La materia, en el universo, se presenta en tres estados básicos, los cuales, son: sólido, líquido y gaseoso. De acuerdo al estado que presenta la materia, se establecen características y propiedades específicas, las cuales, dependen directamente de su composición física. También existen atributos, como la densidad y el peso especifico, que definen a cualquier materia en general.
Una propiedad importante que caracteriza la materia, como se mencionó anteriormente, es su densidad ya que define la relación existente entre la masa y el volumen de la misma. En la antiguedad, se realizaron estudios para determinar estas propiedades y fue el famoso matemático griego Arquímedes, quien determinó dicha relación y gracias a ello hoy podemos entender la diferencia existente entre dos cuerpos que tienen la misma masa.
La densidad de un líquido, se puede determinar empleando diversas técnicas diferentes. Una de ellas, es la técnica de presión hidrostática, la cual corresponde a una técnica indirecta, ya que, se sustenta en el hecho de que la presión en un punto determinado del líquido depende de la altura de la columna de líquido que tenga por encima de ella y por lo tanto, conociendo el parámetro de presión para a esa altura determinada, es posible determinar la densidad del liquido estudiado.
En la siguiente practica de laboratorio se realizara el cálculo de la densidad del aceite, empleando la técnica de presión hidrostática, el transmisor de presión diferencial electrónico y la maqueta hidráulica existente en el laboratorio, no sin antes, revisar algunos conceptos importantes que permitan adquirir conocimiento acerca de la características físicas de la materia y las propiedades de estos en relación a esas características físicas.
OBJETIVOS.
GENERAL.
Conocer el método de medición de densidad utilizando un medidor de presión calibrado.
ESPECIFICOS.
Calibrar el transmisor de presión diferencial electrónico.
Aplicar el método de presión hidrostática para el cálculo de la densidad de un líquido determinado.
Determinar la eficacia del método de medición, mediante el cálculo de los errores.
ESTRUCTURA DE LA MATERIA.
La materia, por lo general, se presenta en los siguientes estados: sólido, líquido y gaseoso.
En el estado sólido las moléculas se encuentran muy cerca unas de otras y por lo tanto las fuerzas de cohesión entre ellas son sumamente intensas. Esto determina que los sólidos posean una forma definida y ocupen un volumen propio.
En el estado líquido las moléculas se encuentran dispuestas a mayor distancia que en los sólidos, por lo que las fuerzas de cohesión entre ellas son pequeñas. Esto determina que ocupen un volumen propio, pero que no tengan una forma definida, sino que adopten la del recipiente que los contiene.
En el estado gaseoso las distancias entre las moléculas son muy grandes, por lo que las fuerzas de cohesión entre ellas son prácticamente nulas. Esto determina que presenten una tendencia a ocupar el mayor volumen posible al poder expandirse con facilidad.
FLUIDO.
Se denomina fluidos a aquellos cuerpos que pueden fluir y adoptan la forma del recipiente que los contiene. Los fluidos se dividen en líquidos y gases, dependiendo de sus fuerzas de cohesión interna.
PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS.
Los gases y los líquidos comparten algunas propiedades comunes. Sin embargo, entre estas dos clases de fluidos existen también notables diferencias:
Los gases tienden a ocupar todo el volumen del recipiente que los contiene, mientras que los líquidos adoptan la forma de éste pero no ocupan la totalidad del volumen.
Los gases son compresibles, por lo que su volumen y densidad varían según la presión; los líquidos tienen volumen y densidad constantes para una cierta temperatura (son incompresibles).
Las moléculas de los gases no interaccionan físicamente entre sí, al contrario que las de los líquidos; en donde el principal efecto de esta interacción se denomina viscosidad.
LÍQUIDOS IDEALES.
En los líquidos se producen fuerzas que interfieren el movimiento molecular a causa del rozamiento que se produce al deslizar las moléculas. Estas fuerzas originan la viscosidad y existen en todos los líquidos reales en mayor o menor medida. Los líquidos en que no existe viscosidad se denominan líquidos ideales o perfectos.
GASES IDEALES.
