Laboratorio Física General Informe 07 UNMSM

FGMMG - UNMSM EAP INGENIERÍA CIVIL

1EXP. N° 06 – DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS


UNIVERSIDAD NACIONAL

MAYOR DE SAN MARCOS

(Universidad del Perú, Decana De

América)

CURSO : LABORATORIO DE FÍSICA I

TEMA : TENSIÓN SUPERFICIAL

PROFESOR : Eche Llenque, José Carlos

ALUMNOS : COD.Álvarez Rosales, Vladimir 15160276

Layme Estrada, David Edgar 15160103

López Saldivar, Marco Antonio 14160278

Nizama Roque, Jairo César 15160106

Villegas Mejía José Edwin 15160112

TURNO : Sábado

02:00 p.m. – 04:00 p.m.



Ciudad Universitaria, noviembre del 2015

REPORTEExperiencia N° 07: TENSIÓN SUPERFICIAL

Fecha de entrega: 07-11-15

I. INTEGRANTES

N° ALUMNO CODIGO FIRMA

1 Álvarez Rosales, Vladimir 15160276

2 Layme Estrada, David Edgar 15160103

3 López Saldivar, Marco Antonio 14160278

4 Nizama Roque, Jairo César 15160106

5 Villegas Mejía, José Edwin 15160112

II. OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA

Relacionar la tensión superficial con la capilaridad. Determinar el coeficiente de tensión superficial de los líquidos, utilizando el método de

Rayleigh (clásico) y mediante uso de un equipo automatizado (Cobra 3 Basic-Unit). Explicar fenómenos asociados con la tensión superficial. Calcular la tensión superficial de diferentes líquidos por el método del capilar.

III. DISEÑO EXPERIMENTAL

EQUIPOS Y MATERIALES

Método Rayleigh (Clásico)

- 1 Soporte universal- 1 Bureta- 1 Vaso de precipitación- 1 Clamp- 1 Termómetro



Equipo automatizado (Cobra 3 Basi-Unit)

- 1 Aro de medida de tensión superficial, de diámetro promedio de 19,5 mm.- 1 PC con Windows XP/Windows 98- 1 Cobra3 de poder de 12 V/2ª- 1 Software Cobra3 Force Tesla- 1 Módulo de de medición de Newton- 1 Sensor Newton- 1 Cronómetro- 1 Varilla de 25 cm.- 1 Clamp- 1 Plataforma de elevación vertical- 1 Cubeta Petri, d = 20 cm- 1 Paño- 1 Probeta- 1 Accesorio de conexión- 1 Trípode Base



FUNDAMENTO TEÓRICO

Las fuerzas moleculares que rodean una molécula en el interior de un líquido actúan sobre ella desde todos lados; ejerciéndose una presión isotrópica. La fuerza resultante que actúa sobre una molécula localizada en la capa superficial no es cero, debido a que la resultante está dirigida hacia el interior del líquido, como se ilustra en la figura 1.

MONTAJE 1 – Método de Rayleigh

Del análisis de la dinámica presente en la formación de una gota que se desprende de un tubo cilíndrico de radio R, para un líquido que tiene un coeficiente de tensión superficial α ; se observa que mientras la gota no se desprenda, tomará una forma tal que la componente vertical de la fuerza de tensión superficial se equilibra con su peso; la componente vertical de la fuerza de tensión superficial alcanzará su valor máximo en el instante justo antes de que la gota se desprenda; en el momento que se desprende se cumple a la siguiente relación:

mg=2πRα (1)

α=( 12π ) (mg ) (2)

Donde: m es la masa de la gotaR es el radio externo de la punta de la buretaα es el coeficiente de tensión superficial de líquido.

Debido a la condición de mínimo, las gotas de agua adoptan la forma esférica. A partir de la ecuación (1) se podría determinar α, pero como ahí no se ha tenido en cuenta el trabajo de deformación cilindro–esfera, el valor que se obtuviera no sería exacto. Rayleigh retocó esta expresión, y encontró un modo empírico para determinar α. Rectificó las constantes y llegó a la ecuación:



α=( 515 )(mgR ) (3)

Considerando un líquido de volumen V, de densidad ρ , y que en él hay un número N de gotas, la masa de cada gota será:

m= ρVN (4)

Por lo tanto se encuentra que:

α=( 515 )( ρVN )( gR ) (5)

MONTAJE 1 – MÉTODO RAYLEIGH

1. Represente aquí el esquema experimental usado para determinar la tensión superficial usando el método de Rayleigh. Describa brevemente este método.

Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la figura 2. Vierta en la bureta el líquido cuya tensión superficial desea determinar.

1. Mida la temperatura del líquido del interior de la bureta. Anote el valor correspondiente en la Tabla 1.

2. Use el vaso de precipitados como depósito de descarga del líquido de la bureta.3. Tome dos puntos A y B como niveles de referencia.



4. Cuente el número de gotas de la porción de líquido entre los niveles de referencia. Repita este procedimiento no menos de 5 veces. Cada vez anote en la Tabla 1 el número de gotas para el volumen escogido.

5. Repita los pasos del 1 al 5 para otros líquidos (alcohol / ron, mezcla con agua).2. Anote aquí los siguientes valores de los líquidos que se determina su tensión superficial:

Temp. AmbienteT0 (° C)

Densidad (densímetro)ρ(g/ml)

Agua 23 0,99

Alcohol 23 0,81

Ron 23 0,85

¿Cree Ud. que le serviran de algo estos valores? ¿Por qué?Sí, porque a partir de este valor, será la comparación con nuestro experimento.

MONTAJE 2 – MÉTODO DEL ANILLO

3. Represente aquí el esquema experimental usado para determinar la tensión superficial usando el método del anillo. Describa brevemente este método.

Familiarícese con el equipo sensor de la unidad básica (Cobra 3) y monte el diseño experimental de la figura 3



1. Vierta líquido en la cubeta Petric hasta la mitad.2. Suspenda el aro del gancho del sensor Newton. No sumerja aún el anillo en el líquido.3. Utilizando la plataforma de elevación vertical, girando la manija negra, sumerja

lentamente el aro hasta que esté completamente cubierto por el líquido de estudio.4. Con ayuda del profesor calibre el sensor (Figura 5 y 6).5. Evite cualquier movimiento en la mesa de trabajo, ya que el sistema es altamente

sensible.6. Inicie la medición en software menú.7. Con la ayuda de la plataforma de elevación vertical, descienda cuidadosamente la

cubeta Petric hasta que observe que la película de interface del líquido esté tensionada hasta el límite (figura4).

8. Mantenga el aro tensionado por un tiempo de 10 s.9. Al término de los 10s suba cuidadosamente cubeta Petric con la ayuda de la

plataforma de elevación.10. Repita los pasos (c) al (e) al menos 4 veces.11. Detenga la medición.12. De la gráfica fuerza vs tiempo que arroja el programa (figura 7), seleccione los datos

correspondientes a la zona de máxima tensión y copie los datos a una hoja de cálculo Excel y obtenga el promedio para cada grupo de datos (Fuerza tensora).



4. Anote aquí los siguientes valores.

Diametro exteriorr1 (mm)

Diametro interiorr0 (mm)

Anillo 19.6 19.2

¿Cree Ud. que le servirá de algo este valor? ¿Por qué?Sí, porque a partir de este valor, será la comparación con nuestro experimento.

IV. DATOS EXPERIMENTALES

MONTAJE 1 – MÉTODO RAYLEIGH

1. Medidas realizadas para determinar la tensión superficial por el Método de Rayleigh.

TABLA 01. Medida realizadas a temperatura ambiente.

Líquido

H2O Alcohol Ron

ρ(g/cm3)

V(ml)

N(#gotas)

ρ(g/cm3)

V(ml)

N(#gotas)

ρ(g/cm3)

V(ml)

N(#gotas)

1 0.990 1 18 0.810 1 45 0.850 1 45

2 0.990 1 17 0.810 1 44 0.850 1 44

3 0.990 1 18 0.810 1 45 0.850 1 45

4 0.990 1 17 0.810 1 45 0.850 1 44

5 0.990 1 19 0.810 1 45 0.850 1 45

ELM 0.0005 0.05 0 0.0005 0.05 0 0.0005 0.05 0



E0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Ea 0 0 0.374 0 0 0.2 0 0 0.245

ΔX 0.0005 0.05 0.374 0.0005 0.05 0.2 0.0005 0.05 0.245

Ya que la densidad y el volumen tienen las 5 medidas iguales entonces:

