No 8 LABORATORIO DE FISICA PARA LAS CIECIAS DE LA VIDA MEDIDA DE LA TENSION SUPERFICIAL DE UN LIQUIDO VISCOSIDAD. Objetivos

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1 No 8 LABORATORIO DE FISICA PARA LAS CIECIAS DE LA VIDA MEDIDA DE LA TENSION SUPERFICIAL DE UN LIQUIDO DEPARTAMENTO DE FISICA Y GEOLOGIA 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 1 Dinamómetro 1 Aro metálico 1 Liquido problema 3 EQUIPO REQUERIDO Viscosidad CANTIDAD Probeta 100 ml 1 Esfera metálica 1 Balanza 1 Cronómetro 1 Portaobjetos 1 Metro 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 32

2 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 = σ S (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: donde L es el perímetro de la interfase líquido-aire-objeto. COEFICIENTE DE TENSIÓN SUPERFICIAL F σ = σ L (2) 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 33

3 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/m 2 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: 34

4 f Tension Superficia l longitud f Tension 2 Superficia l 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. 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 f Visc Peso Suponga que la bolita ha alcanzado la velocidad 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. 35

5 Se observa que en el instante inicial la aceleración de la bolita es g ( =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: esf liq V critica 2 9 r 2 g esf liq Se analizará, dentro de los limites de los errores de medición, si se puede considerar que la bolita alcanza o no la velocidad 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 v l en m/s, La densidad de la esfera ρ e y del fluido ρ f en kg/m 3 (generalmente se proporcionan los datos de la densidad en g/cm 3 ). 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/m 3 ] Densidad del sólido (bola) [Kg/m 3 ] Aceleración de gravedad [m/s 2 ] 9.8 Tabla 2. 36

6 Líquido 1 Tabla 3. Líquido 2 Tabla 4. Líquido 3 Tabla 5. 37

7 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 v l en m/s, La densidad de la esfera ρ e y del fluido ρ f en kg/m 3 (generalmente se proporcionan los datos de la densidad en g/cm 3 ). 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/m 3 ] Densidad del sólido (bola) [Kg/m 3 ] Aceleración de gravedad [m/s 2 ]

8 Tabla 2. Líquido 1 Tabla 3. Líquido 2 Tabla No 4. Líquido 3 Tabla 5. 39

9 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. Serway, Raymond. Física, Tomo I, 5ta. Ed., Editorial Mac GrawHill, Sears-Zemansky Física. 3. J.W.Kane, M.M. Sternheim. Física. Sección D.Jou, J.P. Llebot, C.P.Garcia:Física para Ciencias de la Vida.Capítulo 3, pp Manual de Física, Koshkin N. I., Shirkévich M. G.. Editorial Mir (1975) 40