El choque de las moléculas gaseosas contra las paredes del recipiente que las contiene o contra otras moléculas gaseosas también origina fricciones. Los gases en que se suponen despreciables dichas fricciones reciben el nombre de gases ideales o perfectos. LA viscosidad es muchísimo menor para los gases.
CARACTERÍSTICAS D E LOS LÍQUIDOS.
VISCOSIDAD.
Esta propiedad se origina por el rozamiento de unas partículas con otras, cuando un líquido fluye. Por tal motivo, la viscosidad se puede definir como una medida de la resistencia que opone un líquido al fluir. La viscosidad depende en gran medida de la temperatura.
Si en un recipiente perforado en el centro se hacen fluir por separado miel, leche, agua y alcohol, observamos que cada líquido fluye con distinta rapidez; mientras más viscoso es un líquido, más tiempo tarda en fluir.
La unidad para medir la viscosidad es el poiseville o poise, que es la velocidad que tiene un fluido en movimiento rectilíneo uniforme en una superficie plana, al ser retardado por una fuerza de un newton por metro cuadrado.
TENSIÓN SUPERFICIAL.
Este fenómeno se presenta debido a la atracción entre las moléculas del líquido. Cuando se coloca un líquido en un recipiente, las moléculas interiores se atraen entre sí en todas direcciones por fuerzas iguales que se contrarrestan unas con otras; pero las moléculas de la superficie libre del líquido sólo son atraídas por las inferiores y laterales más cercanas. Por lo tanto, la resultante de las fuerzas de atracción ejercidas por las moléculas próximas a una de la superficie, se dirige hacia el interior del líquido, lo cual da origen a la tensión superficial.
COHESIÓN.
Es la fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia. Por la fuerza de cohesión, si dos gotas de agua se juntan forman una sola; lo mismo sucede con dos gotas de mercurio.
ADHERENCIA.
La adherencia es la fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes en contacto. Comúnmente las sustancias líquidas se adhieren a los cuerpos sólidos.
Si introducimos una varilla de vidrio en un recipiente con agua, la sacamos mojada, pues el agua se adhiere al vidrio. Pero si la varilla de vidrio se introduce en un recipiente con mercurio, al sacarla se observa completamente seca, lo cual indica que no hay adherencia entre el mercurio y el vidrio.
En general, el fenómeno de adherencia se presenta cuando la fuerza de cohesión entre las moléculas de una misma sustancia es menor a la fuerza de atracción que experimenta al contacto con otra. Tal es el caso del agua adherida al vidrio, la pintura al adherirse a un muro, el aceite al papel, o la tinta a un cuaderno. Si la fuerza de cohesión entre las moléculas de una sustancia es mayor que la fuerza de adherencia que experimenta al contacto con otra sustancia, no se presenta adherencia y se dice que el líquido no moja al sólido.
CAPILARIDAD.
La capilaridad se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida, especialmente si son tubos muy delgados; llamados capilares.
Al introducir un tubo de diámetro muy pequeño en un recipiente con agua, se observa que el líquido asciende por el tubo alcanzando una altura mayor que la de la superficie libre del líquido. La superficie del líquido contenido en el tubo no es plana, sino que forma un menisco cóncavo
MECÁNICA DE FLUIDOS.
Parte de la Física que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, la ingeniería civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía.
La mecánica de fluidos puede subdividirse en dos campos principales: la estática de fluidos o hidrostática, la cual, se ocupa de fluidos en reposo, y la dinámica de fluidos, que trata de fluidos en movimiento. El término de hidrodinámica se aplica al flujo de líquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incompresible. La aerodinámica o dinámica de gases, se ocupa del comportamiento de los gases cuando los cambios de velocidad y presión son suficientemente grandes para que sea necesario incluir los efectos de compresibilidad.
Entre las aplicaciones de la mecánica de fluidos están la propulsión a chorro, las turbinas, los compresores y las bombas. La hidráulica estudia la utilización en ingeniería de la presión del agua o del aceite.
ESTÁTICA DE LOS FLUIDOS O HIDROSTÁTICA.