Error de lecturamínima=Erro absoluto

Para N (H2O):

x = 18+17+18+17+19

5 = 17.8

∂=√ (17.8−18 )2+(17.8−17)2+(17.8−18 )2+ (17.8−17 )2+(17.8−19)2

5 = 0.748

Ea ¿0.748√5−1= 0.374

∴∆ x=¿0.374

Para N (Alcohol):

x = 45+44+45+45+45

5 = 44.8

∂=√ ( 44.8−45 )2+(44.8−44)2+ (44.8−45 )2+( 44.8−45 )2+(44.8−45)2

5 = 0.4

Ea ¿0.4

√5−1= 0.2

∴∆ x=¿0.2

Para N (Ron):

x = 45+44+45+44+45

5 = 44.6

∂=√ ( 44.6−45 )2+(44.6−44)2+(44.6−45 )2+ (44.6−44 )2+(44.6−45)2

5 = 0.490

Ea ¿0.490√5−1= 0.245



∴∆ x=¿0.245

MONTAJE 2 - MÉTODO DEL ANILLO

2. Medidas realizadas para la fuerza de tensión superficial promedio usando el método del anillo.

TABLA 02. Valores promedio de la fuerza de tensión superficial.

F1 2 3 4 5 FPROMEDIO ΔF

0.00846 0.00826 0.00836 0.00816 0.00846 0.00834 0.000077

F11 2 3 4 5 Fpromedio

0.0082 0.0087 0.0083 0.0085 0.0086 0.00846


0.0084 0.0083 0.0083 0.0082 0.0081 0.00826


0.0084 0.0082 0.0084 0.0085 0.0083 0.00836

F4 1 2 3 4 5 Fpromedio



0.0085 0.0083 0.0081 0.008 0.0079 0.00816


0.0087 0.0084 0.0085 0.0083 0.0084 0.00846

V. RESULTADOS

1. ¿Cuál es la tensión superficial de los líquidos usados trabajando el método de Rayleigh a temperatura ambiente? Utilice la ecuación 5 para los cálculos con sus errores respectivos

Líquido H2O Alcohol Ron

∝(dina/cm)

∴∝=¿89.6 ± 5.6 (dina/cm) ∴∝=¿29.0 ± 1.72

(dina/cm)∴∝=¿30.6 ± 1.8

(dina/cm)

Para el H2O:

ρ=¿0.990±0.0005 (g/cm3) = (0.990 ± 0.0005)x10-3 kg/cm3

V=¿ 1 ± 0.05 (ml) N=¿17.8 ± 0.374 R=¿0.16 ± 0.005 (cm) g=¿9.78 (m/s2)

Para hallar∝:

∝= 519

ρNVRg

∝= 519

(0.990±0.0005 ) x10−3 kg/cm3

(17.8±0.374)(1±0.05 )ml

(0.16±0.005 ) cm(9.78)m /s2

∴∝=¿89.6 ± 5.6 (dina/cm)

Para el Alcohol:

ρ=¿0.810±0.0005 (g/cm3) = (0.810 ± 0.0005)x10-3 kg/cm3

V=¿ 1 ± 0.05 (ml)



N=¿44.8± 0.2 R=¿0.16 ± 0.005 (cm) g=¿9.78 (m/s2)

Para hallar∝:

∝= 519

ρNVRg

∝= 519

(0.810±0.0005 ) x10−3 kg/cm3

(44.8±0.2)(1±0.05 )ml

(0.16±0.005 ) cm(9.78)m /s2

∴∝=¿29.0 ± 1.72 (dina/cm)

Para el Ron:

ρ=¿0.850±0.0005 (g/cm3) = (0.850 ± 0.0005)x10-3 kg/cm3

V=¿ 1 ± 0.05 (ml) N=¿44.6± 0.245 R=¿0.16 ± 0.005 (cm) g=¿9.78 (m/s2)

Para hallar∝:

∝= 519

ρNVRg

∝=5

19(0.850±0.0005 ) x10−3 kg/cm3

(44.6±0.245)(1±0.05 )ml

(0.16±0.005 ) cm(9.78)m /s2

∴∝=¿30.6 ± 1.8 (dina/cm)

2. Para el equipo automatizado, determine el coeficiente de tensión superficial utilizando la ecuación 7. Con su error correspondiente. Recuerde que la longitud l del aro debe estar en metros.

