heat engine cycle

No
8
DEPARTAMENTO DE
FISICA Y GEOLOGIA
LABORATORIO DE FISICA PARA LAS CIECIAS DE LA VIDA
MEDIDA DE LA TENSION SUPERFICIAL DE UN
LIQUIDO – VISCOSIDAD
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS
Objetivos




Realizar una descripción cualitativa de los fenómenos que ocurren cuando el sólido
"rompe" la película superficial que separa liquido-aire.
Comprender las características el movimiento de una pequeña esfera en un líquido
viscoso y obtener el coeficiente de viscosidad del mismo. Calcular el coeficiente de
tensión superficial de diferentes líquidos problema, cada uno con su correspondiente
error experimental, y destacar la influencia de los detergentes sobre la tensión
superficial.
Comparar lo resultados obtenidos con los que aparecen en los libros de texto que tratan
el tema.
Calcular el coeficiente de viscosidad de fluidos.
Esquema del laboratorio y materiales
EQUIPO REQUERIDO
Tensión Superficial
CANTIDAD
Beaker 600 ml
Dinamómetro
Aro metálico
Liquido problema
EQUIPO REQUERIDO Viscosidad
Probeta 100 ml
Esfera metálica
Balanza
Cronómetro
Portaobjetos
Metro
1
1
1
3
CANTIDAD
1
1
1
1
1
1
Marco teórico y Cuestionario
MEDIDA DE LA TENSION SUPERFICIAL DE UN LIQUIDO
FUNDAMENTO TEÓRICO
Una molécula en el interior de un líquido, experimenta fuerzas de atracción debidas a las
moléculas vecinas, como se muestra en el esquema de la figura 1. Si esta molécula se
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MEDIDA DE LA TENSION SUPERFICIAL DE UN LIQUIDO –
VISCOSIDAD
encuentra en la superficie libre del líquido, en contacto con aire, las fuerzas de interacción airelíquido son menores que las del líquido-líquido, por lo que la energía potencial de la molécula
en la interfase es mayor que la de las moléculas en el seno del líquido.
Figura 1.
La tendencia de todo sistema a evolucionar hacia un estado de equilibrio estable, con una
energía potencial mínima, obliga al fluido a adquirir una configuración tal que el área de la
interfase de separación con otros medios sea lo más pequeña posible. Podría decirse, como
analogía, que la superficie libre de un líquido se comporta como una lámina elástica que busca
el equilibrio minimizando su área.
La relación de proporcionalidad entre la energía potencial superficial U y el área de la
superficie S puede escribirse como:
U=σS
(1)
donde la constante de proporcional σ es el coeficiente de tensión superficial.
Una forma de observar los efectos de la tensión superficial es introducir un objeto en un líquido.
Al intentar sacarlo de él, el área de la superficie libre del líquido se modifica y aparece la
denominada fuerza de tensión superficial, Fσ, que se opone a que aumente el área de la
superficie libre, y que puede expresarse como:
F σ =σ L
(2)
donde L es el perímetro de la interfase líquido-aire-objeto.
COEFICIENTE DE TENSIÓN SUPERFICIAL
Figura 2.
Se puede determinar la energía superficial debida a la cohesión mediante el dispositivo de la
figura 2.Una lámina de jabón queda adherida a un alambre doblada en doble ángulo recto y a
un alambre deslizante AB. Para evitar que la lámina se contraiga por efecto de las fuerzas de
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MEDIDA DE LA TENSION SUPERFICIAL DE UN LIQUIDO –
VISCOSIDAD
cohesión, es necesario aplicar una fuerza F al alambre deslizante. La fuerza F es
independiente de la longitud x de la lámina. Si desplazamos el alambre deslizante una longitud
 x, las fuerzas exteriores han realizado un trabajo F  x, que se habrá invertido en
incrementar la energía interna del sistema. Como la superficie de la lámina cambia en
 S=2d  x (el factor 2 se debe a que la lámina tiene dos caras), lo que supone que parte de las
moléculas que se encontraban en el interior del líquido se han trasladado a la superficie recién
creada, con el consiguiente aumento de energía.
Si llamamos a
la energía por unidad de área, se verificará que
la energía superficial por unidad de área o tensión superficial se mide en J/m2 o en N/m.
La tensión superficial depende de la naturaleza del líquido, del medio que le rodea y de la
temperatura. En general, la tensión superficial disminuye con la temperatura, ya que las fuerzas
de cohesión disminuyen al aumentar la agitación térmica. La influencia del medio exterior se
comprende ya que las moléculas del medio ejercen acciones atractivas sobre las moléculas
situadas en la superficie del líquido, contrarrestando las acciones de las moléculas del líquido.
Procedimiento
MONTAJE EXPERIMENTAL Y PROCEDIMIENTO COEFICIENTE DE TENSIÓN
SUPERFICIAL
El objetivo inicial, es observar en detalle lo que ocurre en la superficie libre del líquido cuando
lentamente se procede a "arrancar" el arito suspendido del interior del líquido.
Se sugiere usar en esta parte del experimento primero agua, luego en agua con un chorrito de
detergente y luego alcohol.
El procedimiento consiste en sumergir el aro en cada uno de estos líquidos y, una vez
sumergido por completo, "arrancarlo" del líquido muy lentamente.
Esto es muy complicado y debe realizarse con extremo cuidado: se trata de hallar la posición
crítica del aro en el momento del "arranque" y determinar cuidadosamente con el dinamómetro
la fuerza para la cual la interfase líquido-sólido es separada. Se debe repetir el procedimiento
para cada uno de los líquidos problemas 5 veces.
Una vez arrancado el aro del líquido se debe tomar nota de dicha fuerza y consignar los valores
en la tabla No 1.
A partir de este resultado se hallará el valor del coeficiente de tensión superficial para cada uno
de los líquidos problema, a partir de la relación:
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MEDIDA DE LA TENSION SUPERFICIAL DE UN LIQUIDO –
VISCOSIDAD

