Laboratorio Termodinamica y Fluidos

 

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12. DENSIMETRÍA DENSIMETRÍA OBJETIVOS

•  Entender el significado de densidad y densidad relativa •  Determinar densidades de líquidos conocidos y de sólidos de formas geométricas regulares •  Comparar diferentes métodos para determinación de densidades de varios líquidos. MARCO TEÓRICO La masa y el volumen de un fluído homogéneo no son cantidades independientes sino que se relacionan por medio de una constante llamada densidad (ρ). La densidad de una sustancia homogénea en cualquier fase (sólido, líquido o gas) es una PROPIEDAD INTENSIVA., característica de la sustancia, la densidad se enuncia como la relación de la masa (m) entre el volúmen (v) ρ = m/v Obviamente, las unidades de ρ  son de masa dividido unidades de volumen. En sistema internacional las unidades son Kg / m 3 . La densidad relativa de una sustancia homogénea se define como la relación entre la densidad de la sustancia y una sustancia de referencia. Generalmente la sustancia de referencia es el agua a 4°C para sustancias líquidas y sólidas con densidad 1 g/cm3. La densidad relativa se escribe sin unidades. El peso específico es la relación entre el peso de una sustancia y el volumen que ocupa, las unidades del peso específico en SI son N/m 3. La gravedad específica de una sustancia está definida como la relación entre el peso específico de la sustancia con el peso específico de una sustancia de referencia, debido a que el peso se define como mg, la constante g se cancela, quedando las mismas cifras y unidades de la gravedad específica con las de densidad relativa. APARATOS: La densidad y la densidad relativa de los líquidos se pueden determinar con cualquier instrumento para medir volumen (picnómetro, probeta, vaso de precipitados, etc) y una balanza. El picnómetro es un instrumento de vidrio de capacidad definida elaborado en vidrio con propiedades químicas y térmicas especiales, debe estar exento de estrías,  burbujas y tensiones internas, consta de un cuerpo piriforme con cuello esmerilado y un tapón esmerilado capilar. Existen también los alcoholímetros y densímetros digitales. que son instrumentos instrumentos calibrados directamente para medir densidades, los alcoholímetros están diseñados 36

 

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aplicando el principio de Arquímedes y los densímetros digitales utilizan principios de vibración molecular. Para medir densidades de sólidos homogéneos, se utiliza un calibrador y una balanza o una  probeta y una balanza. Con la probeta y agua se puede medir el volumen del sólido aplicando el principio de Arquímedes, introduciendo el sólido y midiendo el volumen desplazado. utilizardel estesólido método de medir medir volúmenes, se debe tenerpero especial en conocer laPara estabilidad en agua. Si el sólido es homogéneo, no escuidado estable (o sea que puede solubilizarse o reaccionar con el agua), es necesario elaborar una figura geométrica regular con el sólido y medir sus lados con el calibrador, para calcular luego el volumen. Cuando el sólido está presente como un polvo o una espuma es necesario diseñar una práctica específica o consultar normas estandarizadas como ISO, ASTM, ICONTEC, etc.

MATERIAL Y EQUIPO 1.  2.  3.  4.  5.  6.  7.  8. 

Probeta 50 ml Picnómetro Termómetro Balanza Pipeta Líquido problema a analizar Vaso de precipitados (100 mL) Agua destilada

PROCEDIMIENTO 1. •  -  - 

Densidad de líquidos Pesar los recipientes vacíos, limpios y secos: Medir la masa de la probeta limpia y seca Medir la masa del picnómetro con tapa limpi limpioo y seco

-  Medir la masa del vaso de precipitados limpio y seco •  medir en una pipeta 25 ml exactos del líquido a analizar y colocar en el vaso de  precipitados •  medir la masa del vaso con el líquido -  medir la temperatura del líquido problema -  calcular la densidad a dicha temperatura.

•  medir en la probeta 25 ml exactos del líquido medir la masa de la probeta con el líquido medir la temperatura del líquido calcular la densidad a dicha temperatura. •  Llenar picnómetro con el líquido Medir la masa del pi picnómetro cnómetro con el líquido 37

 

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calcular la densidad lavar bien los materiales y repetir los pasos con agua destilada. calcular la densidad de agua destilada

•  calcular la densidad relativa del líquido problema con respecto al agua en cada método. •  Determinar el % error (respecto a datos teóricos) y explicar causas de dichos errores.

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(12ª). DENSIDAD

OBJETIVOS

•  Determinar experimentalmente la densidad de líquidos. •  Determinar la densidad relativa de líquidos respecto al agua. •  Determinar la densidad de una mezcla de líquidos miscibles. MATERIAL Y EQUIPO 1.  2 Pipetas (de 10 ml) 2.  2 Probetas (de 100 ml) 3.  2 Balanzas 4.  2 Vasos de precipitados 5.  1 Picnómetro 6.  Líquidos miscibles (200 ml de c/u), por ejemplo alcohol y acetona, gasolina y petróleo.

PROCEDIMIENTO Densidad absoluta:  Nota: se solicitan dos pipetas, dos probetas y dos balanzas para que la mitad del equipo trabaje con una sustancia y la otra mitad del equipo con la otra, procediendo igual con ambos. 1.  Revise que la probeta esté bien limpia y seca. Calibre cuidadosamente la balanza y pese la probeta vacía. Anote el resultado. 2.  Vierta 10 ml de la sustancia, medidos con la pipeta, y pese nuevamente. Se recomienda revisar la calibración de la balanza antes de cada medición. 3.  Repite cada 10 ml, de sustancia para formar una tabla de masa contra volumen, hasta V= 100 ml. (1cm3 = 1 ml). Tabla 1.1. Masa determinada por una adición continúa de líquido Masa (g)

Volumen ( cm3)

m1

10.0

m2

20.0

m3

30.0

.

.

m10

100.0 39

 

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La masa corresponde al líquido exclusivamente. Al peso de la probeta con el líquido debe restarse el de la probeta vacía en cada caso. 4.  Con los datos de la tabla obtenida para cada sustancia, puede obtenerse la densidad absoluta aplicando un ajuste estadístico de datos. Es recomendable nombrar a las sustancias "1" y "2" para no confundirlas. Para los siguientes objetivos, todo el equipo trabajará junto. Densidad relativa: 1.  Calibre la balanza y pese el picnómetro vacío, incluyendo su tapa. Anote el resultado, no olvide revisar que esté bien limpio y seco. 2.  Llene el picnómetro con agua (destilada de preferencia) hasta que rebose y tápelo. Trate de eliminar cualquier burbuja interna de aire inclinando ligeramente el picnómetro al tapar. Seque por fuera el picnómetro. Pese y anote el resultado. 3.  Vacíe el agua del picnómetro y seque bien, llénelo ahora con la sustancia "1" de la misma manera que como se procedió con el agua y pese, anote el resultado. 4.  Vacíe el picnómetro y llénelo, finalmente, con la sustancia "2" pese y anote el resultado. 5.  Con las mediciones realizadas puede obtenerse fácilmente la densidad relativa respecto al agua, de cada sustancia mediante la fórmula:  ρ relativa sustancia   =

