PRÁCTICA No.1 “Determinación de las propiedades de los líquidos” ρ

Laboratorio de Hidráulica I
Práctica No.1. “Determinación de las Propiedades de los Líquidos”
PRÁCTICA No.1
“Determinación de las propiedades de los líquidos”
OBJETIVO: “El alumno determinará, en forma experimental, distintas propiedades de
los líquidos, como densidad, peso específico, fuerzas de capilaridad, viscosidad
cinemática y viscosidad dinámica”.
INTRODUCCIÓN
Los líquidos son una subdivisión de los fluidos, los cuales, como su nombre lo indica,
son aquellos elementos que capaces de fluir y, por lo tanto, de adaptarse a la forma de
los recipientes que los contienen. Sin embargo, por su constitución molecular, existen
diferencias esenciales entre los dos tipos de fluidos que se encuentran en la naturaleza,
lo cual lleva a dividirlos en líquidos y gases.
Entre las principales diferencias que existen entre los líquidos y gases se pueden
mencionar las siguientes:
a) Los líquidos son prácticamente incompresibles y los gases compresibles.
b) Los líquidos ocupan un volumen definido y tienen superficie libre, mientras
que, una masa dada de gas, tiende a expandirse hasta ocupar todas las partes del
recipiente que lo contenga.
Además de las diferencias antes señaladas, existen otras que son de gran importancia
para las diferentes ramas de la hidráulica, tanto para labores de investigación como de
hidráulica aplicada.
Entre ellas se encuentran:
a) Densidad (ρ)
b) Peso específico (γ)
c) Densidad relativa (δ)
d) Fuerzas de capilaridad
e) Temperatura (T)
f) Viscosidad cinemática (ν)
g) Viscosidad dinámica (µ)
a) La densidad (ρ) representa la masa de fluido contenida en una unidad de
volumen; en los sistemas absoluto y gravitacional sus dimensiones son [ML-3] y [FT2L-4],
respectivamente; por ejemplo:
2
M  kg   kg f ⋅ s 
,
ρ=

V  m 3   m 4 
(1.1)
1
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b) El peso específico (γ) es el peso del volumen unitario de una sustancia y está
estrechamente relacionado con la densidad. Tiene dimensiones [FL-3], por ejemplo:
γ = ρ⋅g =
WN
V  m3 
(1.2)
c) La densidad relativa (δ) es otra forma de cuantificar la densidad o el peso
específico, relacionándolos con la densidad y el peso específico que corresponden al
agua. Por su naturaleza este valor es adimensional:
ρ agua = 1000
δ rel =
kg
N
, γ agua = 9810 3 , a 4°C
3
m
m
ρ liq
ρ agua
=
γ liq
γ agua
(1.3)
(1.4)
d) Las fuerzas de capilaridad son otras propiedades de los líquidos. Estas
fuerzas se pueden dividir en cohesión y en adhesión. La primera es la atracción
intermolecular mediante la cual se mantienen unidas las partículas de alguna sustancia
y, permite que el líquido, resista una cierta tensión prácticamente insignificante. Por su
parte la adhesión es la fuerza de atracción que existe entre las moléculas líquidas y
cualquier sustancia sólida con las que éstas entren en contacto.
Muchos líquidos se adhieren a superficies sólidas y la fuerza adhesiva varía con la
naturaleza del líquido y la superficie. Si la fuerza adhesiva es mayor que la fuerza de
cohesión, el líquido tiende a extenderse y mojar la superficie, si por el contrario la fuerza
cohesiva es mayor, entonces una pequeña gota de líquido colocada sobre la superficie
del sólido permanecerá con su forma de gota.
La combinación de estas dos fuerzas origina el ascenso de los líquidos en tubos o
cavidades de diámetros minúsculos, ocasionando un efecto conocido como acción
capilar o capilaridad.
Este fenómeno ocurre porque la adhesión, en algunos líquidos, es de mayor magnitud
que la fuerza de cohesión, originando un deslizamiento del líquido por las paredes del
tubo, hasta que el peso de la columna de agua sea de igual magnitud que la fuerza de
ascenso.