fTension Superficial
longitud

fTension Superficial
2 D
En esta ultima expresión, D es el diámetro del aro y 2..D (el doble del perímetro del aro) es la
longitud del conjunto de puntos en los que se produce la fuerza de tensión superficial (conjunto
de puntos de la interfase sólido-liquido-gas).
Una vez hallado dicho valor compárelo con el valor real y halle el error relativo y el porcentaje
de error, explique sus resultados.
ER = (valor experimental – valor teórico) x 100
(Valor teórico)
% error = 1 – (valor experimental) x 100
(Valor teórico)
Repita el anterior procedimiento pero utilice una superficie de contacto diferente (portaobjetos).
Compare sus resultados y explique que sucede.
VISCOSIDAD
FUNDAMENTO TEÓRICO Y PROCEDIMIENTO
Se estudiará el movimiento de una esferita de metal, cayendo en el interior de un tubo que
contiene un liquido viscoso en esta fase aparece una fuerza de rozamiento de la esfera con el
fluido, debida a su viscosidad, cuyo modulo, según la ley de Stokes, es proporcional a la
velocidad de la esfera, y de sentido opuesto a ella.
f Visc  6   r V
E
fVisc
Peso
Suponga que la bolita ha alcanzado la velocidad límite constante cuando pasa por la marca
superior, momento en el que se empieza a contar el tiempo. El valor de dicha velocidad se
obtiene dividiendo el desplazamiento x entre el tiempo en el que tarda el móvil en desplazarse
t.
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LABORATORIO DE FISICA PARA LAS CIECIAS DE LA VIDA
MEDIDA DE LA TENSION SUPERFICIAL DE UN LIQUIDO –
VISCOSIDAD


Se observa que en el instante inicial la aceleración de la bolita es g  esf   liq (  =densidad)
y que luego, a medida que la velocidad crece, esta aceleración disminuye. También se ve que
si la velocidad de la bola alcanza cierto valor, que llamaremos velocidad critica, la aceleración
de la esferita será cero y en consecuencia la velocidad se hará constante. Planteando que la
aceleración es cero, se puede obtener la velocidad critica:
Vcritica
2 r2 g
 esf   liq 

9 
Se analizará, dentro de los limites de los errores de medición, si se puede considerar que la
bolita alcanza o no la velocidad límite en su movimiento dentro del tubo. Para ello se debe
medir el intervalo de tiempo que emplea en recorrer el espacio entre dos marcas realizadas en
la parte superior del tubo y lo compararemos con el tiempo que emplea en recorrer otro espacio
igual en la parte inferior del mismo. Si podemos considerar que estos tiempos son iguales,
determinaremos la velocidad crítica de la esferita midiendo distancias y tiempos (realizar 5
mediciones), y calcularemos el coeficiente de viscosidad del fluido, a la temperatura del
experimento (ambiente), a partir de la expresión anterior. Para poder hacer este cálculo es
necesario medir el radio de la esfera y conocer las densidades de la esfera y del líquido. En
este caso elaboren ustedes algún método que les permita determinarla.
Antes de realizar el cálculo, se deberá expresar todos los datos en el Sistema Internacional de
unidades de medida:




La velocidad límite vl en m/s,
La densidad de la esfera ρe y del fluido ρf en kg/m3 (generalmente se proporcionan los
datos de la densidad en g/cm3).
El radio R de la esfera en m (se proporciona el valor del diámetro en mm).
Finalmente, se despejará la viscosidad  y se expresará en las unidades
correspondientes.
Consigne sus datos en las siguientes tablas:
Densidad del líquido
[Kg/m3]
Densidad del sólido (bola)
[Kg/m3]
Aceleración de gravedad
[m/s2]
9.8
Tabla 2.
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LABORATORIO DE FISICA PARA LAS CIECIAS DE LA VIDA
MEDIDA DE LA TENSION SUPERFICIAL DE UN LIQUIDO –
VISCOSIDAD
Líquido 1
N°
Diámetro
[m]
Tiempo
[s]
Recorrido
[m]
Velocidad
límite
[m/s]
VISCOSIDAD
[Kg/(m*s)]
Velocidad
límite
[m/s]
VISCOSIDAD
[Kg/(m*s)]
Velocidad
límite
[m/s]
VISCOSIDAD
[Kg/(m*s)]
Promedio
Tabla 3.
Líquido 2
N°
Diámetro
[m]
Tiempo
[s]
Recorrido
[m]
Promedio
Tabla 4.
Líquido 3
N°
Diámetro
[m]
Tiempo
[s]
Recorrido
[m]
Promedio
Tabla 5.
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LABORATORIO DE FISICA PARA LAS CIECIAS DE LA VIDA
MEDIDA DE LA TENSION SUPERFICIAL DE UN LIQUIDO –
VISCOSIDAD
Una vez hallado el valor de la viscosidad calcule la fuerza de rozamiento de la esfera con el
fluido tenga en cuenta para este el volumen de dicha esfera.
Estime su error experimental, y compare este resultado con el que aparece en las tablas
referidas al tema.
En síntesis, se espera comprender las características el movimiento de una pequeña esfera en
un líquido viscoso y obtener el coeficiente de viscosidad del mismo.
Realice el procedimiento para dos líquidos problema diferentes.
Análisis de datos
Liquido
Problema
Fuerza (N)
Coeficiente de Tensión
Superficial Experimental
(N/m)
Coeficiente de Tensión
Superficial Teórico
(N/m)
Tabla 1.
Antes de realizar el cálculo, se deberá expresar todos los datos en el Sistema Internacional de
unidades de medida:
 La velocidad límite vl en m/s,
3
 La densidad de la esfera ρe y del fluido ρf en kg/m (generalmente se proporcionan los
3
datos de la densidad en g/cm ).
 El radio R de la esfera en m (se proporciona el valor del diámetro en mm).
 Finalmente, se despejará la viscosidad  y se expresará en las unidades
correspondientes.
Consigne sus datos en las siguientes tablas:
Densidad del líquido
[Kg/m3]
Densidad del sólido (bola)
[Kg/m3]
Aceleración de gravedad
[m/s2]
9.8
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MEDIDA DE LA TENSION SUPERFICIAL DE UN LIQUIDO –
VISCOSIDAD
Tabla 2.
Líquido 1
N°
Diámetro
[m]
Tiempo
[s]
Recorrido
[m]
Velocidad
límite
[m/s]
VISCOSIDAD
[Kg/(m*s)]
Velocidad
límite
[m/s]
VISCOSIDAD
[Kg/(m*s)]
Velocidad
límite
[m/s]
VISCOSIDAD
[Kg/(m*s)]
Promedio
Tabla 3.
Líquido 2
N°
Diámetro
[m]
Tiempo
[s]
Recorrido
[m]
Promedio
Tabla No 4.
Líquido 3
N°
Diámetro
[m]
Tiempo
[s]
Recorrido
[m]
Promedio
Tabla 5.
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MEDIDA DE LA TENSION SUPERFICIAL DE UN LIQUIDO –
VISCOSIDAD
Una vez hallado el valor de la viscosidad calcule la fuerza de rozamiento de la esfera con el
fluido tenga en cuenta para este el volumen de dicha esfera.
Estime su error experimental, y compare este resultado con el que aparece en las tablas
referidas al tema.
En síntesis, se espera comprender las características el movimiento de una pequeña esfera en
un líquido viscoso y obtener el coeficiente de viscosidad del mismo.
Realice el procedimiento para dos líquidos problema diferentes.
Preguntas de control


Explique el fenómeno de capilaridad en el agua y en el mercurio.
La sangre es Viscosa? SI, NO, explique su respuesta.
Conclusiones y observaciones
Conclusiones y observaciones.
Bibliografia
1.
2.
3.
4.
5.
Serway, Raymond. Física, Tomo I, 5ta. Ed., Editorial Mac GrawHill, 2001
Sears-Zemansky Física.
J.W.Kane, M.M. Sternheim. Física. Sección 15.1
D.Jou, J.P. Llebot, C.P.Garcia:Física para Ciencias de la Vida.Capítulo 3, pp 121
Manual de Física, Koshkin N. I. , Shirkévich M. G.. Editorial Mir (1975)
Edito: ING: LINA MARCELA ESCOBAR
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