msustancia   magua

donde las masas contenidas en el picnómetro, corresponde exclusivamente a la sustancia (debe restarse el peso del picnómetro y la tapa) y al agua con igual volumen (medido por supuesto con el mismo picnómetro y restando también el peso del  picnómetro). Compare los resultados con los dados en tablas. Densidad de una mezcla: 1.  Calibre una balanza y pese una probeta limpia y seca. Anote el resultado. 2.  Vierta con cuidado 5 ml de sustancia "1" y 5 ml de la sustancia "2", medidos con la misma pipeta (tenga cuidado al medir las cantidades, la mezcla es homogénea). Pese los 10 ml de mezcla obtenidos y anote. 3.  Vuelva a adicionar 5 ml de cada sustancia y anote el peso de la mezcla. Repita el  procedimiento hasta un volumen final de la mezcla de 100 10 0 ml y forme la siguiente tabla con los datos: Tabla 1.2. Masa determinada para una mezcla de volúmenes equivalentes de dos líquidos Masa mezcla (g)

Volumen ( cm3)

m1

10.0

m2 .

20.0 . 40

 

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m10

100.0

4.  Aplique un tratamiento estadístico de datos a la tabla anterior para obtener la densidad absoluta de la mezcla. En teoría:  ρ mezcla =

VmVezcla 1

ρ1 +

V mV  ezcla 2

ρ 2  

Como se vertió exactamente la mitad de cada sustancia,    ρ + ρ 2  ρ mezcla = 1  

2 Compare este resultado teórico, con el valor obtenido experimentalmente en el paso 4.

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13. ECUACIÓN ECUACIÓN BÁSICA DE LA ESTÁTICA DE FLUIDOS OBJETIVO

•  Verificar la ecuación fundamental de la estática de los fluidos. •  Analizar el comportamiento de dos fluidos en un tubo en U. •  Determinar el comportamiento de un fluido en un sistema de vasos comunicantes. MATERIAL Y EQUIPO 1.  Tubo en U 2.  2 vasos de precipitados 3.  Pipeta de 10 ml 4.  Regla de 30 cm 5.  Hilo de nylon 6.  2 líquidos inmiscibles (agua y aceite)

PROCEDIMIENTO Ecuación fundamental de la estática de fluidos:  Nota: Se supone que se conoce la densidad de nsidad de los líquidos que se usan.

H

h 2

1

Figura 2.1. Montaje para el tubo en U En la Figura 2.1 la presión en los puntos 1 y 2 tienen el mismo valor pues están dentro del líquido manométrico al mismo nivel. De la ecuación fundamental de la estática de fluidos:  P1 = P0 +  ρ 1gH    P2 = P0 + ρ 2 gh   1.  El experimento consiste en medir h  y  H  y obtener  P   P  y 1  y  P 2  para compararlas. 2.  Realizar unas 10 mediciones con diferentes valores de H. 42

 

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Vasos comunicantes: Analizar el nivel alcanzado por un fluido en un sistema de depósitos intercomunicados de diferente forma y tamaño. 1.  Ubicar el sistema de depósitos sobre una superficie plana. 2.  Adicionar un volumen conocido de líquido a cualquiera de los depósitos. 3.  Determinar el nivel alcanzado por el líquido en cada depósito. 4.  Estimar el volumen en cada depósito. 5.  Obtener el volumen total del sistema de depósitos.

ACTIVIDADES ADICIONALES 1.  Si inicialmente el tubo en U contiene solo agua, ¿cómo es el nivel en cada una de las ramas? ¿Cuál es la presión en la superficie libre de cada una de las ramas? 2.  ¿Cuál es la presión en el fondo del tubo en U, debido solo al agua? 3.  ¿Cuál es la presión absoluta en el fondo del tubo en U? 4.  Si se vierte aceite a una de las ramas. ¿qué pasa con el nivel del agua? Explique. 5.  ¿Cuál es la expresión para encontrar la presión que ejerce la columna de aceite en el agua, punto de interfase (punto 1)? 6.  ¿Cuál es la expresión para encontrar la presión absoluta que ejerce la columna de aceite en el agua, punto de interfase (punto 1)? 7.  ¿Cuál es la expresión para encontrar la presión absoluta en el punto 2 de la rama de agua al mismo nivel del punto de interfase? 8.  Si se comparan las las presiones absolutas en los puntos 1 y 2 ¿Cómo son? Justifique su respuesta. 9.  Con base en la información anterior, muestre mediante un procedimiento algebraico cómo encontrar la densidad del aceite 10. Si en lugar de aceite la presión fuera ejercida por gas, produciendo el mismo desnivel en la columna de agua ¿cuánto valdría la presión ejercida solo por el gas (presión manométrica)?

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14. PRINCIPIO PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES OBJETIVO experimentalmente la líquido. existencia del empuje o fuerza de flotación que •  Verificar sufre un cuerpo sumergido en un

•  Comparar el empuje que recibe un cuerpo al sumergirse en líquidos diferentes. •  Determinar la densidad de sólidos. MATERIAL Y EQUIPO 1.  Balanza 2.  2 Vasos de precipitados 3.  1 probeta graduada de 100 ml 4.  Caja de masas 5.  Calibrador 6.  Hilo 7.  Plastilina, agua y gasolina

PROCEDIMIENTO Estudio de la fuerza de empuje. En esta parte deben obtenerse dos tablas de datos similares a las siguientes para 5 trozos de  plastilina de diferentes tamaños: Tabla 3.1. Fuerzas de empuje para plastilina en agua Trozo Volumen Masa 1

Peso en aire

2 3 4 5

44

Peso en agua

Empuje del agua

 

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Tabla 3.2. Fuerzas de empuje para plastilina en gasolina Trozo Volumen Masa

Peso en aire

Peso en gasolina

Empuje de la gasolina

1 2 3 4 5 El empuje del fluido desalojado debe calcularse considerando el volumen desplazado. 1.  Comparar el empuje del agua con el peso del agua desalojada. 2.  Compare el empuje del agua con el empuje de la gasolina. 3.  Estime a partir de los datos de la segunda tabla, la densidad de la gasolina. Determinación de la densidad de sólidos La densidad de un sólido corresponde a la relación entre su masa y su volumen. Para un conjunto métodos: de masas regulares estime las correspondientes densidades mediante los siguientes 1.  A partir de la medida del empuje que experimentan el sólido al ser sumergido en un líquido de densidad conocida 2.  Midiendo las dimensiones del sólido y calculando su volumen a partir de ellas.  Nota: El procedimiento para determinar pesos y volúmenes queda a elección de los estudiantes.

