PRÁCTICA 5. DETERMINACIÓN DE DENSIDAD, PESO ESPECÍFICO Y GRAVEDAD ESPECÍFICA 1.1 FUNDAMENTO TEÓRICO 1.1.1 La densidad es la masa de una sustancia por unidad de volumen. La densidad es una propiedad intensiva y no depende de la cantidad de masa presente, por lo que la proporción de masa sobre volumen permanece sin cambio para un material dado; en otras palabras el volumen aumenta conforme lo hace la masa. Usualmente la densidad depende de la temperatura. La unidad derivada del Sistema Internacional para la densidad es el kilogramo por metro cúbico (Kg/m 3 ). Esta unidad resulta demasiado grande para muchas aplicaciones químicas; en consecuencia, los gramos por centímetro cúbico (g/cm 3 ) y su equivalente de gramos por mililitro (g/ml) se usa de manera más frecuente para las densidades de sólidos y líquidos. La densidad de los gases tiende a ser muy baja, de modo que se expresa en gramos por litro (g/l). 1 g/cm 3 = 1 g/ ml = 1000 kg/m 3 1 g/l = 0.001 g/ml Para el cálculo de la densidad se utiliza la siguiente relación: = ρ = masa/ volumen La densidad de los materiales cambia, en mayor o menor grado, al variar las condiciones de presión y temperatura, sobre todo en los gases. Una gran parte de las sustancias se expanden cuando se les calienta. Como resultado la densidad de estas sustancias disminuye al aumentar la temperatura, hay algunos casos en que la densidad aumenta cuando se eleva la temperatura un determinado intervalo. Es el caso del agua en el intervalo de (0-4) C. 1.1.2 del suelo La densidad del suelo puede determinarse de dos formas, la densidad aparente y la densidad real. La densidad aparente del suelo es la masa de un volumen de suelo en base seca tomando en cuenta su espacio poroso (g/cm 3 ). Esta dada por la expresión Dap= Pss/Vt Dap = aparente (gr/cm 3 ) Pss = masa de suelo seco (g), Vt = Volumen total (cm 3 ) La densidad aparente es variable de un suelo debido principalmente a la diferencia textural. Los suelos arenosos, poseen mayor densidad aparente que los arcillosos y limosos, debido al menor porcentaje de porosidad (del suelo arenoso). Además la densidad aparente está afectada por la estructura del suelo, grado de compactación (uso y manejo del suelo), expansión y contracción de las partículas (cambios de temperatura) y contenido de humedad. Las operaciones de mecanización que dispersan el suelo disminuyen su densidad aparente, mientras que la compactación la aumenta. Los procesos que favorecen la agregación bajan la disminuyen la densidad aparente, pero al bajar la agregación la misma aumenta.
La densidad real es la relación entre la unidad de masa y la unidad de volumen de la fase sólida del suelo, la cual es más o menos constante, debido a que está determinado por la composición química y mineralógica de la fase sólida. La densidad real (o de partículas) expresa la densidad de las partículas del suelo excluyendo el espacio poroso. Este valor es de utilidad para calcular el espacio poroso del suelo. La mayor parte de los componentes del suelo (aluminosilicatos, sílice) poseen una densidad oscilante entre 2.6 y 2.7 g/cm 3, se toma un valor medio de 2,65 gr/cm 3 (valor adoptado al realizar el análisis granulométrico). El contenido de los distintos elementos constituyentes de los suelos es el que determina las variaciones de su densidad real, por lo que la determinación de este parámetro permite por ejemplo estimar su composición mineralógica. Si la densidad real es muy inferior a 2,65 gr/cm 3, se puede suponer que el suelo posee un alto contenido de yeso o de materia orgánica, si es significativamente superior a 2,65 gr/cm 3 se puede inferir que posee un elevado contenido de óxidos de hierro o minerales ferromagnésicos. La porosidad del suelo es el porcentaje del volumen del suelo que es ocupado por el espacio poroso. El espacio poroso total está formado por los poros existentes entre las partículas del suelo y los agregados, de aquí