Informe 01 - Propiedades de Los Fluidos

“PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS: DENSIDAD, VOLUMEN ESPECÍFICO Y PESO ESPECÍFICO.”

POR:

JETRO GOMEZ RIOS

GRUPO: DD

PRESENTADO A: ING. ANA GARRIDO DE CORREA

UNIVERSIDAD DE LA COSTA - CUC FACULTAD DE INGENIERIA LABORATORIO DE MECANICA DE FLUIDOS

BARRANQUILLA, ATLANTICO 20/ 02 /13

TABLA DE CONTENIDO Pág.

Objetivos…… ……………………………………………..……...…..……3 Objetivo general…………………..………………………………………3 Objetivos específicos………….………………………………….………3 Introducción…………………….…………………………..……………...4 Marco teórico………………………………………………………………5 Materiales y equipos...………………………..………………..………....9 Procedimiento experimental y matemático……………………………..9 Datos experimentales y resultados…………………..………………….9 Cálculos…………………………………………………………………....10 Análisis de los resultados………………..…………………………..…...15 Conclusión…………………………………………………………..….….22 Bibliografía…………………………………………………………...…….23 Anexos……………………………………………………………….……..24

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OBJETIVOS Objetivo General: Determinar la densidad, el volumen específico y el peso específico de diferentes líquidos a una presión atmosférica y temperatura determinada. Objetivo especifico: Reconocer las propiedades de los fluidos líquidos. Determinar la densidad, el volumen específico y el peso específico de cada muestra de fluido. Comparar los resultados obtenidos en la práctica de laboratorio con los valores teóricos. Analizar los resultados obtenidos de la práctica de laboratorio Establecer conclusiones en base a los resultados obtenidos de la práctica de laboratorio.

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INTRODUCCION En presente informe se presentan los resultados obtenidos en la práctica de laboratorio de mecánica de fluidos acerca de las propiedades de los fluidos, más específicamente: la densidad, volumen específico y peso específico de fluidos líquidos. Los fluidos son sustancias cuyas moléculas son capaces de fluir y que se adaptan a la forma de los recipientes que los contienen.1 Partiendo de este concepto, se identificaran similitudes y diferencias entre las diferentes propiedades de cada muestra de fluido, las cuales serán determinadas con la ayuda de beakers, balanzas y termómetros, entre otros implementos.

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MARCO TEÓRICO Antes de definir las propiedades de los fluidos, hay que definir que es un fluido, según Ranald V. Giles, “los fluidos son sustancias capaces de fluir y que se adaptan a la forma de los recipientes que los contienen. Cuando están en equilibrio, los fluidos no pueden soportar fuerzas tangenciales o cortantes. Todos los fluidos son compresibles en cierto grado y ofrecen poca resistencia a los cambios de forma”1 Los fluidos son clasificados tradicionalmente en dos grandes grupos, los Fluidos Líquidos y los Fluidos Gaseosos, las principales diferencias entre ambos son:  

Los fluidos líquidos son prácticamente incompresibles, mientras que los fluidos gaseosos son compresibles. Los fluidos líquidos ocupan un volumen definido y tienen superficies libres, mientras que una masa de gas se expande hasta ocupar todas las partes del recipiente que lo contenga.

Una vez definido lo que es un fluido y su clasificación entre líquido y gas, se puede definir sus propiedades más relevantes. Densidad: La densidad o densidad absoluta (ρ) es la magnitud que expresa la relación entre la masa y el volumen de un mismo cuerpo. Su unidad en el Sistema Internacional es el kilogramo por metro cúbico (kg/m3), aunque frecuente se expresa en g/cm3. Por ejemplo se tiene que 500 cm3 de una sustancia x pesan 400 g, la densidad de dicha sustancia sería:

⁄

(Ec. 1)

La densidad de los fluidos depende de las variables de estado presión y temperatura. (Ec. 2) Donde y son los coeficientes de compresibilidad isotérmico e isobárico respectivamente. Para los líquidos la dependencia de la densidad con la temperatura y sobre todo con la presión es pequeña. Para los gases, sin embargo, esta dependencia es fuerte.