En gran parte, el efecto capilar depende directamente del ángulo que forma la superficie
del líquido con la pared del tubo, con lo cual se deriva la siguiente expresión:
Fc =
γDh
4 cosθ
(1.5)
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sin embargo, debido a que la naturaleza de los tubos capilares es casi imperceptible, el
ángulo θ tiende a ser casi despreciable, con lo cual se asume θ = 0, y como D = 2r,
entonces:
γrh
Fc =
(1.6)
2
donde:
Fc
γ
r
h
Fuerza capilar, N/m
Peso específico del líquido, N/m3
Diámetro del tubo capilar, m.
Altura de la columna de agua dentro del tubo, m.
e) La temperatura (T) es un parámetro que se puede relacionar con la actividad
molecular que resulta de la transferencia de calor. Las escalas de medida se definen en
términos de la expansión volumétrica que experimentan ciertos líquidos, la gran
mayoría son elaborados considerando el mercurio.
f) La viscosidad es aquella propiedad por la cual un fluido ofrece una resistencia
al cambio de forma bajo la acción de fuerzas exteriores. Todos los fluidos son más o
menos viscosos y los líquidos muy viscosos se acercan a la condición de sólidos.
Con base en la resistencia que ofrece el fluido, se ha determinado una constante de
proporcionalidad que relaciona el esfuerzo tangencial provocado por las fuerzas
externas y la variación de velocidades en el interior del líquido. Esta constante se
conoce como viscosidad dinámica (µ) o únicamente viscosidad, la cual puede
calcularse para el agua con la siguiente expresión derivada de diversos experimentos
realizados por Poiseuille y Reynolds:
µ=
0.01779
1 + 0.03368T + 0.000221T 2
(1.7)
g) Al estudiar el movimiento de los fluidos bajo un estado o régimen de
escurrimiento, se encontró que la densidad del fluido y su relación con la viscosidad son
factores importantes. Por esta razón, se estableció la siguiente expresión, en la cual se
determinó el valor de la viscosidad cinemática (ν):
υ=
µ  FT   M  FLT
÷
=
ρ  L2   L3 
M
(1.8)
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EJEMPLO
Existe un líquido que presenta una masa de 850 kg por unidad de volumen, a una altura
sobre el nivel del mar en la cual se presenta una aceleración de la fuerza de gravedad
de 9.79 m/s2 y una temperatura de 15°C.
Determinar:
a) El peso específico del líquido.
b) Su densidad relativa considerando que γagua = 9810 N/m3.
c) La fuerza de capilaridad que puede experimentar el líquido, si al colocarlo en
un tubo con un diámetro de 0.15 cm asciende 1.2 cm.
d) Asumiendo que las características del fluido son muy similares a las del agua,
determinar su viscosidad dinámica empleando la fórmula de Poiseuille y
Reynolds.
e) Calcular su viscosidad cinemática.
REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO
1. Determinar la densidad relativa de cada uno de los líquidos con los cuales se
cuente en el laboratorio.
2. Medir la temperatura de cada líquido.
3. Determinar la altura capilar de cada uno de los fluidos.
CONTENIDO DEL REPORTE DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO
1. Calcular la densidad, el peso específico y las fuerzas de capilaridad
considerando las condiciones ambientales del laboratorio y los datos obtenidos durante
la realización de la práctica (se puede asumir un valor de la aceleración de la fuerza de
gravedad de 9.8 m/s2).
2. Calcular, suponiendo que todos los fluidos son muy similares al agua, la
viscosidad dinámica de cada uno de ellos.
3. Determinar la viscosidad cinemática considerando los valores de la viscosidad
dinámica.
4. Comparar los datos obtenidos con las características o valores estándar
establecidos en medios comerciales, académicos, bibliográficos, etc.
5. Conclusiones de la realización de la práctica, explicando el por qué de las
posibles diferencias entre los datos calculados en laboratorio y los investigados.
6. Explicar brevemente la causa por la cual, las características de cada uno de
los fluidos difieren de las que presenta el agua potable (composición, presencia de
ciertas sustancias o elementos, origen, por ejemplo).
Fecha de entrega del reporte: el día de la realización de la siguiente práctica.
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