UNIVERSIDAD DON BOSCO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS Asignatura: FÍSICA II

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1 UNIVERSIDAD DON BOSCO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS Asignatura: FÍSICA II LABORATORIO DE FÍSICA CICLO: AÑO: Laboratorio: 04 Laboratorio 04: MANOMETRÍA I. OBJETIVOS General Investigar y determinar la presión en el interior de fluidos en reposo, aplicando los diferentes principios de la hidrostática. Específicos Conocer qué es un fluido y cuáles son sus características. Establecer la diferencia entre presión absoluta (PABS) y presión manométrica (PMAN). Realizar lecturas de columnas de líquido para determinar presiones manométricas. Realizar los cálculos de las presiones absolutas utilizando la información experimental. Determinar la densidad (ρ) de un líquido desconocido, conociendo la densidad de otro. Calcular a partir de los datos experimentales, la presión manométrica y absoluta de un Gas Usar los diferentes factores de conversión para expresar la presión en unidades de Pa, cmh2o y mmhg. II. INTRODUCCIÓN Los Fluidos son sustancias que presentan una gran movilidad entre sus partes, no tienen rigidez, ya que cambian de forma por efectos de las fuerzas tangenciales pequeñas y esto se manifiesta por su capacidad de fluir (Figura 1). Los líquidos o gases únicamente resisten esfuerzos normales a la presión. Los líquidos son prácticamente incompresibles, mientras que los gases son altamente compresibles. Para su estudio en reposo, los líquidos y los gases generalmente deben encontrarse confinados adoptando la forma del recipiente que los contiene. De esta manera, su estudio se presenta en términos de la Densidad (ρ), Peso Específico (γ), Volumen (V) y Presión (P). Figura 1: Modelo simplificado que muestra los estados básicos de la materia. La presión de los luidos puede ser Absoluta o Manométrica. En el primer caso, se tiene una presión referida a la presión cero en el vacío. Por otra parte, la presión manométrica que se obtiene directamente de un manómetro, indica la diferencia entre la presión de un punto determinado de un fluido y la presión Atmosférica. (Figura 2) Manometría Pag. 1

2 Figura 2: Representación esquemática de la relación entre los distintos tipos de presión. Tanto la Presión Absoluta (PABS) como la Presión Manométrica (PMAN) cambian linealmente con la profundidad h en los líquidos. Estas se relacionan así: (Ec. 1) En la Ecuación 1, PATM es la Presión Atmosférica, que es la presión que se ejerce sobre la superficie terrestre, es decir la presión en el fondo de la masa de aire en que vivimos. Esta presión varía con el estado del tiempo y la altitud. La presión atmosférica normal al nivel del mar (valor medio) es de 1 atmósfera (1atm), definida como exactamente 1,32 Pa ó x Pa. Una de las propiedades de los fluidos es que dos puntos en un mismo líquido y a la misma profundidad tienen la misma presión. Y en un fluido gaseoso, la presión es la misma a cualquier profundidad. La Presión es entonces por definición a la magnitud de la fuerza (perpendicular) por unidad de área (Ec.2) En donde las unidades son [N/m 2 ] denominadas Pascales en el Sistema Internacional; [Lb/pulg 2 ] llamada PSI (Libra sobre pulgada cuadrada, por sus siglas en inglés) en el Sistema Inglés. Además de las unidades arriba mencionadas, existen aún más e acuerdo a las actividades técnicas o científicas en que se desarrollen, por ejemplo, en mecánica de fluidos con relación a dispositivos como toberas, bombas de agua, válvulas y tuberías, generalmente las presiones se dan como el equivalente de la presión ejercida por una columna de agua o de mercurio (Hg). Así pues, una atmosfera estándar equivale a una presión de 760 mmhg en un tubo vertical, esta lectura es conocida a partir de un instrumento de medición llamado Barómetro. Existen en la actualidad otros instrumentos que permiten medir presiones como la manométrica y la de vacío, conocidos como Manómetro de Bourdon y Vacuómetro, respectivamente. Al tratar de obtener el dato de la presión en las unidades de Pascal o PSI, nos interesa conocer básicamente la altura de la columna de un líquido cualquiera que ejerza la misma presión que el dato anterior, entonces, solo se tendrán que igualar el dato de la presión en Pasca o PSI con la expresión ρgh en donde ρ tiene que ser la densidad del líquido previamente identificado, considerando el valor de la gravedad y finalmente la incógnita que será el valor a encontrar. Así por ejemplo, la presión ejercida por una columna de 1m de agua equivale a la presión que ejerce una columna de 8.09m de mercurio. Manometría Pag. 2

