Determinacion De Las Propiedades Fisicas De Los Fluidos

Práctica No.1

Determinación experimental de las propiedades físicas de los fluidos

Introducción

La propiedad fundamental que caracteriza a los fluidos (líquidos y gases) es que carecen de rigidez y en consecuencia se deforman fácilmente. Ésto es debido a que las fuerzas atractivas entre las moléculas del líquido vencen al movimiento térmico de las mismas, colapsando las moléculas y formando el líquido. Por este motivo un fluido no tiene forma y diferentes porciones del mismo se pueden acomodar dentro del recipiente que lo contiene(1,2).

Para comprender las propiedades de los fluidos, es necesario saber diferenciar el tipo de fluido. Se dividen en dos tipos:

Fluidos compresibles: Son los gases que varían su densidad al variar la presión. Hay algunos gases incompresibles a bajas presiones.

Fluidos incompresibles: Son los líquidos que no varían su densidad al variar la presión. Hay algunos líquidos compresibles(3).

Los fluidos también cuentan con propiedades físicas que pueden medirse sin que cambien su composición química. Algunas de estas propiedades físicas son:

Densidad (ρ)

Peso específico (γ)

Punto de ebullicion

El objetivo principal de ésta práctica es mejorar la comprensión y estudio de estas propiedades determinando algunas de ellas (densidad, peso específico, y punto de ebullición) para las siguientes sustancias: aceite comercial vegetal (girasol), agua y alcohol etílico. Seguidamente se hará un compración de los resultados obtenidos con los datos que proporciona la literatura para cada sustancia, los cuales se llevaron a cabo a condiciones de presión y temperatura estándar.

Ancedentes

Un fluido es una sustancia que se deforma continuamente cuando se le somete a un esfuerzo cortante, sin importar lo pequeño que sea dicho esfuerzo. Así, un fluido es incapaz de resistir fuerzas o esfuerzos de cizalla sin desplazarse, mientras que un sólido si puede hacerlo8.

La mecánica de fluidos es el estudio del comportamiento de los fluidos, ya sea que estén en reposo (estática de fluidos) o en movimiento (dinámica de fluidos). Los fluidos se pueden presentar de formas distintas, como pueden ser líquidos o gases(4).

Propiedades de los fluidos

Masa y Peso: Los términos masa y peso a menudo se usan en forma equivalente, sin embargo, estrictamenre hablando, son cantidades distintas. La masa es una medida de la cantidad de materia en un objeto, mientras que el peso, desde el punto de vista técnico, es la fuerza que ejerce la gravedad sobre el objeto(5,6).

Volumen: La unidad de SI es el metro (m) y la unidad de volumen derivada de SI es el metro cúbico (m3). Otra unidad común de volumen es el litro (l). Un litro se define como el volumen que ocupa un decímetro cúbico. El volumen de un litro es igual a 1000 mililitros (ml) o 1000 centímetros cúbicos y un mililitro es igual a un centímetro cúbico(5).

Densidad: es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia. Por tanto, si se denota la densidad con la letra griega p (rho), se tiene

ρ=□(m/V)

Donde V es el volumen de la sustancia que tiene masa m. Las unidades de la densidad son kilogramos por metro cubico, en el SI, y slugs por pie cubico en el Sistema Tradicional de Estados Unidos(4).

Peso específico: Se define como el peso por unidad de volumen. Para un fluido homogéneo:

γ=ρg= □(mg/V)=□(w/V)

Se denota el peso específico con la letra griega y (gamma), donde V es el volumen de una sustancia que tiene peso w. Las unidades del peso específico son los Newton sobre metro cubico (N/m3) en el SI, y libras sobre pie cubico (lb/ pie3) en el Sistema Tradicional de Estados Unidos(2,4).

Temperatura: Para establecer una escala de temperatura se establecen arbitrariamente cierto puntos fijos e incrementos de temperatura denominados grados. Dos puntos fijos habituales son la temperatura a la que se funde el hielo y la temperatura a la que el agua hierve, ambos a la presión atmosférica estándar.

En la escala Celsius el punto de fusión del hielo es 0°C, el punto de ebullición del agua es 100 °C y el intervalo entre ambos se divide en 100 partes iguales llamadas grados Celsius. En la escala de temperatura Fahrenheit el punto de fusión del hielo es 32 °F, el punto de ebullición del agua es 212 °F6.