Una característica fundamental de cualquier fluido en reposo es que la fuerza ejercida sobre cualquier partícula del fluido es la misma en todas direcciones. Si las fuerzas fueran desiguales, la partícula se desplazaría en la dirección de la fuerza resultante.
figura.1
De ello se deduce que la fuerza por unidad de superficie (Presión) que el fluido ejerce contra las paredes del recipiente que lo contiene, sea cual sea su forma, es perpendicular a la pared en cada punto. Si la presión no fuera perpendicular, la fuerza tendría una componente tangencial no equilibrada y el fluido se movería a lo largo de la pared.
PRESIÓN HIDROSTÁTICA.
Dado un fluido en equilibrio, donde todos sus puntos tienen idénticos valores de temperatura y otras propiedades, el valor de la presión que ejerce el peso del fluido sobre una superficie dada es:
figura.2
Donde p la presión hidrostática, r la densidad del fluido, g la aceleración de la gravedad y h la altura de la superficie del fluido. Es decir, la presión hidrostática es independiente del líquido, y sólo es función de la altura que se considere.
Por tanto, la diferencia de presión entre dos puntos A y B cualesquiera del fluido viene dada por la expresión:
figura.3
figura.4
PRINCIPIO DE PASCAL.
Sabemos que un líquido produce una presión hidrostática debido a su peso, pero si el líquido se encierra herméticamente dentro de un recipiente, puede aplicársele otra presión utilizando un émbolo; dicha presión se transmitirá íntegramente a todos los puntos del líquido. Esto se explica si recordamos que los líquidos, a diferencia de los gases y los sólidos, son prácticamente incompresibles. Esta observación fue hecha por Blaise Pascal, quien enunció el siguiente principio, que lleva su nombre:
“Toda presión que se ejerce sobre un líquido encerrado en un recipiente, se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del líquido y a las paredes del recipiente que los contiene.”
El Principio de Pascal puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma presión.
PRENSA HIDRÁULICA.
La prensa hidráulica es una de las aplicaciones del Principio de Pascal. Consta esencialmente de dos cilindros de diferente diámetro, cada uno con su respectivo émbolo, unidos por medio de un tubo de comunicación. Se llenan de líquido el tubo y los cilindros, y al aplicar una fuerza F1 en el émbolo de menor tamaño, la presión que genera se transmite íntegramente al émbolo mayor, donde se obtiene una fuerza F2. Al penetrar el líquido en el cilindro mayor, unido a una plataforma, el líquido empuja el émbolo hacia arriba. Como la presión es igual al cociente entre la fuerza y la superficie, se tiene que
figura.5
Como S2 > S1, la fuerza obtenida en el segundo émbolo es mayor que la que se ejerce en el primero. Por ello, con una prensa hidráulica es posible alzar grandes pesos aplicando fuerzas pequeñas o moderadas.
EMPUJE DE LOS CUERPOS SUMERGIDOS.
La presión que ejerce un fluido sobre las paredes del recipiente que lo contiene y la frontera de los cuerpos sumergidos en él produce en éstos una fuerza ascensional llamada empuje.
Por tanto, en un cuerpo sumergido actúan dos fuerzas de sentido contrario: el peso descendente y el empuje ascendente.
figura6
PRINCIPIO DE ARQUIMEDES.
Todo cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje ascendente igual al peso del fluido desalojado. El fluido desalojado es igual al volumen del cuerpo que se introdujo en el fluido. En un cuerpo totalmente sumergido en un líquido, todos los puntos de su superficie reciben una presión hidrostática, que es mayor conforme aumenta la profundidad de un punto. Las presiones ejercidas sobre las caras laterales opuestas del cuerpo se neutralizan mutuamente, sin embargo, está sujeto a otras dos fuerzas opuestas; su peso que lo empuja hacia abajo y el empuje del líquido que lo impulsa hacia arriba. Este enunciado se conoce como se expresa como:
Donde pf es la densidad del fluido, Vc es el volumen del líquido desalojado y g la gravedad.