Líquido H2O

αN/m 68±6din /cm

MÉTODO DEL ANILLO



α= F2 x l

FUERZA

F = 0.00834Dónde:

σ=√∑ (x−X )2

n = 0.000117

Ea= σ√n−1

= 0.000058

Ei = 0.00005 N (error del sensor)

Error=√Ei2+Ea2

Error=¿0.000077α=0.00834 ±0.00005 NLONGITUD

Como l=2 π x ( r i+re2 )

DIÁMETRODEL ARO

RADIODEL ARO

INTERNO(ri)

19.2 9.6

EXTERNO(re)

19.6 9.8

r =ri+re

2 = 9.7

Dónde: ∆r=¿ 0.025 mm r = 9.7 ± 0.025 mml=60.947±0.157 mm2 x l=121.894±0.314 mm2 x l=0.121894 ±0.000314 m

Como α= F2x l

α= F2x l

= 0.008340.121894

=0.068 N /m

∆ α= F2 x l

x √(∆ FF )2

+(∆2 xl2x l )

2

=0.068 x√0.0026+0.006=0.006



α=0.068±0.006 N /m

Como N=Kg x ms2 ↔ din=g x

cms2

Entonces Nm

=1000 dincm

α=68±6din /cm

VI. EVALUACIÓN

1. Determine el error relativo porcentual obtenido. Evaluar si éste se encuentra en el valor estimado del error total.

Error Relativo Porcentual (%)

Método de Rayleigh Método del anillo

H2O 6.3% 8.8%

Alcohol 5.9% ------------------------------

Ron 5.9% ------------------------------

Para el agua: (Método de Rayleigh)

ΔX=¿0.0056 N/mx=¿ 0.0896 N/mEr=¿?

Er=ΔXx

Er=0.00560.0896

Er=¿ 0.0625



Er %=100 ErEr %=100 (0.063 )Er %=¿6.3%

Para el agua: (Método del anillo)

ΔX=0.006N /mx=0.068 N /mEr=¿?

Er=ΔXx

Er=0.0060.068

Er=¿0.088Er %=100 ErEr %=100 (0.09 )Er %=¿ 8.8%

Para el alcohol: (Método de Rayleigh)

ΔX=¿ 0.00172 N/mx=¿ 0.029 N/mEr=¿?

Er=ΔXx

Er=0.00172

0.029Er=¿ 0.059Er %=100 ErEr %=100 (0.059 )Er %=¿5.9%

Para el ron: (Método de Rayleigh)

ΔX=¿ 0.0018 N/m x=¿ 0.0306 N/mEr=¿?



Er=ΔXx

Er=0.00180.0306

Er=¿ 0.059Er %=100 ErEr %=100 (0.059 )Er %=¿ 5.9%

2. Determine el error experimental porcentual obtenido.

Error Relativo Porcentual (%)

Método de Rayleigh Método del anillo

H2O -24% 5.6%

Alcohol -31.8% ------------------------------

Ron -35.4% ------------------------------

Para el agua: : (Método de Rayleigh)

Valor teórico del agua: 0.072 N /mValor experimental del agua: 0.0896 N /m

Eexp%=|Valor Teórico−Valor ExperimentalValor Teórico |×100

Eexp%=|0.072−0.08960.072 |×100

Eexp%=¿ -24%

Para el agua: (Método del anillo)

Valor teórico del agua: 0.072 N /m



Valor experimental del agua: 0.068 N /m


Eexp%=|0.072−0.0680.072 |×100

Eexp%=¿5.6%

Para el alcohol: (Método de Rayleigh)

Valor teórico del alcohol: 0.022 N /mValor experimental del alcohol: 0.029N /m


Eexp%=|0.022−0.0290.022 |×100

Eexp%=¿ -31.8%

Para el ron: (Método de Rayleigh)

Valor teórico del ron: 0.0226 N /mValor experimental del ron: 0.0306 N /m


Eexp%=|0.0226−0.03060.0226 |×100



Eexp%=¿ -35.4%

3. Según los resultados obtenidos en las tablas anteriores. ¿Cuál de los dos métodos trabajados es más preciso para determinar la tensión superficial?

Un método muy aceptado por los códigos de construcción actuales es el Método de Rayleigh, el cual permite calcular con buena aproximación la frecuencia fundamental de un sistema de grados de libertad mediante un proceso relativamente sencillo. Este método fue desarrollado utilizando la ley de la conservación de la energía, permitiendo analizar sistemas de múltiples grados de libertad como un sistema equivalente de un grado de libertad, en función de una sola coordenada generalizada.El método del anillo (anillo de Du Nouy) es uno de los más conocidos. Se mide la fuerza adicional ΔF que hay que ejercer sobre un anillo de aluminio justo en el momento en el que la lámina de líquido se va a romper.

4. Compare los valores de coeficiente de tensión superficial del agua respecto a los otros líquidos. ¿Hay grandes diferencias? Explique por qué.

Con respecto a la tensión superficial del agua, alcohol y ron vemos que tanto en sus valores teóricos como experimentales que tienen una diferencia relativamente alta, entonces se puede ver que el agua destaca entre los tres por tener mayor resistencia.