que la textura y estructura del suelo son los principales factores que determinan el espacio poroso del suelo. La porosidad es importante para el intercambio gaseoso del suelo con la atmósfera, crecimiento de raíces, movimiento y almacenamiento de agua. 1.1.3 Peso específico El peso específico (también llamado densidad de peso), se define como el peso de la unidad de volumen de una sustancia. Donde es el peso específico, W el peso de la sustancia, V volumen de la sustancia, Kgf es kilogramo fuerza, N Newton, m 3 metro cúbico. Al tener en cuenta que el peso es igual a W = m.g, y en base a las ecuaciones anteriores se puede determinar que la densidad y el peso específico están relacionados del siguiente modo: 1.1.4 relativa o gravedad específica La densidad relativa de una sustancia se define como la razón entre la densidad de la sustancia y la densidad del agua a una temperatura determinada (generalmente a 4 C). Donde δ (delta) es la gravedad específica, ρ es la densidad de la sustancia y ρh2o es la densidad del agua Como la densidad y el peso específico están relacionados, la densidad relativa o gravedad específica también se puede definir como la relación entre el peso específico de una sustancia y el peso específico del agua a una 1
temperatura determinada. 1.2 OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA Determinar la densidad, peso específico y gravedad específica de fluidos. Determinar la densidad de un tubérculo de papa. Determinar la densidad aparente de una muestra de suelo Determinar la densidad real de una muestra de suelo 1.3 MATERIALES Y EQUIPO Materiales proporcionados por el laboratorio Cristalería Equipo Reactivos 2 probetas de 100 ml 2 probeta de 50 ml 1 probeta de 25 ml 1 beacker de 100 ml 1 varilla de agitación 1 termómetro 1 balanza monoplato 1 estufa 1 espátula Agua destilada Glicerina Materiales proporcionados por el estudiante. Por grupo de trabajo 300 gramos de suelo seco y tamizado. Para tomar y preparar la muestra puede utilizar la metodología descrita en el numeral 1.4.1. Recuerde que de no llevar este material en las condiciones solicitadas (seco y tamizado) el grupo no tendrá derecho a realizar la práctica. Tome en cuenta que el proceso de tamizado debe realizarlo por lo menos 48 horas antes de la práctica. 1 papa entre 150 a 200 gramos. 1 pelador de verdura. 1 cuchillo o navaja. 1 marcador permanente de color negro. 2
1.4 METODOLOGÍA 1.4.1 Toma y preparación de la muestra de suelo A continuación se describe la metodología para la toma y preparación de la muestra de suelo. Esta preparación debe realizarse antes de realizar la práctica y debe correr por cuenta de cada grupo de laboratorio. a. Antes de proceder a la toma de muestras, deben delimitarse las áreas que se considerarán como unidades de muestreo. Para esto se elabora un mapa o croquis de campo, y se divide en áreas tomando como criterios la productividad del suelo, topografía, textura, estructura, drenaje, color, vegetación dominante, manejo y cultivo anterior. b. Si se tiene un suelo que sea uniforme, se procede a tomar una muestra la cual debe contener por lo menos 15 a 30 submuestras para un área máxima de 4 a 6 hectáreas, pero si hay mucha variabilidad el terreno se divide de acuerdo a los criterios antes mencionados y se tomará una muestra compuesta por cada una de estas subáreas. c. La profundidad del muestreo varía de acuerdo al sistema radicular del cultivo a establecerse, en general, las muestras se toman desde la superficie hasta el inferior de la capa arable, en la mayoría de los casos es de 0-30 cm. d. Las submuestras se toman cada 15 a 20 pasos, siguiendo un Zig-zag y utilizando un barreno, tubo de muestreo, pala, piocha o machete. Las secciones de suelo que se toman deben ser delgadas para no formar muestras muy grandes las submuestras se deben colectar en una cubeta, bolsas de plástico u otro recipiente. Se mezcla bien el suelo y se aparta dos libras que se guardan en una bolsa de plástico o polietileno debidamente identificadas y etiquetadas. e. Llevar la o las muestras de suelo a un lugar donde pueda secarse y almacenarse. Este lugar debe ser bajo techo y suficientemente ventilado. f. Sacar el suelo de la bolsa y expandirla sobre hojas de papel periódico. Deje secar y cambiar el papel si es necesario. g. Tamizar el suelo. Para esta actividad lleve la muestra seca de suelo al laboratorio por lo menos 48 horas antes de la práctica. 