3 III. TAREA PREVIA 1.) Contestar las siguientes interrogantes: Qué es un manómetro? Describa que es un manómetro de tubo en U? Qué es un líquido manométrico? Mencione al menos 3 características que debe poseer un líquido para considerarlo como líquido manométrico. Qué características tiene la presión de un gas que se encuentra dentro de un recipiente? Qué es la presión manométrica? 2.) Se le recomienda resolver problemas de manometría usando la bibliografía sugerida por el docente de teoría. IV. MATERIALES Y EQUIPO Cantidad Material/Equipo 2 Tubo de Vidrio en U 2 Varillas sostén con base 1 Barómetro digital 1 Cinta Métrica 1 Vejiga 1 Tirro 2 Pinza sostén V. PROCEDIMIENTO PARTE A: DENSIDAD DE UN LÍQUIDO a) Colocar agua en el interior del tubo en U, hasta una altura de 4 cm, tomando como referencia el fondo del tubo. Tal como se muestra en la figura 3. b) Verter cuidadosamente aceite en una de las ramas del tubo en U, provocando un desnivel de unos mm entre las ramas. (Ver figura 4) c) Medir con la cinta métrica, las alturas h1, h2 y h3 tomando como referencia el fondo del tubo en U, tal como se observa en la figura. Figura 3: Manómetro con líquido manométrico (agua). Figura 4: Manómetro con líquido manométrico y líquido desconocido Figura : Medida de las alturas h1, h2 y h3 Manometría Pag. 3

4 d) Proceda ahora a determinar las diferencias de altura (columnas de líquido h1 y h2) a partir de las mediciones de las alturas h1, h2 y h3 realizadas en el paso anterior: 1 2 e) Tomando la Densidad [ρ] del agua como calcular la densidad del líquido desconocido aplicando el concepto de igualdad de presiones a un mismo nivel. Figura 6: Columnas de líquido h1 y h2 PARTE B: PRESIÓN EN UN GAS a) Verter el líquido manométrico proporcionado por su docente en el tubo delgado. b) Inflar el globo y colocarlo como se muestra en la figura 7. c) Medir las alturas h1, h2 y h3 que se muestran en la figura 7. cm cm 3 cm d) Con los datos anteriores y asumiendo que la densidad del aire es de, calcular la presión en el punto B y comparar con la presión en el punto A. Nota: Una vez terminada la toma de datos y completar los espacios faltantes. Limpiar y ordenar su mesa de trabajo antes de retirarse. Figura 7: Presión en un gas confinado. Manometría Pag. 4

5 VI. ANÁLISIS DE RESULTADOS PARTE I 1.) Medidas de las alturas de columnas de líquido h1 y h2 con sus respectivas unidades. (No olvidar constancia de cálculos). 2.) A partir de los datos del literal anterior, calcular la densidad del líquido desconocido. 3.) A partir de la figura 6, determine las presiones en 1 y 2. Son iguales las presiones en 1 y 2? Si, No, por qué? Explique. 4.) De acuerdo al resultado del literal 2, El valor de la densidad es el que se esperaba? Si, No, Por qué? Explique..) Tomando como referencia la figura 6, Cuál es el requisito fundamental para que la presión en 1 sea igual a la presión en 2? Explique claramente. 6.) Es posible calcular la densidad de un líquido desconocido utilizando como liquido manométrico otro que no sea el agua? Justifique su respuesta. PARTE II 1.) A partir de las medidas de las alturas h1, h2 y h3 del tubo en U (figura 7), calcule las alturas de las columnas de fluido h1= h1 h2 y h2= h3 h2, con sus respectivas unidades. 2.) Calcular la presión manométrica del punto A en las siguientes unidades: a. Pascal (Pa) b. Centímetros de Agua (cmh2o) c. Centímetros de Mercurio (cmhg) 3.) Calcular le presión absoluta del punto A en las mismas unidades del numeral anterior. 4.) Calcular la presión absoluta y manométrica en el punto B..) Si compara el valor de la presión manométrica y absoluta en A y en B, que se puede concluir? Explique. 6.) Elabore conclusiones para su reporte, en base a los resultados obtenidos, causas de error y objetivos de la práctica. Manometría Pag.

6 Departamento de Ciencias Básicas Laboratorios de Física y Química NOTA: HOJA DE CRITERIOS DE EVALUACIÓN DE LOS RESULTADOS EXPERIMENTALES. Asignatura: Física II Nombre de la Practica: Manometría DOCENTE: Fecha: / / G.L.: Miembros del grupo: No Apellidos Nombres Carnet Firma G.T No Aspectos a Evaluar %Asig %Obten Observaciones 1 Presentación (Limpieza, orden, coherencia) 2 Medidas de las alturas h1,h2 y h3. Cálculo de columnas de líquido h1, h2 (Constancia de cálculos, unidades) 3 Calculó la densidad del líquido desconocido. 4 Determinó las presiones en los puntos 1 y 2 de acuerdo a la figura 6. Explicó su respuesta. Explicó si el valor de la densidad obtenida era la esperada Explicó el requisito fundamental para afirmar que la presión en el punto 1 es igual a la presión en el punto 2. (Figura 6) Explicó si es posible determinar la densidad de un líquido usando otro líquido manométrico distinto al agua. Medidas de las alturas h1,h2 y h3 y cálculo de columnas de líquido h1, h2 (Constancia de cálculos, unidades) Calculo la presión manométrica en el punto A según la figura 7. Unidades, constancia de cálculos. Realizó las conversiones de presión manométrica en el punto A, en las unidades de Pa, cmh20 y cmhg. Constancia de cálculos y unidades. Calculo la presión absoluta en el punto A según la figura 7. Unidades, constancia de cálculos. Calculo la presión absoluta y manométrica en el punto B según la figura 7. Unidades, constancia de cálculos. Comparó y explicó de acuerdo a los resultados cómo son las presiones en los puntos A y B. 14 Elaboró las conclusiones. TOTAL DE PUNTOS 0 Manometría Pag. 6