ACTIVIDADES ADICIONALES 1.  Un pedazo de hielo flota en agua contenida en un recipiente. Al derretirse el hielo ¿Que ocurre con el nivel del agua? 2.  En la práctica ¿Por qué son diferentes los empujes que sufre un trozo de plastilina en agua y en gasolina? 3.  ¿Que es el quilataje de una pieza de oro? ¿Cómo se podría usar el principio de Arquímedes en la determinación del quilataje? 4.  Averigüe cuales son los materiales de que están hechos los sólidos (Observe sus  propiedades físicas, y consulte una tabla tab la de densidades de sólidos) 5.  ¿Es correcto tomar cómo incertidumbre en las pesadas y en las medidas de longitudes la  precisión de los instrumentos utilizados (balanza y calibre)? Justifique la respuesta en cada caso. 6.  ¿Que método para determinar la densidad del sólido es más preciso, el que utiliza el  principio de Arquímedes o el que utiliza la medida directa del volumen? Justifíquese. Jus tifíquese. 45

 

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7.  ¿Podría determinarse con una balanza hidrostática la densidad de un líquido desconocido? En caso afirmativo, ¿cuál sería el procedimiento a seguir, utilizando únicamente los medios de que dispone para la realización de esta práctica? ¿Sería importante tener en cuenta la temperatura del líquido? ¿Por qué? 8.  ¿Podría determinarse con esta balanza la densidad de un sólido menos denso que el agua? Justifíquese.

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15. VISCOSIMETRÍA VISCOSIMETRÍA OBJETIVOS

•  Determinar viscosidades de un líquido mediante método de flujo laminar •  Determinar el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de un líquido •  Determinar la viscosidad de un líquido mediante el método de la esfera descendente MARCO TEÓRICO En un fluido newtoniano, el gradiente de velocidad es proporcional al esfuerzo cortante. La constante de proporcionalidad se llama viscosidad y se define mediante la ecuación: τi = η du/dy donde: τi = esfuerzo cortante η = viscosidad du/dy = gradiente de velocidad o escrita como función de fuerza: f = η A v / a f  =   = fuerza requerida para que una capa de un fluido (con viscosidad ) de área A se mueva a una velocidad v con respecto a otra capa de la misma área separada por una distancia a Un cuerpo sumergido en un fluido en movimiento experimenta dos fuerzas que son: fuerza de resistencia al arrastre paralela al movimiento y la fuerza de sustentación que es  perpendicular a la dirección d irección del flujo de fluido sin perturbar. Estas fuerzas dependen de la viscosidad del fluido. La fórmula dimensional de la viscosidad absoluta es la siguiente: [η] = ML-1t-1  En sistema cgs, la unidad de viscosidad recibe el nombre de poise y se define: 1 poise = 1 g/(cm * s) g = gramos cm = centímetros s = segundos En unidades inglesas, la viscosidad absoluta se expresa en lb / (pie * sg) mediante el siguiente factor de conversión: 1 poise (p) = 0.0672 lb/(ft * sg) Para determinar la viscosidad podemos utilizar varios métodos entre ellos: flujo laminar y esfera descendente. Las ecuaciones requeridas son: 1. Ecuación poiselle (método flujo laminar). 47

 

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η  = π D4 (P1 – P2) 128 v L η = viscosidad D = Diámetro interno del tubo v = flujo volumétrico (volumen V de fluido por unidad de tiempo, a través de un capilar de

diámetro D y longitud L) (P1 – P2): diferencia de presión 2. Ecuación para método de esfera descendente. η  = 2 r 2 (ρ – ρ0) g  9V η = viscosidad r = radio de la esfera ρ    = densidad del cuerpo que cae (esfera) ρo = densidad del fluido g = aceleración de la gravedad V = velocidad promedio de caída de la esfera (distancia recorrida en unidad de tiempo)

MATERIAL Y EQUIPO 1.  1 Bureta o pipeta de 25 ml 2.  1 Probeta 50 o 100 ml 3.  2 vasos de precipitados (100 y 400 ml) 4.  cronómetro 5.  esferas 6.  termómetro 7.  calibrador 8.   balanza 9.  estufa 10.  agua l líquidos/aceites 11. 12. jabón  jabón y toalla pequeña.

PROCEDIMIENTO METODO DE FLUJO LAMINAR: Este método para determinar la viscosidad de un fluido, consiste en medir la velocidad del flujo de fluido a través de un tubo cilíndrico largo (pipeta o bureta). 1.  Agregar la sustancia problema a una bureta 2.  Abrir completamente la llave de la bureta y medir el tiempo que tarda en pasar de un volumen inicial igual al volumen de la bureta hasta un volumen final determinado. 3.  Repetir el procedimiento con la muestra a 40°C 4.  Repetir el procedimiento con agua y las mismas condiciones (muestra de referencia). 48

 

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Datos: η H2O 20°C = 1.005 cp η H2O 40°C = 0.656 cp (cp = centipoises) METODO DE LA ESFERA DESCENDENTE. 1.  Para la esfera medir medir la masa y el diámetro (con un calibrador) . (calcular la densidad de la esfera) 2.  Colocar el líquido en la probeta hasta un nivel tal que pueda dejar caer la esfera desde dicho nivel exactamente. 3.  Dejar caer la esfera 4.  Medir el tiempo que tarda la esfera en caer desde la superficie del líquido hasta el fondo del recipiente. 5.  Medir la altura del líquido para determinar la velocidad de la esfera en caer. 6.  Repetir con agua (si la esfera no es muy pesada y no se corre riesgo de romper el fondo de la probeta).

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(15ª). VISCOSIDAD

OBJETIVO

•  Determinar la velocidad terminal de sedimentación de una partícula en un fluido. •  Determinar el coeficiente de viscosidad de un fluido viscoso. •  Determinar el efecto de la temperatura sobre la viscosidad de un líquido. MATERIAL Y EQUIPO 1.  Balanza 2.  Bureta o pipeta de 25 ml 3.  Probeta de 50 o 100 ml 4.  2 vasos de precipitados (100 y 400 ml) 5.  Termómetro 6.  Cronómetro 7.  Calibrador 8.  Estufa 9.  Metro 10. Esferas metálicas 11. Aceite y agua

PROCEDIMIENTO La viscosidad puede considerarse como el rozamiento interno de un fluido. Debido a la viscosidad, es necesario ejercer una fuerza para hacer que una capa líquida se deslice sobre otra. Tanto los gases como los líquidos presentan viscosidad, aunque los líquidos son mucho más viscosos que los gases. Las viscosidades de todos los fluidos dependen fuertemente de la temperatura, aumentando en el caso de los gases y disminuyendo en el de los líquidos cuando aumenta la temperatura. Un aspecto importante de la fabricación de aceites lubricantes para motores es la de reducir la variación de la viscosidad con la temperatura al máximo. Las unidades de la viscosidad es el poise, donde: 1 poise = 1

