad de estas muestras se usaron 5 jinetillos, cuyas masas fueron:

20.5g20.3g10g10g1.2g

A partir de estas y siguiendo los pasos correspondientes se obtuvieron las masas y volmenes de las muestras, tal como sigue:

Muestra 1: Bronce

La masa (tanto aqu como en las dems muestras) se obtuvo a travs de un balance de momentos:

El volumen fue hallado tambin por medio de un balance de momentos, en el que actuaba el empuje:

Muestra 2: Plomo

2. Determnese la densidad de un cuerpo de menor densidad que la del agua. Para ello unir el cuerpo con cada una de las muestras anteriores cuyo peso y densidad ya son conocidas.

En este caso se uni la muestra 2 a la muestra 3 (de menor densidad que el agua).

Muestra 3: Bolita de tecnopor:

Tensin superficial:De la primera experiencia sobre tensin superficial se pudieron obtener los siguientes datos:

D1=50mm

D2=56.5mm

g

A partir de los cuales, se obtuvo la siguiente fuerza de tensin superficial:

Adems:

De la segunda experiencia se obtuvieron los siguientes datos:

Obs.:

*Se midi la masa total del sistema (tubito mas hilo), para los clculos slo es necesario la masa de un tubito (el inferior), la cual tomaremos (sin prdida de mucha exactitud) como .

*Las medidas estn en milmetros.

Sabemos que la expresin que define el coeficiente de tensin superficial esta dado por:

Reemplazando nuestros datos obtenemos:

Conclusiones:

En un objeto compuesto por dos materiales (y solo dos) es posible hallar los pesos (individuales) de cada componente conociendo las densidades de cada uno y la masa total.

Cuando un cuerpo no est del todo sumergido actan sobre l las fuerzas de tensin superficial y empuje, aunque en los en la resolucin de problemas normalmente se toma solo el empuje.

El coeficiente de tensin superficial del agua (pura) es mayor al coeficiente de tensin superficial del agua jabonosa (por lo cual se lava mejor una prenda en agua jabonosa que solamente en agua).

Observaciones:

La densidad media (calculada en la experiencia) es una buena aproximacin de la densidad puntual de la muestra.

La densidad varia con la variacin de la temperatura (por la dilatacin) ,as como tambin con la variacin de presin(al aumentar la presin tambin aumenta la cohesin entre las molculas y por ende disminuye el volumen).

Es a causa de la tensin superficial que algunos materiales (normalmente los de forma lineal) ms densos que el agua flotan sobre ella.

Bibliografa:

www.wikipedia.com/tension-superficial www.monografias.com/densidad Manual de laboratorio de fsica

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