1.4.2 Determinación de la densidad de un tubérculo de papa a. Tome el tubérculo de papa y con un cuchillo o una navaja córtelo en 10 trozos o secciones b. Seleccione 5 de las 10 secciones. c. Tome un trozo de tubérculo de papa, de los 5 que seleccionó, y mida la masa. Anote el dato en el cuadro 1 d. Determine el volumen de este mismo trozo haciendo uso de una probeta adecuada y utilizando el principio de Arquímedes: mida un volumen de agua en la probeta y sumerja en ésta la sección de tubérculo, la diferencia de volumen de agua (volumen final volumen inicial) o volumen de agua desplazado corresponde al volumen de la sección. Anote el dato en el cuadro 1. e. Repita esta misma operación para las secciones restantes y anote los resultados. 3
1.4.3 Determinación de densidad aparente de suelo a. Tome una probeta de 100 ml seca y limpia. b. Mida la masa de la probeta y anote el valor en el cuadro 2. c. Agregue suelo previamente seco y tamizado en la probeta hasta alcanzar un volumen de 50 cm 3. No vierta todo el volumen del suelo sino que agregue primero unos cuantos cms 3 (5 cm 3 por ejemplo) y compáctelo. Para compactar el suelo golpee con precaución el fondo de la probeta sobre un material suave (hule, libros, o con la mano) varias veces. Luego repita la operación hasta completar el volumen indicado (50 cm 3 ). d. Anote el volumen que ocupa el suelo en el cuadro 2. e. Mida la masa de la probeta con el suelo; luego por diferencia determine la masa del suelo seco al aire. f. Anote este dato en el cuadro 2. Nota: Recuerde que los cálculos de densidad y de la mayoría de parámetros de suelo se hacen sobre la base de masa seca por lo que es imprescindible que el suelo cumpla con esta característica. Si no es así trate de secar el suelo mediante calentamiento de la muestra en un beacker. 1.4.4 Determinación de la densidad real del suelo a. Tome una probeta de 100 ml seca y limpia y agregue 50 ml de agua destilada. b. Mida 50 g de suelo seco y agréguelos lentamente en la probeta. Agite la probeta para eliminar burbujas de aire. Deje en reposo la muestra durante 5 minutos. c. Anote el volumen final de la mezcla de agua y suelo. d. Determine por diferencia el volumen de agua desplazada por el suelo agregado (volumen de sólidos de suelo). Anote los datos en el cuadro 2. 1.4.5 Determinación de densidad, peso específico y gravedad específica a. Mida la masa de una probeta de 50 ml limpia y seca. Anote este valor. b. Agregar un volumen de agua destilada de 30 ml. Anotar este valor en el cuadro 3. c. Tomar la temperatura del líquido. Anote el valor en el cuadro 3. d. Medir la masa de la probeta + agua destilada. e. Por diferencia determine la masa del agua y anótela en el cuadro 3. f. Tome una probeta de 25 ml limpia y seca y determine la masa. Anote el valor. g. Agregar un volumen de 15 ml y repita los pasos del inciso c al e. h. Realizar el mismo procedimiento para la glicerina. Anotar los valores en el cuadro 4. 4