50

dina s   cm 2

 

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Viscosidad (Flujo laminar) D

H d L

Figura 8.1. Sistema de tubería empleado como viscosímetro Cuando se considera que un fluido viscoso se desplaza en régimen laminar totalmente desarrollado en una tubería circular es posible utilizar la ecuación de Hagen Poiselle en la determinación de la viscosidad. Para el viscosímetro propuesto la expresión que permite estimar la viscosidad (despreciando la pérdida de energía a la entrada la tubería) es: 4

µ  = π d ρ gH − ρ Q   128 LQ 8π L

donde: Q  es el caudal,  ρ   es la densidad y µ   es la viscosidad del fluido. 1.  Mantenga cerrada la salida de la tubería mientras llena el recipiente con el aceite. 2.  Mida las dimensiones  H   H ,,  L  y d . d . 3.  Determine el caudal Q  recogiendo un volumen de fluido en un tiempo medido. 4.  Repetir el procedimiento con la muestra a una temperatura de 40 ºC. 5.  Repetir el procedimiento con agua (sustancia de referencia)  Nota: La relación del área de sección transversal del tanque con la de la tubería debe ser grande para de talrecoger manerael que la altura  H   no cambie apreciablemente durante el período de tiempo fluido. Viscosidad (Ley de Stokes) Cuando un fluido ideal de viscosidad nula se mueve alrededor de una esfera, o cuando una esfera se mueve dentro de un fluido estacionario, las líneas de corriente forman un modelo  perfectamente simétrico en torno a la esfer esfera. a. La presión ejercida ejer cida por el fluido en cada punto de la superficie de la esfera es la misma, y la fuerza resultante es cero. Sin embargo, si el fluido es viscoso habrá un arrastre viscoso sobre la esfera. La fuerza de viscosidad para el caso particular de una esfera fue deducida por Sir George Stokes en 1845 y se denomina Ley de Stokes; el equilibrio de fuerzas que se establece cuando la velocidad de desplazamiento se hace constante hace que la ley de Stokes pueda representarse mediante la siguiente expresión: 2  ρ ρ  µ  =  gD P ( P  − )  

18ut 

51

 

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donde: ut  es la velocidad de la esfera con respecto al fluido,  D P  es el diámetro y  ρ  P   la densidad de la esfera. 1.  Establezca una marca superior en la probeta para la cual supondrá que la esfera ha alcanzado la velocidad límite constante. Establezca una marca inferior, y mida la distancia entre las marcas. 2.  Deposite la esfera en la columna de fluido y soltándola suavemente. Cuando la esfera  pase la marca superior se pone pon e en funcionamiento el cronómetro y se detiene al alca alcanzar nzar la marca inferior. 3.  Experimentar con esferas de distinto diámetro. 4.  Anotar para cada experiencia la distancia entre marcas, el tiempo, y los datos sobre el fluido y los referentes al material de la esfera. Complete la Tabla 5.1. 5.  Hallar el valor medio de los datos obtenidos de la viscosidad. 6.  Repetir el procedimiento con la muestra a una temperatura de 40 ºC. 7.  Repetir el procedimiento con agua (Si la esfera no es muy pesada y no se corre el riesgo de romper el fondo de la probeta). La velocidad límite corresponderá a la velocidad terminal de sedimentación de la esfera. Tabla 8.1. Determinación de la viscosidad Esfera Diámetro Desplazamiento (m) (m)

Tiempo (s) Velocidad (m/s)

límite Viscosidad (Kg/m s)

ACTIVIDADES ADICIONALES 1.  A nivel molecular, ¿a qué se deben las fuerzas de viscosidad? 2.  Si el cuerpo esférico es una burbuja de aire, esta asciende en lugar de descender, ¿cómo queda la primera ley de Newton en dicho caso? 3.  ¿Existe alguna relación entre la unidad de viscosidad mencionada aquí (poise) con la unidad manejada en los aceites para motores (Número SAE)? 4.  ¿Cuál es el error porcentual en el cálculo de la velocidad terminal? Enumere todas las  posibles fuentes de error (instrumentales, ( instrumentales, accidentales, etc.) 5.  ¿Qué ocurre si el fluido no presenta flujo laminar? 6.  ¿Cuál es la precisión de cada método? ¿A qué atribuye la diferencia? 7.  ¿De acuerdo con el tipo de fluido cuál método recomienda y por qué?

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16. CALIBRACIÓN CALIBRACIÓN DE UN TERMÓMETRO DE MERCURIO OBJETIVOS

•  Determinar el punto cero con su correspondiente incertidumbre. •  Determinar el punto de ebullición del agua con su incertidumbre. •  Determinar el valor del valor del factor de escala. •  Determinar la depresión del cero. MATERIAL Y EQUIPO 1.  Termómetro 2.  2 Tubos de ensayo 3.  Estufa (Incluyendo malla de asbesto) 4.  2 Pinzas 5.  2 Vasos de precipitados 6.  Hielo, alcohol y parafina

PROCEDIMIENTO Un termómetro de mercurio consta básicamente de un depósito de vidrio que se prolonga en una varilla provista de un tubo capilar vacío (Figura 4.1), por el que asciende el mercurio al dilatarse, como consecuencia de la absorción de calor. Sobre la varilla se graba una escala graduada. La lectura X en la escala está relacionada con la temperatura T a la que se encuentra el termómetro.

Figura 4.1. Esquema general de un termómetro 53

 

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Calibrar un termómetro no es más que encontrar la relación matemática entre X y T. Para ello, se utilizan dos temperaturas conocidas que en este caso serán la de fusión del hielo T  f    y la de ebullición del agua T e . La fusión y la ebullición son transiciones de fase que, a  presión constante, ocurren a una temperatura determinada, que se conoce con mucha  precisión y se mantiene constante a lo largo del proceso de transición. Si la lectura del termómetro es, respectivamente,  X  f    y  X e  y si se supone que la relación T − T  entre X y T es lineal, se tendrá: T = T f + e f  ( X − X f ) = T f + θ  ( X − X f  )    X e − X f  Esta es la ecuación de la recta que pasa por los puntos (T f , X f  )   y (Te , X e ) . La pendiente de la recta θ   se se llama factor de escala termométrica. La temperatura de fusión del agua apenas se ve afectada por los cambios de presión, de modo que podemos tomar T  f   = 0ºC . En este caso, la lectura  X  f   se denomina punto cero del termómetro. Por el contrario, la temperatura de ebullición T   es muy sensible a la presión. Por ello, para calibrar el termómetro se necesita conocer con ebastante precisión la presión atmosférica en el laboratorio y, a partir de ella, la temperatura de ebullición T e . Determinación del punto cero En un vaso con hielo finamente picado se introduce el termómetro. Para estar seguros de que el sistema está en el punto de fusión, es preciso añadir una cierta cantidad de agua mezclándola bien con el hielo y esperar (unos 5 minutos) hasta que el nivel del mercurio en el termómetro se estabilice; cuando esto ocurre, el nivel del mercurio marca el punto cero del termómetro,  X  f  . La lectura ha de realizarse con cuidado para evitar el error de  paralaje. Determinación del factor de escala 1.  Se vierte agua en el calorímetro hasta aproximadamente los 2/3 de su volumen. A continuación se introduce el termómetro de manera que su bulbo quede fuera del agua. Se enciende la estufa y se espera a que hierva el agua durante unos minutos, al cabo de los cuales se hace la lectura  X  f  . 2.  Para determinar la temperatura de ebullición del agua, es necesario conocer la presión atmosférica. Depresión del cero 1.  Si inmediatamente después de observar el punto de ebullición, se introduce el termómetro de nuevo en el hielo para volver a determinar el punto cero, se observa que el nivel del mercurio está por debajo de la lectura anterior  X  f  . Ello se debe a la histéresis del vidrio, el cual no recupera instantáneamente el volumen primitivo después de haberse dilatado. 54