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Imagen 1: Variación de la densidad del agua con respecto a la temperatura a 1 atmosfera de presión.2 La variación de la altitud, produce una variación en la presión atmosférica, lo que cambiará los valores de la densidad de los fluidos. La expresión para la presión a cualquier altura es:

⁄

(Ec. 3)

Donde es la presión a cualquier altitud, altitud y 8000 es una constante.

es la presión a nivel del mar, z es la

Densidad Relativa: La densidad relativa () de un cuerpo es un número adimensional que viene dado por la relación del peso del cuerpo al peso de un volumen igual de una sustancia 6

que se toma como referencia. Para los sólidos y líquidos se toma como referencia el agua (a 20°C), mientras que en los gases se toma como referencia al aire, libre de CO2 e hidrógeno (a 0°C y 1 Atm de presión), como condiciones normales. La fórmula para fluidos líquidos sería: (Ec. 4)

Imagen 2: Densidades relativas de algunos fluidos3. Peso Específico: El peso específico (γ) de una sustancia es el peso de la unidad de volumen de dicha sustancia. En los líquidos, γ puede considerarse constantes para las variaciones ordinarias de presión. El peso especifico del agua para las

.

temperaturas más comunes es de 1000

La expresión para el peso específico puede escribirse como: (Ec. 5)

Donde w es el peso, v es el volumen, m es masa, valor de la gravedad en la tierra.

es la densidad y g es el

Los pesos específicos de los gases pueden calcularse mediante la ecuación de estado los gases ideales.

(Ec. 6)

Dónde es la presión absoluta, V el volumen específico o volumen ocupado por la unidad de peso, T la temperatura absoluta y R la constante del gas de que se trate. 7

(Ec. 7) Como γ =1/V, entonces la ecuación anterior puede escribirse como sigue: (Ec. 8)

Imagen 3: Peso específico de algunas sustancias4.

Volumen especifico: El volumen especifico ( ) es el reciproco de la densidad (ρ), es decir, es el volumen ocupado por una masa unitaria de fluido. Es decir:

(Ec. 9)

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MATERIALES Y EQUIPO           

1 litro de agua 1 litro de alcohol etílico (Etanol) 1 litro de glicerina 1 litro de miel de abeja 1 litro de aceite vegetal 1 litro de aceite lubricante 1 litro de acetona (Propanona) 1 beaker de 500 ml 1 beaker de 100 ml 1 termómetro 1 balanza PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y MATEMÁTICO a) Calibrar la balanza b) Elegir el sistema de medidas a utilizar c) Medir la masa de la probeta vacía d) Verter el líquido a ensayar en la probeta, y medir su volumen. e) Tomar la lectura de la masa del líquido. f) Tomar la temperatura del líquido. g) Calcular la densidad, volumen especifico y peso especifico (llenar tabla). h) Limpiar y ordenar los instrumentos utilizados.

DATOS EXPERIMENTALES Y RESULTADOS Datos: Líquido a Ensayar

Masa del líquido Volumen del líquido [g] [ml] 101,82 100 Agua 80,58 100 Alcohol Etílico 83,49 100 Acetona 149,25 100 Miel de abeja 93,1 100 Aceite vegetal 92,72 100 Aceite lubricante 130,18 100 Glicerina Tabla 1: Datos experimentales obtenidos en el laboratorio. 9

Temperatura [C] 28 26 26 28 26 27 28

Liquido

Masa

Volumen

Ensayad o

[kg]

[m3]

Densida Densidad d Relativa () Absoluta ( ) 3 [Kg./m ]

Volumen Especifico [m3 /kg)]

Peso Especifico (γ) [N/m3]

Agua

1,0182*10-1

1*10-4

1018,2

1

9,82*10-4

9978,36

Alcohol Etílico Acetona

8,058*10-2

1*10-4

805,8

7,91*10-1

1,24*10-3

7896,84

8,349*10-2

1*10-4

834,9

8,19*10-1

1,2*10-3

8182,02

Miel de 1,4925*10-1 1*10-4 abeja Aceite 9,31*10-2 1*10-4 vegetal Aceite 9,272*10-2 1*10-4 lubricant e Glicerin 1,3018*10-1 1*10-4 a Tabla 2: Resultados obtenidos.

1492,5

1,47

6,7*10-4

14626,5

931

9,14*10-1

1,07*10-3

9123,8

1,08*10-3

9086,56

7,68*10-4

12757,64

927,2 -1

9,11*10 1301,8

1,28

Cálculos matemáticos 

Masa del líquido

Peso del beaker vacio=110,53 g Peso del beaker con 100 ml de agua=212,35 g

Peso del beaker con 100 ml de alcohol etílico=191,11 g

Peso del beaker con 100 ml de acetona=194,02 g

10

Peso del beaker con 100 ml de miel de abejas=259,78 g

Peso del beaker con 100 ml de aceite vegetal=203,63 g

Peso del beaker con 100 ml de aceite lubricante=203,25 g

Peso del beaker con 100 ml de glicerina=240,71 g



Conversión de ml a m3



Densidad absoluta

Densidad absoluta del agua

Densidad absoluta del alcohol etílico

Densidad absoluta de la acetona

11

Densidad absoluta de la miel de abejas

Densidad absoluta del aceite vegetal

Densidad absoluta del aceite lubricante

Densidad absoluta de la glicerina



Densidad relativa

Densidad relativa del agua ⁄ ⁄ Densidad relativa del alcohol etílico ⁄ ⁄ Densidad relativa de la acetona ⁄ ⁄ Densidad relativa de la miel de abejas 12