Punto de ebullición: es aquella temperatura en la cual la presión de vapor del líquido iguala a la presión de vapor del medio en el que se encuentra y esto ocasiona un cambio del esta líquido al estado gaseoso(7)

La escala de temperaturas SI se denomina escala Kelvin y asigna el valor cero a la temperatura mas baja posible. Este 0 K, tiene lugar a -273.15 °C, para este tipo de escala se debe resaltar:

Cuando se escribe una temperatura Kelvin no se utiliza el simbolo grado. Se escribe 0 K o 300 K.

La escala Kelvin es una escala absoluta; no hay temperaturas Kelvin negativas(6).

Figura 1. Comparación de las tres escalas de temperatura

Tomado de The Process of Science, Revised Edition por Anthony Carpi and Anne Egger

Las siguientes ecuaciones algebraicas permiten llevar a cabo las coversiones de temperatura(6).

Kelvin a partir de Celsius: T(K) – T(°C) + 273.15

Fahrenheit a partir de Celsius: T(°F) - 9/5 T(°C) + 32

Celsius a partir de Fahrenheit: T(°C) - 5/9 [T(°F)-32]

Metodología Experimental

Material y equipo

Cantidad Material

6 Vasos de precipitados de 50 ml.

3 Probetas de 100 ml.

1 Balanza analítica

1 Parrilla de calentamiento

1 Termómetro

Reactivos

Cantidad Reactivo

150 ml Agua

150 ml Alcohol Etílico

150 ml Aceite comercial

1.- Lavar cuidadosamente los vasos de precipitados de 50 ml y las probetas de 100 ml. Secar.

2.- Pesar cada uno de los vasos de precipitados sin reactivo, anotar. A continuación verter los 50 ml de la sustancia de interés y volver a pesar, anotar. La diferencia de estas dos masas, será la empleada para calcular la densidad.

3.- Medir la temperatura inicial (temperatura ambiente).

4.- Colocar en la parrilla de calentamiento el vaso de precipitados con la sustancia y calentar.

5.- Medir el tiempo en el que cada una de las sustancias llegan a su temperatura de punto de ebullición. Una vez que se encuentra en ebullición, medir con el termómentro la termperatura y anotar.

6.- Realizar este procedimiento para todas las sustancias.

Metolodogía ilustrativa

Resultados

Temperatura del Punto de Ebullición

Agua Masa del vaso sin Agua. Masa del vaso con Agua. Temperatura inicial. T° de Ebullición (final). T° del Punto de Burbuja. Tiempo.

Vaso 1 30.424 gr 74.751 gr 28°C 89°C 64°C 8 min, 52 sgs.

Vaso 2 35.069 gr 86.364 gr 28°C 90°C 62°C 8 min, 20 sgs.

Vaso 3 29.823 gr 82.364 gr 28°C 94°C 60°C 8 min, 30 sgs.

Alcohol Masa del vaso sin Alcohol. Masa del vaso con Alcohol. Temperatura inicial. T° de Ebullición (final). T° del Punto de Burbuja. Tiempo.

Vaso 1 33.982 gr 76.580 gr 28°C 68°C 55°C 4 min, 29 sgs.

Vaso 2 34.251 gr 76.474 gr 28°C 72°C 54°C 4 min.

Vaso 3 30.029 gr 73.073 gr 28°C 71°C 55°C 4 min, 30 sgs.

Aceite Masa del vaso sin Aceite. Masa del vaso con Aceite. Temperatura inicial. T° de Ebullición (final). T° del Punto de Burbuja. Tiempo.

Vaso 1 33.980 gr 78.022 gr 28°C - - -

Vaso 2 34.246 gr 77.532 gr 28°C - - -

Vaso 3 35.215 gr 78.636 gr 28°C - - -

Nota: No se calculó la temperatura del punto de ebullición del aceite, ya que éste fluido no ebulle, al alcanzar cierta temperatura, 210°C, se quema.