 

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2.  Si la nueva lectura es  X  f ′  , a la diferencia  X  f − X ′f  , se la denomina depresión de cero. Este valor no aparece en la relación entre X y T. Sin embargo, brinda información valiosa sobre la fiabilidad del termómetro, especialmente cuando se miden temperaturas que varían rápidamente. Comprobación de la escala Con el termómetro calibrado mida la temperatura: ambiente en el laboratorio, de ebullición de alcohol etílico y de fusión de parafina. Utilizando el siguiente método: 1.  Se introduce una pequeña cantidad de sustancia en un tubo de ensayo. 2.  Se sujeta el tubo de ensayo al termómetro. 3.  El conjunto se coloca en un vaso de precipitados con agua de tal manera que el bulbo del termómetro y la sustancia queden por debajo del nivel del líquido. 4.  Se calienta suavemente observando la sustancia. 5.  En el momento en que esta cambie de fase, se anota la temperatura la cual corresponderá aproximadamente a la transición de fase indicada.

ACTIVIDADES ADICIONALES 1.  ¿Qué se entiende por calibración de un instrumento? 2.  ¿A qué se denomina error de paralaje y como se evita al hacer la lectura en un termómetro? 3.  ¿Cuál sería el procedimiento para calibrar un termómetro en grados Fahrenheit? ¿Cuáles serían las fórmulas que habría que cambiar y como deberían escribirse? 4.  ¿Podría obtenerse el punto cero del termómetro introduciendo éste en un bloque de hielo directamente? ¿Por qué el hielo ha de estar finamente picado y mezclado con agua líquida? 5.  Cuando se mide la presión atmosférica con un barómetro es necesario realizar correcciones por temperatura y gravedad. ¿En qué consisten estas correcciones? 6.  ¿Qué porcentaje de incertidumbre se comete en la medida de la presión atmosférica?, si no se tiene en cuenta: a.  La corrección por temperatura  b.  La corrección por gravedad c.   Ninguna de las dos correcciones correccione s 7.  ¿Tendrá sentido hablar de temperatura de una molécula? 8.  Dos cuerpos inicialmente a diferente temperatura, si están en contacto térmico, después de un cierto tiempo alcanzan una temperatura intermedia estable que denominamos temperatura de equilibrio. ¿Pueden, sin embargo, estar en equilibrio térmico dos cuerpos que no estén en contacto térmico? ¿Cómo se llama este principio lógico? 9.  ¿En qué caso un sistema no está en equilibrio consigo mismo? De un ejemplo. 55

 

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10. Teniendo como base el modelo de los gases ideales enumere las variables termodinámicas macroscópicas y microscópicas. ¿Qué sentido tienen las variables microscópicas y macroscópicas.

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17. EXPANSIÓN EXPANSIÓN VOLUMÉTRICA DE LÍQUIDOS OBJETIVO

•  Estudiar experimentalmente la dilatación volumétrica de líquidos. •  Determinar experimentalmente el coeficiente de dilatación volumétrica de líquidos. •  Obtener una gráfica de la densidad de líquidos con la temperatura. MATERIAL Y EQUIPO 1.  Balanza 2.  2 tubos de expansión 3.  Termómetro 4.  Estufa 5.  Un vaso de precipitado de 1000 ml 6.  Soportes 7.  Regla 8.  2 líquidos diferentes

PROCEDIMIENTO El aumento de la temperatura ocasiona generalmente un aumento de volumen, tanto en sustancias sólidas como en líquidas; se demuestra experimentalmente que, si la variación de la temperatura no es demasiado grande, el aumento de volumen es aproximadamente,  proporcional a la variación de la temperatura. IIgual gual que en el caso de la dilatación lineal, es también proporcional al volumen inicial. Tubo de expansión

Termómetro

     0

Figura 5.1. Montaje para estimar la expansión volumétrica de un líquido 57

 

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1.  Calentar suavemente el extremo de un tubo capilar, de diámetro conocido, girándolo continuamente al fuego hasta que cierre completamente. Colocar en su interior una cantidad de líquido. Sellar el extremo superior del tubo dejando aire atrapado en ese sector. Repetir el procedimiento para el otro líquido. 2.  Fija los tubo en una regla de modo que su cero coincida con la parte sellada e introducirla en un con agua fríayjunto a un termómetro (Figura 5.1), después de dejar reposar unrecipiente tiempo, anote la altura la temperatura inicial de los líquidos. 3.  Calienta el agua lentamente y revuelve, asegurando que los líquidos y el termómetro se encuentren a la misma temperatura. Lea simultáneamente las alturas que ocupan los líquidos y las correspondientes temperaturas. Tome diez lecturas de estas, en lo posible entre 25 y 90 ºC. 4.  Convierta la altura de la columna en volumen utilizando el área del capilar. 5.  Grafique los datos experimentales con el volumen como función de la temperatura V = V0 ∆T  . Ajuste la gráfica a una recta experimental. 6.  La pendiente de esa recta será el coeficiente de dilatación volumétrica por el volumen inicial ( β V 0 ). 7.  Con la balanza determine la masa de líquido contenida en cada tubo. Grafique la densidad de cada líquido en función de la temperatura.

ACTIVIDADES ADICIONALES 1.  Discuta las posibles fuentes de error en el experimento. 2.  ¿En que consiste la dilatación anómala del agua? 3.  ¿Cómo realizaría este experimento con sólidos? ¿y con gases? 4.  Si este experimento isobárico se realiza con un gas ideal ¿cuál ley permitiría verificar? 5.  Si se extrapola la línea recta obtenida hacia el lado negativo de la escala de temperatura, ¿qué significado tendrá un valor de cero para el volumen? 6.  En el experimento: ¿El vidrio de los tubos se dilata? ¿Afecta los resultados? 7.  ¿Cuál es el efecto de la presión en el experimento? 8.  ¿Que opina de la práctica? ¿Que sugiere para mejorarla?