Figura.8
Esto explica por qué flota un barco muy cargado; su peso total es exactamente igual al peso del agua que desplaza, y esa agua desplazada ejerce la fuerza hacia arriba que mantiene el barco a flote.
El punto sobre el que puede considerarse que actúan todas las fuerzas que producen el efecto de flotación se llama centro de flotación, y corresponde al centro de gravedad del fluido desplazado. El centro de flotación de un cuerpo que flota está situado exactamente encima de su centro de gravedad. Cuanto mayor sea la distancia entre ambos, mayor es la estabilidad del cuerpo.
DENSIDAD.
Los cuerpos difieren por lo general en su masa y en su volumen. Estos dos atributos físicos varían de un cuerpo a otro, de modo que si consideramos cuerpos de la misma naturaleza, cuanto mayor es el volumen, mayor es la masa del cuerpo considerado. No obstante, existe algo característico del tipo de materia que compone al cuerpo en cuestión y que explica el porqué dos cuerpos de sustancias diferentes que ocupan el mismo volumen no tienen la misma masa o viceversa.
Aun cuando para cualquier sustancia la masa y el volumen son directamente proporcionales, la relación de proporcionalidad es diferente para cada sustancia. Es precisamente la constante de proporcionalidad de esa relación la que se conoce por densidad Y se expresa por la relación siguiente:
figura.9
A diferencia de la masa o el volumen, que dependen de cada objeto, su cociente depende solamente del tipo de material de que está constituido y no de la forma ni del tamaño de aquél. Se dice por ello que la densidad es una propiedad o atributo característico de cada sustancia. En los sólidos la densidad es aproximadamente constante, pero en los líquidos, y particularmente en los gases, varía con las condiciones de medida. Así en el caso de los líquidos se suele especificar la temperatura a la que se refiere el valor dado para la densidad y en el caso de los gases se ha de indicar, junto con dicho valor, la presión.
TABLA DE DENSIDADES DE ALGUNOS MATERIALES.
figura.10
TABLA DE DENSIDADES DE ALGUNAS SUSTANCIAS.
figura.11
PRESIÓN.
Cuando se ejerce una fuerza sobre un cuerpo deformable, los efectos que provoca dependen no sólo de su intensidad, sino también de cómo esté repartida sobre la superficie del cuerpo. Así, un golpe de martillo sobre un clavo bien afilado hace que penetre mas en la pared de lo que lo haría otro clavo sin punta que recibiera el mismo impacto. Un individuo situado de puntillas sobre una capa de nieve blanda se hunde, en tanto que otro de igual peso que calce raquetas, al repartir la fuerza sobre una mayor superficie, puede caminar sin dificultad. El cociente entre la intensidad F de la fuerza aplicada perpendicularmente sobre una superficie dada y el área A de dicha superficie se denomina presión.
figura.12
LA PRESIÓN EN LOS FLUIDOS.
El concepto de presión es muy general y por ello puede emplearse siempre que exista una fuerza actuando sobre una superficie. Sin embargo, su empleo resulta especialmente útil cuando el cuerpo o sistema sobre el que se ejercen las fuerzas es deformable. Los fluidos no tienen forma propia y constituyen el principal ejemplo de aquellos casos en los que es más adecuado utilizar el concepto de presión que el de fuerza.
Cuando un fluido está contenido en un recipiente, ejerce una fuerza sobre sus paredes y, por tanto, puede hablarse también de presión. Si el fluido está en equilibrio las fuerzas sobre las paredes son perpendiculares a cada porción de superficie del recipiente, ya que de no serlo existirían componentes paralelas que provocarían el desplazamiento de la masa de fluido en contra de la hipótesis de equilibrio. La orientación de la superficie determina la dirección de la fuerza de presión, por lo que el cociente de ambas, que es precisamente la presión, resulta independiente de la dirección; se trata entonces de una magnitud escalar.
METODO DE PRESIÓN DIFERENCIAL.
figura.13
Las tomas de presión diferencial; se hacen, una en la parte inferior, otra en la parte superior, siempre y cuando se trate de tanques cerrados sometidos a presión, cuando es para tanques abiertos la toma de baja presión se ventea a la atmósfera
