TRABAJO DE TERMODINAMICA

COMO MEDIR LA DENSIDAD DE SOLIDOS, LIQUIDOS, Y GASES

ING.

UNIVERSIDAD DE SUCRE

FACULTAD DE INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA AGRICOLA

ASIGNATURA: TERMODINAMICA

SINCELEJO SUCRE

AO 2013

INTRODUCCION

La densidad es una propiedad fsica que la caracteriza y est definida como el cociente entre la masa y el volumen de la sustancia que se trate. Esta propiedad depende de la temperatura, por lo que al medir la densidad de una sustancia se debe considerar la temperatura a la cual se realiza la medicin1. No obstante su valor es especfico para cada sustancia, lo cual permite identificarla o diferenciarla de otras. Se acostumbra a expresar la densidad de los lquidos y slidos en g/mL o g/cm3 y la densidad e los gases en g/L2.

Entre los instrumentos ms comunes para la medida de densidades tenemos: El densmetro, El picnmetro, La balanza hidrosttica, La balanza de Mohr, Otra posibilidad para determinar las densidades de lquidos y gases es utilizar un instrumento digital basado en el principio del tubo en U oscilante3.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Identificar con que instrumento se determina la densidad de los solidos, los lquidos y los gases.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Conocer los fundamentos fsicos de los instrumento.

MARCO TEORICO

La densidad

Una de las propiedades de los slidos, as como de los lquidos e incluso de los gases es la medida del grado de compactacin de un material es decir su densidad. La densidad es una medida de cunto material se encuentra comprimido en un espacio determinado; es la cantidad de masa por unidad de volumen.

En Fsica tenemos que trabajar con cuerpos que tienen materia, por lo tanto cada unidad de materia podra significar una molcula o un tomo. Si el cuerpo es una sustancia pura, de un solo elemento (como un trozo de aluminio puro por ejemplo), entonces cada unidad material ser un tomo, pero si el cuerpo es una sustancia compuesta (como un trozo de bronce por ejemplo), cada unidad material podr considerarse como una molcula4.

Tabla de densidades a 25C

Slidos

g/cm3

kg/m3

Lquidos

g/cm3

kg/m3

Gases (0 C, 1 atm)

g/cm3

kg/m3

Aluminio

2,7

2.700

Acetona

0,79

790

Aire

0,0013

1,3

Corcho

0,25

250

Aceite

0,92

920

Butano

0,0026

2,6

Cobre

8,96

8.960

Agua de mar

1.025

1.025

Dixido de carbono

0,0018

1,8

Hielo

0,92

920

Agua destilada

1

1.000

Hidrgeno

0,0008

0,8

Hierro

7,9

7.900

Alcohol etlico

0,79

790

Oxgeno

0,0014

1,4

Madera

0,2-0,8

200-800

Gasolina

0,68

680

Plomo

11,3

11.300

Leche

1,03

1.030

Vidrio

3,0-3,6

3.000-3.600

Mercurio

13,6

13.600

INSTRUMENTO PARA MEDIR LA DENSIDADES

INSTRUMENTO PARA MEDIR LA DENSIDAD DE UN SOLIDO

PICNOMETRO

El picnmetro o botella de gravedad especfica, es un frasco de vidrio con un cierre sellado que consta de un tapn el cual dispone de un conducto central de dimetro muy pequeo, es de gran utilidad para el clculo de la densidad de productos pulverulentos, como puede ser: cemento, arena, etc.

El Picnmetro es un recipiente de vidrio provisto de un tapn con un tubo capilar marcado con un enrase en su parte superior. Por medio de la balanza se Realizan las siguientes pesadas:

1) Peso del slido: M1

2) Peso del Picnmetro lleno de agua destilada: M2

3) Peso del Picnmetro con agua destilada y el slido: M3

Al realizar las pesadas con el Picnmetro se llena de agua destilada hasta la seal de enrase, si sta es sobrepasada se introduce un palillo hecho con papel de filtro para absorber el lquido sobrante. Hay que procurar secar el picnmetro por fuera, con un pao o papel de filtro.5

Densidad V=

Siendo d la densidad del agua = 1 g/cm3

Densidad=

BALANZA HIDROESTATICA

Labalanza hidrostticaes un modelo de bscula sirve para mltiples funciones. Por un lado, contribuye a la comprobacin experimental del Principio de Arqumedes respecto a los cuerpos sumergidos en lquido y, por el otro, ayuda a determinar, tambin de una forma experimental, ladensidad de los cuerpos slidos.

la balanza hidrosttica, cuenta con una cruz que puede ser elevada a partir del uso de una horquilla y de una cremallera que va a estar mandada por un tornillo. Sus platillos, por otra parte, terminan de manera inferior en un gancho. De uno de ellos puede suspenderse un cilindro hueco elaborado en metal y, seguido a este, otro de igual volumen que la capacidad del anterior, aunque de estructura maciza.

