UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
LABORATORIO FENÓMENOS DE TRANSPORTE
PRÁCTICA Nº4: DENSIDAD Y MANOMETRÍA
GRUPO: E4
INTEGRANTES: Sandra Milena Usma Quintero - 2141435 María José Orozco Coronel - 2142025 María Angélica González Mateus – 2132843
PROFESOR: Jhon Freddy Palacios
BUCARAMANGA 2016
INTRODUCCIÓN En este laboratorio se analizará el estudio de la variación de la presión respecto a las diferentes densidades de los líquidos estudiados en la práctica (mercurio, glicerina y aceite), teniendo en cuenta las alturas que se presentaban en las columnas de los manómetros conectados en serie.
OBJETIVOS
Analizar el comportamiento que presentan los fluidos de diferente densidad cuando se les aplican diferentes presiones. Analizar el concepto teórico de densidad junto con los fenómenos observados en la práctica.
MARCO TEÓRICO Densidad La densidad es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia. Si se denota la densidad con la letra griega (rho), se tiene: =
Donde V es el volumen de la sustancia que tiene masa m. Las unidades de la densidad son kilogramos por metro cúbico, en el SI, y slugs por pie cúbico en el Sistema Tradicional de Estados Unidos. Peso específico El peso específico es la cantidad de peso por unidad de volumen de una sustancia. Si se denota el peso específico con la letra griega (gamma), entonces: =
=
=
Donde: = í = = ú = = ó =
Las unidades del peso específico son los Newton sobre metro cúbico ( el Sistema Internacional. Densímetros (hydrometers)
) en
El densímetro es un instrumento capaz de determinar la densidad relativa de un líquido sin haber calculado su masa y volumen. Están compuestos por un cilindro hueco de vidrio con un bulbo pesado en su extremo para que flote en posición vertical. En la parte superior, llevan una escala graduada, esta escala es diferente según su uso. Presión de líquidos en reposo La presión hidrostática es la presión ejercida por un fluido en reposo, únicamente se cumple para líquidos. Está dada por: = ℎ = í = ó ℎ = í
Escala de presiones y manometría La manometría es la medición de la presión de los fluidos. Las presiones pueden expresarse con referencia a un origen arbitrario. Los orígenes más usuales son el vacío absoluto y la presión atmosférica local. Cuando se toma como origen el vacío absoluto, la presión se llama presión absoluta, y cuando se toma como origen la presión atmosférica local se llama presión manométrica. Tipos de manómetros Los manómetros son aparatos que emplean columnas líquidas para determinar las diferencias de presión. -Piezómetro: Sirve para medir la presión en un líquido cuando es superior a la presión atmosférica local. Un tubo de cristal vertical se conecta con el interior del recipiente. El líquido se eleva en el tubo hasta que alcanza el equilibrio. La presión viene dada por la distancia vertical desde la superficie del líquido al punto donde se ha de medir la presión del líquido del recipiente. -Manómetro de columna de líquido: Esta clase de manómetros posee doble columna líquida utilizada para medir la diferencia entre las presiones de dos fluidos. El manómetro de columna de líquido es el patrón base para la medición de pequeñas diferencias de presión. Las dos variedades principales son el manómetro de tubo de vidrio, para la indicación de las diferencias de presiones y el manómetro de mercurio con recipiente metálico utilizado para regular o registrar una diferencia de presión de un líquido. -Manómetro de Burdon: El manómetro de Burdon es un instrumento mecánico de medición de presiones que emplea como elemento sensible un tubo metálico curvado o torcido, de sección transversal aplanada. Un extremo
del tubo está cerrado y la presión que se va a medir se aplica por el otro extremo. A medida que la presión aumenta, el tubo tiende a adquirir una sección circular y enderezarse. El movimiento de extremo libre (cerrado) mide la presión interior y provoca el movimiento de la aguja. Unidades para la medida de presión Las unidades más utilizadas en la medida de presión son: 1 Pa= 1
2
1 bar= 10 = 0,1 = 100 1 atm= 101325 Pa= 101.325 kPa= 1,01325 bars PROCEDIMIENTO
ANÁLISIS DE RESULTADOS 1. ¿A qué se debe que inicialmente se encuentren en un mismo nivel las columnas de fluidos de los manómetros en U? Se debe a que las válvulas de purga están inicialmente abiertas, y el sistema conectado de los tres manómetros con los fluidos mercurio, glicerina y aceite respectivamente, se encuentra conectado a una manguera abierta a la atmósfera por tanto en ambos lados de las columnas de fluidos, se presenta la misma presión que es la presión atmosférica.