Densidad

ρ=M/V [Kg/m^3 ]

Cálculo de la densidad para el agua, vaso 1:

ρ=(44.327 g)/(50 ml)=0.8865 gr/ml

Agua Densidad (ρ) [gr/ml]

Vaso 1 0.8865 gr/ml

Vaso 2 1.0259 gr/ml

Vaso 3 1.0508 gr/ml

Alcohol

Vaso 1 0.8519 gr/ml

Vaso 2 0.8444 gr/ml

Vaso 3 0.8608 gr/ml

Aceite

Vaso 1 0.8808 gr/ml

Vaso 2 0.8657 gr/ml

Vaso 3 0.8608 gr/ml

Peso específico

γ=ρg[N/m^3 ]

Cálculo para el agua, vaso 1

Conversión de la densidad

ρ=(0.8865□(gr/ml))(□((0.001 Kg)/(0.000001 m^3 )))=886.5 □(Kg/m^3 )

Cálculo del peso específico:

γ=(886.5 □(Kg/m^3 ))(9.81 □(m/s^2 ))=8696.565 □(N/m^3 )

Agua ρ (kg/m3) g (m/s2) ɣ (N/m3)

Vaso 1 886.5

9.81 8696.565

Vaso 2 1025.9 10064.079

Vaso 3 1050.8 10308.348

Alcohol ρ (kg/m3) ɣ (N/m3)

Vaso 1 851.9 8357.139

Vaso 2 844.4 8283.564

Vaso 3 860.5 8441.505

Aceite ρ (kg/m3) ɣ (N/m3)

Vaso 1 880.8 8640.648

Vaso 2 865.7 8492.517

Vaso 3 865.2 8487.612

Datos que proporciona la literatura de las propiedades de los fluidos: agua, alcohol etílico, aceite comercial.

Datos de las propiedades del agua.

Punto de ebullición: 99.98 oC

Densidad: 997.04 kg/m3; 0.99204 g/cm3

Peso específico del agua: 9,800 N/m3

Datos de las propiedades del alcohol etílico.

Punto de ebullición: 78 oC

Densidad: 789 kg/m3; 0,789 g/cm3

Peso específico: 7,742 N/m3

Datos de las propiedades del aceite.

Densidad: 925 kg/m3; 0,925g/cm3

Peso específico: 8,967 N/m3

Sustancia T° Punto de Ebullición Densidad Peso específico

Agua 99.98 oC 997.04 kg/m3 9,800 N/m3

Alcohol etílico 78 oC 789 kg/m3 7,742 N/m3

Aceite - 925 kg/m3 8,967 N/m3

Discusión

Se logró llevar a cabo esta práctica y pudimos determinar la densidad y el peso específico de las tres sustancias (agua, alcohol etílico y aceite comercial vegetal), para una de las propiedades, la temperatura del punto de ebullición, sólo se pudo determinar para el agua y para el alcohol etílico, la razón por la que no pudo realizarse para el aceite comercial, es que este fluido no tiene una temperatura de punto de ebullicón. Sabemos por la literatura que a la temperatutra de 210°C éste se quema, pero no ebulle; por lo tanto no nos fue posible realizarla.

Los resultados de obtenidos no varían tan drásticamente con los encontrados en libros, pero sabemos que pueden variar por las condiciones a las cuales se trabajaron; por ejemplo la temperatura ambiente, la humedad, la altitud. Ya que como no son las mismas condiciones de trabajo, los resultados obtenidos mostraron una variación.

Conclusiones

Finalmente podemos concluir que los resultados obtenidos comparados con los proporcionados por la literatura no varían tan drásticamente, por lo cual podemos determinar que los objetivos descritos al inicio de la práctica fueron completados de manera satisfactoria.

Referencias

1.- Julio Gratton. Introducción a la Mecánica de Fluidos. 2002.

2.- Agustín Martín Domingo. Apuntes de Mecánicas de Fluidos. 1997-2011.

3.- Martha Orozco. Operaciones Unitarias. Limusa, Noriega Editores. 1998.

4.- Robert L. Mott. Mecánica de Fluidos. Pearson Education de México. 2006

5.- Raymond Chang. Química General. Mc Graw Hill, Interamericana Editores. 2002

6.- Ralph H. Petrucci, F. Geoffrey Herring, Jeffry D. Madura, Carey Bissonte. Química General Principios y aplicaciones modernas. Pearson Educación, Madrid. 2011.

7.- Jaime Ernesto Díaz Ortíz. Mecánica de Fluidos. Universidad del Valle, Programa Editorial. 2006.

8.- Universidad Autónoma de Baja California. Laboratorio de Física II, Propiedades de los Fluidos.

...