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18. CALOR CALOR ESPECÍFICO OBJETIVO

•  Analizar el concepto de energía interna de un cuerpo, su origen y el modo en que se manifiesta. •  Determinar la masa equivalente en agua del calorímetro. •  Determinar experimentalmente el valor del calor específico de algún material. MATERIAL Y EQUIPO 1.  Calorímetro 2.  Balanza 3.  Termómetro 4.  Estufa 5.  Agitador de vidrio 6.  Probeta de 250 ml 7.  Vaso de precipitado 8.  Tapones de corcho 9.  Cubos de metal

PROCEDIMIENTO El calor específico o capacidad calorífica de una sustancia es el calor que debe transferirse a una unidad de masa para que esta aumente su temperatura en un grado Celsius.

C = Q   m∆T   para determinarlo experimentalmente se utilizara un calorímetro el cual consiste de dos vasos metálicos separados entre si por un material aislante y cubierto por una tapa también aislante provista de un orificio a través del cual se introduce un termómetro. En esta práctica el calorímetro se considerará como una "caja negra" para efecto de los cálculos necesarios, es decir, no se hay que preocuparse de sus características específicas, solo de su propiedad de absorber o ceder calor, y como esta es una propiedad de todas las sustancias, en particular del agua, resulta sugestivo considerar al calorímetro como la masa de agua necesaria para que con la cantidad de calor transferida por el calorímetro se  produzca en ella la misma diferencia de temperaturas tempera turas del calorímetro. Qcalorímetro = C AmE ∆Tcalo rímetro   donde: m E   = Masa equivalente en agua del calorímetro. 59

 

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De esta forma se cuantificará el calor absorbido o cedido por el calorímetro en los cálculos necesarios para la determinación del calor específico del metal. Determinación de la masa equivalente: 1.  Colocar una masa ( m  A ) de agua a la temperatura ambiente ( T 0 ) en el calorímetro. 2.  Calentar agua ( m  ′A ) hasta una temperatura ( T 0′ ). 3.  Vaciar el agua caliente en el calorímetro y esperar a que se alcance el equilibrio ( T    F  ). Como: Qcalorímetro + QA = −Q′A   m E C A (TF − T0 ) + m AC A (TF − T0 ) = −m′AC A (TF  − T0′  )   m E  = −

m A (TF − T0 ) + m′A (TF  − T0′ )    (T F  − T 0 )

Determinación del calor específico del metal ( Cm ): 1.  Colocar los tubos de masa mC    en el calorímetro. Calentar una masa ( m  A ) de agua, vaciarla en el calorímetro y tomar la temperatura ( T 0 ) de equilibrio. 2.  Vaciar en el calorímetro una masa ( m  ′A ) de agua a temperatura ambiente ( T 0′ ). 3.  Esperar a que se alcance el equilibrio ( T    F  ). Como: Qcalorímetro + Q A + Qcubos = −Q′A   m E C A (TF − T0 ) + m AC A (TF − T0 ) + mC CM (TF − T0 ) = − m′AC A (TF  − T0′ )     m A′ (TF − T0′ ) + ( mE + m A ) ( TF  − T0 )    C A   mC (TF  − T 0 )  

C M = − 

Observaciones: 1.  En esta práctica resulta muy importante hacer cuidadosamente las lecturas de temperatura en el momento apropiado. 2.  Cuídese de no vaciar agua en el aislante, ya que esta tomará parte en el intercambio de calor que se llevará a cabo en el calorímetro. 3.  La práctica resultará más precisa si la masa de los cubos es grande (>100 g.)

ACTIVIDADES ADICIONALES 1.  ¿Qué se entiende por energía interna de un gas encerrado en un recipiente aislado térmicamente, un “termo” por ejemplo? 2.  ¿Corresponde la energía interna de un gas al calor? o ¿a su temperatura?

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3.  ¿Qué relación existe entre el calor cedido o absorbido (Q) y la variación de energía interna (∆U) que experimenta un gas en un proceso termodinámico? 4.  ¿Puede un trozo de hielo poseer mayor energía interna que cierta cantidad de agua en estado líquido o de vapor? 5.  ¿Cuántas maneras hay de cambiar la energía interna de un sistema?

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(18ª). CAPACIDAD CALORÍFICA OBJETIVO Determinar la capacidad calorífica de un calorímetro simple, y utilizarla para •  obtener la capacidad calorífica de un metal.

MARCO TEORICO Se define la capacidad calorífica (o calor específico) (C) como la cantidad de calor (q), para elevar la temperatura desde T1  hasta T2  de una masa (m) de un material las unidades respectivas usuales son: Cal /(mole*°K), y Cal/(gr*°K). La ecuación general que define la capacidad calorífica es: C = dq mdT  dq y dT representan el cambio infinitesimal de calor y temperatura respectivamente. Esta prácticasensible se desarrolla con líquidos a temperaturas talesel que transmisión de calor sea de carácter únicamente, para que se cumpla que calorla ganado expresado como (∫   m Cp dT) debe ser igual al calor perdido ( ∫  m  m Cp dT); por esta razón se debe conocer la capacidad calorífica del recipiente donde se efectúa la medida, puesto que también consume calor.

MATERIAL Y EQUIPO 1.  2.  3.  4.  5.  6.  7.  8.  9. 

Termo de 250 ml Termómetro Agitador de vidrio Tapón de corcho bihoradado. Probeta de 250 ml Vaso de poliestireno termo expansible (icopor) Tubo de ensayo de 29 x 200mm Vaso de precipitado de 400 ml Estaño metálico en granalla.

PROCEDIMIENTO CAPACIDAD CALORÍFICA DE UN TERMO Coloque dentro del termo o un calorímetro m 1 = 50 g de agua a 25ºC, tápelo colocando en el orificio del corcho o de la tapa, un termómetro de escala de precisión; agite hasta obtener en el termómetro una lectura constante de temperatura y regístrela como T l, mantenga tapado el recipiente. Mientras tanto, coloque 60 gramos de agua en un vaso de  precipitados previamente pesado y caliente hasta 50°C, cuando se encuentre a 50°C mida 62

 