2. ¿Cuál es el efecto de ubicar los manómetros en serie? ¿Qué sucedería si se conectaran en paralelo? Cuando se conectan los manómetros en serie, la presión se distribuye desde el manómetro que contiene mercurio hasta el manómetro que contiene aceite, de tal manera que la presión que llega a cada manómetro va a ser diferente, es decir, va disminuyendo a medida que va atravesando cada columna de líquido. Por esta razón, la suma de las presiones de los manómetros va a ser igual a la presión total ejercida en el sistema. Si se conectaran los manómetros en paralelo, la presión que llegaría a cada manómetro sería la misma.
3. ¿Por qué se disponen los fluidos de los manómetros de esa manera (mercurio, glicerina, aceite)? ¿Es posible realizar la práctica si se cambiara el orden de los fluidos? Los fluidos se disponen de mayor a menor densidad, siendo el mercurio el más denso (13580
) y el aceite el menos denso ( 860
). Se ubican de esta manera
porque el líquido más denso, en este caso el mercurio, tiene un menor desplazamiento cuando se somete a una presión ejercida, evitando así que se desplace hasta el punto en que se mezcle con el líquido del manómetro al que se encuentra conectado (glicerina). Lo mismo sucede respecto con la glicerina y el aceite. Si los fluidos no se ubicaran en el orden anterior, podrían derramarse y mezclarse. Lo que implicaría desmontar el sistema y limpiarlo; esto generaría un riesgo ya que se está trabajando con mercurio que es una sustancia tóxica que al inhalarse produce envenenamiento. La práctica se podría realizar ubicando
los fluidos en un orden diferente, teniendo en cuenta que la presión aplicada sea menor que 4 psi, de tal manera que los líquidos no se mezclen.
4. ¿Cuál es el principio de funcionamiento del densímetro? El densímetro es un instrumento capaz de determinar la densidad relativa de un líquido sin haber calculado su masa y volumen. Este aparato se basa en el principio de Arquímedes (los cuerpos sólidos sumergidos en un líquido experimentan un empuje hacia arriba). Están compuestos por un cilindro hueco de vidrio con un bulbo pesado en su extremo para que flote en posición vertical. En la parte superior, lleva una escala graduada, ésta es diferente según su uso. Modo de uso: El densímetro es introducido gradualmente en el líquido para de así flotar de manera libre y vertical. Luego se observa en la escala del densímetro el punto en el que la superficie del líquido toca el cilindro del mismo.
5. ¿Por qué la fórmula de presión hidrostática solo se cumple para los fluidos líquidos? La presión hidrostática está dada por la expresión = ℎ Donde es la densidad del fluido, g es la aceleración debida a la gravedad y h es la profundidad medida desde la superficie. Para un líquido y un gas con una gravedad y altura constantes, la presión sólo dependerá de la densidad del fluido. Los líquidos por ser fluidos incompresibles mantienen su densidad constante, para aumentar un 1% la densidad del agua se necesita subir su presión de 1 a 210 atm, por el contrario, la densidad de los gases varía con un pequeño aumento o disminución de la presión, con sólo subir 0,01 atm el aire atmosférico se produce un cambio de densidad del 1%. Por tanto los gases no cumplen la expresión de la presión hidrostática.
6. ¿Por qué varía el nivel de los fluidos al introducir la manguera en la probeta con agua? Porque las dos columnas del fluido no están sometidas a una presión atmosférica, sino que en un extremo del manómetro se está ejerciendo una presión externa que es la presión que ejerce el agua sobre la manguera sumergida. Así el líquido se ve afectado por la presión hidrostática que se ejerce, por tanto, al sumergir más profundo la manguera, la diferencia de las alturas en los fluidos van a ir aumentando.
OBSERVACIONES
El manómetro de Bourdon no marcaba exactamente la cantidad de presión aplicada, por tanto, se debía aplicar más presión mediante la bomba de aire para lograr las cantidades de presiones requeridas para la práctica.
Se presentaba dificultad a la hora de observar las alturas de los líquidos en los manómetros, ya que algunas veces estos quedaron en el lugar
donde el sistema se encontraba asegurado, requiriéndose entonces tomar aproximaciones.
Al medir las alturas de los fluidos en las columnas de los manómetros con la escala que se encontraba detrás, se presentaban confusiones ya que no era una secuencia continua, por tanto, se utilizó la regla para tomar estas alturas, presentándose así errores humanos.