La balanza hidrosttica se basa en el Principio de Arqumedes "todo cuerpo parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta un empuje ascensional igual al peso del fluido desplazado. Primeramente se calcula la masa del cuerpo, M, depositndolo sobre el platillo de la balanza. A continuacin se suspende el cuerpo de un soporte y se introduce en un vaso o probeta lleno de agua sumergindole totalmente, y viendo el empuje que experimenta.6

Peso del cuerpo = M.g

Empuje = Peso del volumen de agua desalojada por el cuerpo

sumergido = d.g.V, siendo d la densidad del agua = 1 g/cm3

La DENSIDAD es el cociente

PROVETA

Laprobetao cilindro graduada es un instrumentovolumtrico, hecho de vidrio, que permite medir volmenes y sirve para contener lquidos.

Est formado por un tubo generalmente transparente de unos centmetros de dimetro y tiene una graduacin desde 0 mlhasta el mximo de la probeta, indicando distintos volmenes. En la parte inferior est cerrado y posee una base que sirve de apoyo, mientras que la superior est abierta (permite introducir el lquido a medir) y suele tener un pico (permite verter el lquido medido). Generalmente miden volmenes de 25 o 50 ml, pero existen probetas de distintos tamaos; incluso algunas que pueden medir un volumen hasta de 2000 ml.7

Puede estar constituido de vidrio (lo ms comn), o de plstico. En este ltimo caso puede ser menos preciso; pero posee ciertas ventajas, por ejemplo, es ms difcil romperla, y no es atacada por elcido fluorhdrico(cido que no se puede poner en contacto con el vidrio ya que se corroe, en cuyo caso la probeta s lo soporta).

Se utiliza para determinar la densidad de un slido de la siguiente manera El slido se sumerge con cuidado y completamente en una probeta que contiene un volumen exacto de agua (Vo). Luego se lee cuidadosamente el volumen final (Vf). El volumen del slido corresponde a la diferencia:

V =V =Vf-Vo

con los datos obtenidos se puede determinar la densidad 8

INSTRUMENTO PARA MEDIR LA DENSIDAD DE UN LQUIDO

EL DENSIMETRO

Instrumento de metal graduado que se utiliza para medir la densidad de un lquido. Se basa en el principio hidrosttico del matemtico e inventor griego Arqumedes, que establece que cualquier cuerpo sumergido en un lquido experimenta un empuje hacia arriba igual a la masa del lquido desalojado. El densmetro tiene una parte inferior en forma de ampolla llena de plomo o mercurio y flota por s mismo en la disolucin a medir. Cuando est sumergido, la varilla graduada se eleva verticalmente para dar una lectura de la escala. Los densmetros deben calibrarse segn el tipo de lquido que hay que analizar, y a una temperatura tipo, normalmente 4 C o 20 C. Existen distintos tipos de densmetros que miden la densidad y la pureza de los acumuladores, de las calderas de los barcos, del suelo y de la leche9.

Ilustracin 2: Densmetro manual

Ilustracin 1: Densmetro digital

EL PICNMETRO

El picnmetro es un instrumento sencillo utilizado para determinar con precisin la densidad de los solidos, lquidos y de los gases. Su caracterstica principal es la de mantener un volumen fijo al colocar diferentes lquidos en su interior. Esto nos sirve para comparar las densidades de dos lquidos pesando el picnmetro con cada lquido por separado y comparando sus masas.

BALANZA HIDROSTATICA DE GALILEO GALILEI

Una balanza hidrosttica es un mecanismo experimental destinado al estudio de la fuerza de impulso ejercida por fluidos sobre los cuerpos en ellos inmersos. Fue inventada por Galileo Galilei. Su funcionamiento se basa en el principio de Arqumedes y est especialmente concebida para la determinacin de densidades de slidos y lquidos.

La balanza hidrosttica es un modelo de bscula sirve para mltiples funciones. Por un lado, contribuye a la comprobacin experimental del Principio de Arqumedes (sobre el cual ampliaremos ms adelante) respecto a los cuerpos sumergidos en lquido y, por el otro, ayuda a determinar, tambin de una forma experimental, la densidad de los cuerpos slidos.

El principio en el que basa asegura que "todo cuerpo parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta un empuje ascensional igual al peso del fluido desplazado". Si tenemos que colocarla en un determinado grupo, esta medidora puede ser fcilmente catalogada como de precisin, justamente por la exactitud en los resultados finales del pesaje. En cuanto al sistema de operacin de la balanza hidrosttica, cuenta con una cruz que puede ser elevada a partir del uso de una horquilla y de una cremallera que va a estar mandada por un tornillo. Sus platillos, por otra parte, terminan de manera inferior en un gancho. De uno de ellos puede suspenderse un cilindro hueco elaborado en metal y, seguido a este, otro de igual volumen que la capacidad del anterior, aunque de estructura maciza10.