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la masa exactamente de agua y registre este valor como m 2, mida nuevamente la temperatura y registre como T2. Agrégue el agua caliente lo más rápidamente posible al termo, con agua a 25°C y tape rápidamente, coloque el termómetro dentro del vaso de precipitados y agite hasta obtener una temperatura constante (T3). Suponiendo la masa de transferencia de calor del calorímetro como despreciable, se  procede a calcular la capacidad calor calorífica ífica C ddel el calorímetro (termo), (ter mo), aplicando la ecuación siguiente y considerando que el calor específico del agua (Cpa) es igual a l cal/(g*°K). m2 * C pa (T2 – T3 ) = (C + C pa * m1  ) * (T3  - Tl ) Una vez determinado C se seca muy bien el termo y se realiza la prueba para el metal. CAPACIDAD CALORÍFICA DE UN METAL Mida la masa de la esfera metálica a la cual va a medir la capacidad calorífica y regístrela como m3. Coloque durante 15anote minutos la esferalametálica en un agua en ebullición, exactamente temperatura delvaso aguade en precipitados ebullición (Tque 4) contenga Coloque dentro del termo o un calorímetro m 1 = 50 g de agua a 25ºC, tápelo colocando en el orificio del corcho o de la tapa, un termómetro de escala de precisión; agite hasta obtener en el termómetro una lectura constante de temperatura y regístrela como T l, mantenga tapado el recipiente. Levante el tapón del calorímetro y vierta, lo más rápidamente posible, el metal a la T 4, teniendo cuidado de que no entre ninguna cantidad adicional de agua. Tape el calorímetro, agite y anote la temperatura máxima leída en el termómetro (T 5). Calcule el calor específico del metal (Cp) conociendo la capacidad calorífica (C) del termo ycal/(g*oK). los datos experimentales obtenidos; considere el calor específico del agua igual a l m3 * Cp (T4 – T5) = (C + Cpa *m1 ) * (T5 – Tl) Cpa: Calor específico del agua Cp: Calor específico del metal

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19. PROPIEDADES PROPIEDADES DE SUSTANCIAS PURAS (PRESIÓN DE VAPOR) OBJETIVO

•  Determinar experimentalmente la presión de vapor de una sustancia. MARCO TEÓRICO La presión de vapor es la presión que ejercen en un líquido las moléculas que se encuentran en fase vapor a una temperatura determinada, debido a la velocidad de las partículas en su movimiento interno. Para entender mejor esto supongamos que colocamos una cantidad muy pequeña de agua en un recipiente y la dejamos abierta al ambiente a una temperatura  promedio de 15°C, después de un tiempo prudencial observamos que el agua se ha evaporado completamente y nunca llegó a la temperatura de ebullición, esto es debido a que internamente las partículas de agua se evaporan y condensan constantemente, las  partículas que se encuentran en fase vapor ejercerán presión sobre el sistema y lograrán escapar hasta evaporarse completamente la cantidad inicial de agua. La presión de vapor cambia proporcionalmente con la temperatura, hasta llegar a una temperatura en la cual la presión de vapor es igual a la presión atmosférica, esta es denominada la temperatura de ebullición o punto de ebullición de la sustancia. La temperatura de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión atmosférica. En un líquido puro, la temperatura se mantiene constante durante el proceso de ebullici ebullición. ón. Si el líquido no es puro, la temperatura aumenta gradualmente durante la ebullición.

MATERIAL Y EQUIPO Para presión de vapor: (PRECAUCION: SOLVENTES MUY VOLATILES NO ACERCAR DIRECTAMENTE A LA LLAMA) 1.  Amoniaco (para calentar usar agua a 40°C) 2.  Acetona (usar agua a 50°C) 3.  Etanol (usar agua a 85°C) 4.  Agua 5.  Balón fondo plano 250 mL con tapa corcho para conexión a tubo en U 6.  Pinza mohor o similar 7.  manómetro (tubo en U) 8.  Pipeta 9.  vaso de precipitados 500 mL 10. Estufa 11. Baño de maría

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PROCEDIMIENTO Hacer el montaje de la figura, colocar agua en el manómetro e igualar los niveles con el sistema cerrado; colocar el balón dentro de un baño de agua a la temperatura que se desea hacer la determinación; esperar 2 minutos, igualar los niveles nuevamente abriendo la pinza de mohor. Añadir al balón mediante la pipeta entre 2 y 3 mL del líquido. Cerrar la pinza y tomar tiempo, después de 10 minutos leer el desnivel producido que será la presión de vapor del líquido medida en cm o mm de agua Expresarlo en mmHg  (Si no hay desnivel, se debe desconectar el balón, lavar, secar y empezar nuevamente).

pipeta pinza

manómetr 

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20. CALOR CALOR LATENTE Y CALOR SENSIBLE OBJETIVO y analizarcalor. la curva tiempo-Temperatura para el cambio de fases del agua •  Determinar cuando se suministra

MARCO TEÓRICO Las sustancias puras pueden cambiar de fase cuando se suministra o retira calor, estos cambios se pueden analizar midiendo el tiempo y la temperatura. Cuando a una sustancia pura en fase sólida se le suministra calor, se observará que existe un aumento de temperatura hasta el punto de fusión que es la temperatura a la que la sustancia pasa del estado sólido al líquido. Si la sustancia es pura, la temperatura se mantiene constante durante la fusión, y sólo empieza a subir si se ha fundido todo el sólido. El punto de fusión de un sólido impuro es muy diferente. Generalmente, el sólido comienza fundir a una temperatura inferior al durante punto de fusión lo de que la sustancia pura. Además, laa temperatura aumenta progresivamente la fusión, es una muestra de impurezas en el sólido. Cuando el sólido se ha fundido completamente, tenemos el sistema en fase líquida y la temperatura comienza a aumentar nuevamente hasta que el líquido alcanza la temperatura de ebullición, o sea la temperatura a la que la presión de vapor del líquido es igual a la  presión atmosférica. En un líquido puro, la temperatura se mantiene constante durante el  proceso de ebullición. Si el líquido no es puro, la temperatura aumenta gradualmente durante la ebullición. En las etapas de cambio de fase (fusión, ebullición) existe transferencia de calor sin aumento de temperatura, esta transferencia se denomina calor latente, en las etapas de una sola fase, sí se observa el cambio de temperatura y hablamos de calor sensible. En esta práctica no vamos a calcular la cantidad de calor, sino el tiempo que se requiere en cada etapa.

MATERIAL Y EQUIPO 1.  2.  3.  4.  5.  6.  7. 

Vaso de precipitados agitador Hielo agua Termómetro Cronómetro estufa

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PROCEDIMIENTO Colocar 150 gr de agua sólida (hielo triturado) en un vaso de precipitados, medir la temperatura inicial, calentar lentamente (estufa en medio) y medir la temperatura cada dos minutos, continuar con la agitación hasta que el agua se ha evaporado completamente (Tiempo-Temperatura, OJO: el termómetroanotando no es unlos agitador generalmente se rompe ). Elaborar una curva cambiosy de fase.