5. De cinco ejemplos de aplicación práctica del fenómeno de tensión superficial en los campos de: ciencia, tecnología y el hogar.

Caminar sobre el agua Pequeños insectos, como el zancudo de agua pueden caminar sobre el agua debido a que su peso no es suficiente para penetrar en la superficie.

Aguja flotanteSi se coloca en la superficie, una pequeña aguja se puede hacer flotar en la superficie del agua a pesar de que es varias veces más densa que el agua. Si la superficie se agita para romper la tensión superficial, a continuación, la aguja rápidamente se va al fondo.



Carpa común son de material impermeable en el que la tensión superficial del agua puente de los poros en el material finamente tejido. Pero si usted toca la tienda de material con el dedo, es romper la tensión superficial y la lluvia pasa a través de ella.

Jabones y detergentes ayudar a la limpieza de ropa por la reducción de la tensión superficial del agua a fin de que se absorbe más fácilmente en los poros y las superficies manchadas.

Prueba clínica de ictericia Normal de la orina tiene una tensión superficial de alrededor del 66 dinas / cm, pero si está presente la bilis (una prueba para la ictericia), que bajan hasta 55. Hay en la prueba, en polvo de azufre se rocía sobre la superficie de la orina. Que flotan en la orina normal, pero si se va al fondo es por la baja TS que se produce a por la bilis.

6. Elabore el diagrama de cuerpo libre del anillo usando el método automatizado.



7. ¿Cuál es la dependencia del coeficiente de tensión superficial con la temperatura? ¿Qué sucede con el coeficiente de tensión superficial a altas y bajas temperaturas?

La tensión superficial y la temperatura presenta una fuerte dependencia, ya que entre ello existe una relación inversamente proporcional (IP) esto quiere decir que, la tensión superficial disminuye cuando la temperatura aumenta y que aumente cuando la temperatura disminuye.Para casi todos los líquidos, la tensión superficial decrece linealmente con la temperatura siguiendo la ecuación:

γ=α (T 0−T )Donde T0 es una temperatura cercana a la temperatura crítica (para el agua, la temperatura crítica es 647.4 K).

8. Si la fuerza requerida para separar un anillo de platino de 4cm. De diámetro de la superficie de un líquido es de 18,6 g ¿Cuál es el valor de la tensión superficial del líquido?

g= 9.8 m /s2

m= 18.6 g <> 0.0186 Kgr= 2 cm <> 0.02 m



F=¿mgF=0.0186×9.8F=0.182N

l=2 πrl=2 π (0.02 )l=0.126m

α= F2l

α= 0.1822 (0.126 )

α=0.72N /m

VII. CONCLUSIONES De la experiencia realizada se concluye que el coeficiente de tensión superficial

depende de la temperatura de manera inversa, ya que disminuye a medida que aumenta la temperatura.

Se concluye que el que tiene mayor coeficiente de tensión superficial que el alcohol y el ron y otros líquidos, esto debido a que las fuerzas intermoleculares entre las



moléculas de agua representan alta energía por la existencia de los enlace puente de hidrógeno (EPH).

El fenómeno de tensión superficial está muy presente en nuestra vida cotidiana, este fenómeno explica muchos fenómenos característicos de los líquidos, como la formación de gotas cuando el líquido sale a través de orificios pequeños, la formación de espuma, etc.

Se puede concluir que debido a la tensión superficial las moléculas de los líquidos se atraen unas a otras por tanto las que se encuentran en la superficie estarán atraídas a las del interior así también serán atraídas por las moléculas del recipiente que los contiene.

VIII. RECOMENDACIONES Al ingresar al laboratorio a realizar las experiencias tener presente que es un lugar de

TRABAJO que demanda mucha atención, orden y responsabilidad. Para la experiencia realizada se recomienda siempre al tomar datos, tomar la mayor

cantidad de veces para disminuir los errores. También es necesario al momento de dejar caer líquido de la bureta regular la caída

de éste para poder contar mejor el número de gotas para el volumen elegido. Se recomienda que al momento de tomar los valores de la fuerza de tensión

superficial de la gráfica se tomen no sólo los máximos valores si no que donde la fuerza no varíe significativamente.

No se debe realizar ninguna experiencia sin comprender bien la finalidad del experimento, antes de entrar a realizar su experimento del laboratorio debe estar perfectamente enterado de lo que se tiene que hacer y observar cualquier precaución en general.

Guardar los materiales después de usarlos. Prestar atención a las indicaciones y recomendaciones.


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