⁄ ⁄ Densidad relativa del aceite vegetal ⁄ ⁄ Densidad relativa del aceite lubricante ⁄ ⁄ Densidad relativa de la glicerina ⁄ ⁄ 

Volumen especifico

Volumen especifico del agua

⁄ Volumen especifico del alcohol etílico

⁄ Volumen especifico de la acetona

13

⁄ Volumen especifico de la miel de abejas

⁄ Volumen especifico del aceite vegetal

⁄ Volumen especifico del aceite lubricante

⁄ Volumen especifico de la glicerina

⁄ 

Peso específico

Peso específico del agua ⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

⁄

Peso específico del alcohol etílico

Peso específico de la acetona

14

Peso específico de la miel de abejas ⁄

⁄

Peso específico del aceite vegetal ⁄

⁄

Peso específico del aceite lubricante ⁄

⁄

Peso específico de la glicerina ⁄

⁄

ANALISIS DE RESULTADOS 1. Ilustre la variación de la densidad, volumen específico y el peso especifico en los diferentes líquidos ensayados con la densidad, volumen específico y peso específico teóricos, encontrados en el libro de referencia.

Gráfica 1: Densidades teóricas y experimentales de los fluidos usados en la presente práctica de laboratorio

15

. Gráfica 2: Pesos específicos teóricos y experimentales de los fluidos usados en la presente práctica de laboratorio

Gráfica 3: Volúmenes específicos teóricos y experimentales de los fluidos usados en la presente práctica de laboratorio

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2. ¿Cuáles son las diferencias entre las sustancias ensayadas con relación a su peso especifico? Al interactuar con los diferentes fluidos se pudo observar que la miel de abeja era mucho más pesada que los demás fluidos. También se observo que entre mayor es el peso especifico del fluido, éste era más denso y fluía con más dificultad, es decir, era más viscoso, tal fenómeno se debe a que un alto número en el peso específico, indica que la sustancia posee moléculas pesadas o muchas moléculas por unidad de volumen. Se puede observar que la relación entre el peso específico y la densidad de las muestras es directamente proporcional. En orden de mayor a menor peso específico, tenemos: Miel de abejas, glicerina, agua, aceite vegetal, aceite lubricante, acetona y alcohol etílico. 3. ¿Cuáles son las diferencias, si existen, entre los valores obtenidos experimentalmente y los presentados en el texto o referencia? ¿A qué se deben? Ver tabla anexa A y B 

Agua

Densidad absoluta |

|

Densidad relativa |

|

Peso específico |

|

Volumen específico | 

|

Alcohol etílico

Densidad absoluta 17

|

|

Densidad relativa |

|

Peso específico |

|

Volumen específico | 

|

Acetona

Densidad absoluta |

|

Densidad relativa |

|

Peso específico |

|

Volumen específico | 

|

Miel de abejas

Densidad absoluta |

|

18

Densidad relativa |

|

Peso específico |

|

Volumen específico | 

|

Aceite vegetal

Densidad absoluta |

|

Densidad relativa |

|

Peso específico |

|

Volumen específico | 

|

Aceite Lubricante

Densidad absoluta |

|

Densidad Relativa

19

|

|

Peso específico |

|

Volumen específico | 

|

Glicerina

Densidad absoluta |

|

Densidad Relativa |

|

Peso específico |

|

Volumen específico |

|

La variación de los valores experimentales con respecto a los valores teóricos se debe a que uno de los parámetros estándares de la práctica es diferente; la temperatura del laboratorio era de aproximadamente 26°C, mientras que en la literatura dice que la temperatura usada como referencia para sus datos es de 20°C o 25°C. También hay que agregar que la presión atmosférica no es uniforme en toda la ciudad de barranquilla debido a que la ciudad está ubicada a una altitud de 0 a 142 metros sobre el nivel del mar5.

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La variación de temperatura afecta directamente el volumen del fluido liquido ensayado. También pudo haber errores en la medición de los volúmenes, ya que los beakers no son instrumentos muy precisos en la medición de dicha magnitud. 4. ¿Cómo serían los resultados experimentales, si la temperatura ambiental fuera mayor de 70 °C? ¿Por qué? Los fluidos líquidos usados en esta práctica se dilatarían mucho a esa temperatura, es decir, se modificaría su volumen, disminuyendo así su densidad. Al modificar la densidad de los fluidos, también variaría el peso específico, el volumen específico y la densidad relativa, por consiguiente todos los resultados serían diferentes. 5. ¿Cómo serían los resultados obtenidos en el laboratorio, si los ensayos se realizan a 5000 m sobre el nivel del mar? ¿Por qué? Los resultados obtenidos en el laboratorio variarían ligeramente, ya que la práctica de laboratorio se realizo a 1 atmósfera de presión aproximadamente, debido a que el laboratorio se encuentra a 0 metros sobre el nivel del mar (aprox.). ⁄

Usando la ecuación

podemos encontrar la variación de presiones.