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21. ENTALPÍA ENTALPÍA DE FUSIÓN DEL HIELO OBJETIVOS

•  Determinar la entalpía de fusión del hielo utilizando el método de las mezclas. •  Determinar el equivalente en agua del calorímetro. MATERIAL Y EQUIPO 1.  Calorímetro 2.  Balanza 3.  Termómetro 4.  Estufa 5.  Agitador de vidrio 6.  Probeta de 250 ml 7.  Vaso de precipitado 8.  Hielo y agua

PROCEDIMIENTO La entalpía de fusión del hielo, ∆ H  f  , (también denominada calor latente de fusión), se define como la cantidad de calor necesaria para pasar la unidad de masa de hielo del estado sólido al líquido a la temperatura de fusión del mismo. Si la presión bajo la cual se produce el cambio de fase se mantiene constante e igual a 1 atmósfera, la temperatura de fusión también se mantiene constante y es igual a 0ºC. Se puedededeterminar el calor latente cómo varía la temperatura mezcla agua y hielo cuando éstedesefusión funde.midiendo Para evitar intercambios de calor de conuna el medio, se debe hacer la mezcla dentro de un calorímetro, el cual es, simplemente, un recipiente cerrado y térmicamente aislado. Determinación del equivalente en agua del calorímetro Cuando en un calorímetro se coloca un líquido a temperatura distinta de la suya, el calorímetro absorbe (o cede) algo de calor. A la hora de hacer el balance calorimétrico es  posible imaginar que el ccalorímetro alorímetro se comporta ccomo omo una cantidad de agua a gua adicional qu quee hubiera que calentar o enfriar al hacer cualquier mezcla. Se define por tanto el equivalente en agua del calorímetro como la masa de agua que absorbería (o cedería) la misma cantidad de calor que el calorímetro, para modificar su temperatura desde la inicial del calorímetro a la final del mismo. 1.  Para determinar el equivalente en agua del calorímetro, comience por pesar el calorímetro vacío y seco, y anote el valor de la masa obtenido mCal . 68

 

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2.  Tome una cantidad de agua (unos 200 cm3) y, utilizando la estufa, caliéntela hasta unos 10 ºC por encima de la temperatura ambiente. Una vez caliente, vierta esta agua en el calorímetro y ciérrelo. Determine ahora la masa del calorímetro con el agua m( Cal + agua agua ),1 . La masa de agua añadida, m A   se obtendrá por diferencia entre las dos  pesadas anteriores. 3.  Observe cómo evoluciona el nivel del mercurio en el termómetro del calorímetro; cuando este nivel se estabilice, anote el valor de la temperatura del sistema (agua + calorímetro), T . T 1 .  NOTA: El calorímetro debe mantenerse continuamente tapado durante todos los experimentos. Sólo se destapará cuando haya que poner algo dentro de él. 4.  Mientras se estabiliza la temperatura en el calorímetro, tome unos 200 cm3 de agua y enfríelos añadiendo un poco de hielo picado (hasta unos 10ºC por debajo de la temperatura ambiente). 5.  Cuando se ha enfriado el agua y en la mezcla no queda nada de hielo, se toma nota de la temperatura de esta agua fría, T 2 , se vierte en el calorímetro y se tapa. Note que ha medido la temperatura del agua fría antes de ponerla en calorímetro. 6.  La masa de agua fría añadida, m B  se obtiene pesando de nuevo el calorímetro con el agua caliente y fría. Si la masa total es ahora m( Ca Call + agu aguaa ),2 , la masa de agua fría es: m B = m( Cal + agua ),2 − m( Cal + agua ),1   7.  Agite suavemente la mezcla en el calorímetro, e introduzca el termómetro. Anote la temperatura de equilibrio de la mezcla T final . En este proceso el calorímetro y el agua caliente ceden calor y bajan su temperatura, mientras que el agua fría recibe dicho calor y aumenta su temperatura. Por consiguiente, la ecuación de balance calorimétrico, en el equilibrio, tiene la siguiente forma: c ( m + K ) (T − T  A

1

) = cm (T

final

B

final

− T )    2

siendo c  el calor específico del agua, c =  4169 J/(kg K). 8.  Por tanto, el equivalente en agua del calorímetro  K  se calcula mediante la ecuación:  K =

m B (Tfinal − T 2 ) − m A   (T1 − T final )

El procedimiento utilizado de mezclar distintas masas a distintas temperaturas y medir la temperatura final de equilibrio se denomina método de las mezclas y se va a utilizarlo también para la determinación de la entalpía de fusión del hielo. Determinación la entalpía de fusión del hielo 1.  Para determinar la entalpía de fusión del hielo, tome aproximadamente unos 40 g (la medida precisa de esta masa le realizaremos más tarde, por diferencia de pesadas) de hielo granizado y séquelo lo más posible sin tocarlo directamente con los dedos. En el calorímetro se tiene el agua que queda de la primera parte de la práctica. 69

 

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2.  Justo antes de adicionar el hielo en el calorímetro, lea y anote nuevamente la temperatura del calorímetro con el agua, T 3   (esta temperatura deberá coincidir  prácticamente con la última que hizo, T 2 , pero puede diferir ligeramente). 3.  Tape el calorímetro y siga atentamente la evolución de la temperatura del sistema (calorímetro, agua y hielo), durante unos minutos, hasta que todo el hielo se haya fundido. Para comprobar que el hielo se ha fundido, no necesita estar destapando continuamente el calorímetro; lo sabrá porque la temperatura deja de bajar y se estaciona en un cierto valor durante unos minutos. Esta temperatura se anota y se ′ . denomina T final 4.  En este ensayo, el calor cedido por el agua caliente y el calorímetro deberá igualar al calor que ha tomado el hielo para fundirse (calor de fusión) más el necesario para elevar ′ . su temperatura desde la de fusión T fusión   = 0 ºC  hasta la temperatura de equilibrio T final Si la masa de hielo es mC  , este balance se expresa como: mC ∆H f + cmC (Tf′inal − Tfusión ) = c(mB + K ) (T3 − Tf′in al )   y por tanto, la entalpía de cambio de fase vendrá dada por:  (m + K ) (T3 − Tf′in  al )  ∆ H f  = c   B − (Tf′inal − T fusión )    mC    Para medir la masa de hielo mC  , se pesa una vez más el calorímetro con todo lo que contiene, y se le resta la masa anterior m( Ca Call + aagu guaa ),2  

ACTIVIDADES ADICIONALES 1.  Cuales son las incertidumbres en la determinación del: equivalente en agua del calorímetro, entalpía de fusión del hielo. 2.  ¿Por qué es preciso no tener hielo cuando se determina el equivalente en agua del calorímetro? 3.  Si el equivalente en agua del calorímetro es 50 g, ¿significa esto que la masa del calorímetro es igual a 50 gramos?. 4.  ¿Cómo debería escribirse la ecuación de balance energético para incluir la posible circunstancia de que el trozo de hielo tenga una temperatura inferior a la de fusión? 5.  ¿Por qué el hielo añadido ha de estar seco cuando se trata de determinar su entalpía de fusión? 6.  Cuando se hace la determinación del equivalente en agua del calorímetro, se sugiere tomar aproximadamente las mismas cantidades de agua y ajustar las temperaturas, de modo que el agua caliente esté unos 10ºC por encima de la temperatura ambiente y la fría 10ºC por debajo. ¿Cómo justifica esta sugerencia?

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