LA BALANZA DE MORH

Con el mismo fundamento que la balanza hidrosttica, construy Mohr. una balanza especial para determinar densidad de lquidos. Posteriormente introdujo Westphal ciertas modificaciones empleando unas pesas cuyas masas guardan una determinada relacin entre s y a su vez con la masa de un flotador cilndrico de vidrio en cuyo interior hay colocado un termmetro. La balanza es de brazos desiguales; est dotada de un contrapeso en uno de sus extremos y de un ndice que marca la posicin de equilibrio. Al colgar el flotador en el aire, pendiente de su gancho, el sistema se encuentra equilibrado. Cuando el cilindro se sumerge en el agua contenida en una probeta, la balanza se desequilibra como consecuencia del empuje de Arqumedes, y en este caso se precisa colocar una pieza en forma de reiter montada inmediatamente encima del gancho flotador y en su misma vertical. As se indica que el peso del referido reiter es el mismo que el del volumen de agua desalojado por el cilindro y que la densidad es 1.

Cuando la operacin se realiza sumergiendo el flotador o cilindro en el seno de un lquido desconocido y de densidad superior a la del agua, el peso del lquido desalojado es mayor en este caso, por lo que se necesitan aadir otros reiteres en las muescas sealadas sobre el brazo ms largo de la balanza. Estas marcas estn a distancias determinadas, de manera que cada una de ellas representa un valor diferente del efecto gravitatorio provocado en la muesca o marca anterior. Adems del reiter superior existen otros ms pequeos con valores que significan la dcima parte de la masa del anterior. De esta forma es posible establecer el equilibrio con los reiteres adecuados una vez situados en las posiciones que correspondan.

En el caso de lquidos de densidad inferior a la del agua no se precisa, como es lgico, la utilizacin de la primera pieza, realizndose por lo dems las adiciones siguientes de forma conveniente11.

Ilustracin 5: LA BALANZA DE MORH

INSTRUMENTO PARA MEDIR LA DENSIDAD DE UN GAS

PICNOMETRO DE HELIO

El funcionamiento de los picnmetros de gas se basa en la Ley de Boyle-Mariotte aplicada al comportamiento de gases ideales. Para poder aplicar este principio es necesario usar un gas cuyo comportamiento pueda describirse como el de un gas ideal, es decir, que cumpla la Ley de los Gases Ideales. El gas utilizado es el Helio, aunque es posible utilizar cualquier otro que cumple estas caractersticas.

La Ley de Boyle-Mariotte, formulada por Robert Boyle y Edme Mariotte, es una de las leyes delos gases ideales que relaciona el volumen y la presin de una cierta cantidad de gas mantenida a temperatura constante. Segn esta sencilla ley, el volumen es inversamente proporcional a la presin, siempre y cuando la temperatura y la masa del gas permanezcan constantes:

P V = k,

Donde k es constante. De este modo, esta Ley puede ser vista como una simplificacin de la Ley de los Gases Ideales particularizada en procesos isotermos donde nRT = k, lo que significa que la temperatura (T) y el nmero de moles debe permanecer constantes durante todo el proceso. Para poder comprobar su teora, Boyle hizo el experimento siguiente: Introdujo un gas en un cilindro con un mbolo y comprob las distintas presiones al bajar el mbolo. Por lo tanto, se deduce que, en trminos generales, cuando aumenta la presin el volumen disminuye, mientras que si la presin disminuye el volumen aumenta.12

p1*v1=p2*v2

CONCLUSIONES

En la determinacin de densidades de los lquidos, solidos y gases es necesario tener en cuenta la temperatura de los cuerpo, puesto esto un facto que influye directamente en el valor de la densidad.

El instrumento que permite medir la densidad en todos los estados de la materia es el picnmetro, ya que este tiene un volumen fijo que permite que todos los cuerpos tenga el mismo volumen por lo que el valor de la densidad estar dependiente a la masa.

BIBLIOGRAFIA

1. http://www.fisica.uson.mx/manuales/mecyfluidos/mecyflu-lab10.pdf

2. http://www.buenastareas.com/ensayos/Densidad-De-Un-Gas/723863.html

3. http://www.slideshare.net/MuerdaseuncodoII/densidad-13004620

4. http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Densidad_Concepto.htm

5. http://ocw.unican.es/ensenanzas-tecnicas/fisica-i/practicas-1/practica4.pdf

6. http://www.basculasbalanzas.com/tipos/hidrostatica.html

7. http://es.wikipedia.org/wiki/Probeta_(qu%C3%ADmica)

8. http://docencia.udea.edu.co/cen/tecnicaslabquimico/02practicas/practica02.htm

9. http://densimetrosena.blogspot.com/2008/07/blog-post.html

10. http://es.scribd.com/doc/62457146/Balanza-Hidrostatica-de-Galileo-Galilei#download

11. http://www.ugr.es/~museojtg/instrumento17/ficha_fundamentos2.htm

12. http://es.scribd.com/doc/86917576/PICNOMETRO-HELIO