⁄

La

a 5000 msnm es:

Lo anterior constata que si hay variación, y sabemos que dicha variación será ligera ya que los fluidos líquidos son prácticamente incompresibles. 6. ¿A qué se debe la variación de resultados entre las sustancias ensayadas? principalmente, a que poseen una composición química diferente, esto hace que las densidades de cada muestra usada sean diferentes, es decir que un mismo volumen de las muestras tenga diferente masa. De allí, que también varíe el peso específico, volumen específico y la densidad relativa, ya que son magnitudes que dependen del valor de la densidad. También se pudo observar que las muestras usadas se encontraban a diferentes temperaturas, lo que también causa que los resultados obtenidos sean diferentes.

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CONCLUSIONES De la práctica de laboratorio anteriormente realzada se puede concluir que los fluidos líquidos usados poseen propiedades diferentes que son propias de cada muestra, es decir, que las caracterizan. Cada sustancia posee propiedades específicas, a pesar de ser medidas en volúmenes iguales, esto se observa en el hecho de que cada muestra presentó diferentes densidades, pesos específicos y volúmenes específicos. También se puede concluir que hay una relación directamente proporcional entre la densidad de los fluidos y el peso específico. También se puede concluir que las pequeñas variaciones entre los valores obtenidos experimentalmente y los teóricos se deben a errores en la medición de los volúmenes de las muestras y a la falta de control sobre la presión atmosférica, además de la diferencia de temperaturas del laboratorio con respecto a las usadas en la teoría. Por último, se puede concluir que la práctica de laboratorio fue exitosa, debido a que se alcanzaron los objetivos propuestos.

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BIBLIOGRAFÍA 1- GILES RANALD V., EVETT JACK B., LIU Cheng. Mecánica de los Fluidos e Hidráulica, 3ra edición, Editorial McGraw-Hill, Madrid, 1994, Página 1-3. 2- http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/denh2o.pdf anónimo, [consultado 19/02/2013] 3- GILES RANALD V., EVETT JACK B., LIU Cheng. Mecánica de los Fluidos e Hidráulica, 3ra edición, Editorial McGraw-Hill, Madrid, 1994, Página 391-393 4- http://img301.imageshack.us/img301/4395/pregunta13ko5.png anónimo, [consultado 19/02/2013] 5- https://documentacion.ideam.gov.co/openbiblio/Bvirtual/019813/Anexo1.pdf Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales IDEAM, [Consultado 19/02/2013] 6- http://abp8-b.blogspot.com/2006/08/fsica-y-matemtica.html anónimo, [consultado 19/02/2013] 7- http://fluidos.eia.edu.co/fluidos/propiedades/densidadrelativapf.html anónimo, [consultado 19/02/2013]

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Densidad absoluta Teórico

Agua Alcohol etílico Acetona Miel de abejas Aceite vegetal Aceite lubricante

Densidad relativa

Experimental % error

Teórico

Experimental % error

1000

1018,2

1,82%

0,997

1

0,30%

789

805,8

2,13%

0,789

0,791

0,25%

791

834,9

5,55%

0,79

0,819

3,67%

1400

1492,5

6,61%

1,4

1,47

5%

925

931

0,65%

0,925

0,914

1,19%

907,2

927,2

2,20%

0,9072

0,911

0,44%

1300 1301,8 0,14% 1,3 2,8 1,54% Glicerina Tabla anexa A: Diferencias entre los valores teóricos y experimentales de densidad absoluta y densidad relativa Volumen específico

Agua Alcohol etílico Acetona Miel de abejas Aceite vegetal Aceite lubricante

Peso específico

Teórico

Experimental

% error

Teórico

Experimental

% error

1,00E-03

9,82E-04

1,82%

9800

9978,36

1,80%

1,27E-03

1,24E-03

2,13%

7732,2

7896,84

2,36%

1,26E-03

1,20E-03

5,55%

7751,8

8182,02

4,76%

7,14E-04

6,70E-04

6,61%

13720

14626,5

6,16%

1,08E-03

1,07E-03

0,65%

9065

9123,8

0,93%

1,10E-03

1,08E-03

2,20% 8890,56

9086,56

1,82%

7,68E-04 0,14% 12740 12757,64 0,13% Glicerina 7,69E-04 Tabla anexa B: Diferencias entre los valores teóricos y experimentales de volumen específico y peso específico

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