1.5 CUESTIONAMIENTOS Y OBSERVACIONES PARA INCLUIR EN EL INFORME Determinación de la densidad de un tubérculo de papa a. Complete la información que se le solicita en el cuadro 1. Determinar la densidad de cada sección con la relación: = masa/volumen b. Elabore otro cuadro que reporte las mediciones expresadas en unidades del Sistema Internacional. c. Discuta la variación de la masa, el volumen y densidad obtenidas (utilice las medidas estadísticas que calculó en el cuadro). Si es necesario consulte un texto de estadística general para determinarlas. Si considera necesario puede calcular otro tipo de medidas de tendencia central o de dispersión para el análisis de los datos. d. Según los resultados obtenidos la densidad es una propiedad intensiva o extensiva? Por qué? Cuadro 1. Masa, volumen y densidad de 5 secciones de tubérculo de papa. Datos Estadísticas Variable 1 2 3 4 5 CV Masa de la sección (g) Volumen de la sección (cm 3 ) Determinación de la densidad aparente y real del suelo a. Complete la información que se le solicita en el cuadro 2. b. En el cuadro 2 también se incluye el cálculo de % de porosidad utilizando la densidad aparente. Utilice el método de análisis dimensional y factor unitario para calcular este porcentaje. c. De acuerdo a sus resultados obtenidos. Realice los siguientes cálculos A cuántos kg equivale una hectárea de terreno a una profundidad de 30 cm? A cuántas toneladas equivale una manzana de terreno a una profundidad de 25 cm? Qué volumen total es ocupado por los poros del suelo en cada caso? d. Investigue y escriba valores de densidad real, aparente y porosidad reportados para los suelos. No olvide citar las fuentes bibliográficas. e. Investigue y escriba ejemplos de la utilidad que tiene el conocer la densidad real y aparente de un suelo. 5
Cuadro 2. Determinación de densidad aparente y densidad real del suelo Información general 1 Masa de la probeta vacía 2 Volumen de suelo seco 3 Masa de la probeta + suelo seco Determinación de densidad aparente 4 Masa del suelo seco. Este valor se determina por la diferencia entre los datos de los numerales 3 y 1. 5 aparente = Masa suelo base seca / Volumen suelo. Relacione el numeral 4 y el 2 Determinación de densidad real 6 Volumen inicial de agua destilada en la probeta 7 Volumen de la mezcla de suelo y agua 8 Volumen de agua desplazada (volumen de sólidos de suelo) 9 Masa de suelo seco 10 real = Masa suelo base seca / volumen de agua desplazada. Relacionar los numerales 9 y 8. Determinación de porcentaje de porosidad 11 % Porosidad = (1 - ( aparente / real)) * 100% Relacionar los numerales 5 y 10. Determinación de densidad, peso específico y gravedad específica del agua. a. Anote los datos de temperatura, masa y volumen de los líquidos en los siguientes cuadros. Con esta información determine la densidad, peso específico y gravedad específica para cada líquido. Cuadro 3. Determinación de densidad, peso específico y gravedad específica del agua. Temperatura ( C) Masa de líquido (g) Repetición 1 (V = 30 cm 3 ) Repetición 2 (V = 15 cm 3 ) Agregar la dimensionales donde sea necesario Volumen del líquido (cm 3 ) (g/cm 3 ) (kg/m 3) ) Peso específico ( ) Gravedad específica ( ) Cuadro 4. Cuadro 3. Determinación de densidad, peso específico y gravedad específica de la glicerina Temperatura ( C) Masa de líquido (g) Repetición 1 (V = 30 cm 3 ) Repetición 2 (V = 15 cm 3 ) Agregar la dimensionales donde sea necesario Volumen del líquido (cm 3 ) (g/cm 3 ) (kg/m 3) ) Peso específico ( ) Gravedad específica ( ) 6
b. Discuta los resultados obtenidos. Existen variabilidad de la densidad al variar la masa y el volumen? c. Escriba la importancia de reportar la temperatura en los cálculos de densidad. d. Investigue la aplicación de conocer el peso específico y la gravedad específica de líquidos en hidráulica y en el diseño de sistemas de riego y drenajes agrícolas. 1.6 BIBLIOGRAFÍA Hernández Huéramo, D. Sf. Manual de prácticas de Hidráulica básica. Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. México. 8 p. Forsythe, F. 1974. Manual de laboratorio de Física de suelos. Instituto Interamericano de Ciencias Agrícolas de la OEA. Turrialba. Costa Rica. 212 p. Sin autor. 2013. Prácticas de Laboratorio de Edafología 1. Facultad de Agronomía. Universidad de San Carlos de Guatemala. 47 p. Compilado por: Kelder Alexis Ortiz Cardona. Fecha de revisión: Febrero 2015. 7