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CARACTERISTICAS DE DENSIDAD...

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DENSIDAD: SOLIDOS, LIQUIDOS Y GASES. MEDICIÓN I.- DEFINICION Es la relación entre el peso (masa) de una sustancia y el volumen que ocupa (esa misma sustancia). Entre las unidades de masa más comúnmente utilizadas están kg/m3 o g/cm3 para los sólidos, y kg/l o g/ml para los líquidos y los gases. Cuando se hace referencia a la densidad de una sustancia, se describe su peso en relación a su tamaño.

II.- UNIDADES Las unidades de medida más usadas son: En el Sistema Internacional de Unidades (SI): 

kilogramo por metro cúbico (kg/m³).

Otras unidades para expresar la densidad son:    

gramo por centímetro cúbico (g/cm³). kilogramo por litro (kg/L) o kilogramo por decímetro cúbico. La densidad del agua es aproximadamente 1 kg/L (1000 g/dm³ = 1 g/cm³ = 1 g/mL). gramo por mililitro (g/mL), que equivale a (g/cm³). Para los gases suele usarse el gramo por decímetro cúbico (g/dm³) o gramo por litro (g/L), con la finalidad de simplificar con la constante universal de los gases ideales.

III.- TIPOS DE DENSIDAD 3.1.- Densidad Absoluta: La densidad absoluta es la relación entre la masa y el volumen de una sustancia a una presión y una temperatura determinadas, lo que se corresponde con su peso al vacío. Este concepto también se usa en la medición de la densidad hecha con densímetros digitales.

3.2.- Densidad Relativa: La densidad relativa es la relación entre las densidades absolutas de dos sustancias, donde el divisor se considera la sustancia de referencia. Si esta sustancia no está especificada, se asume que es agua a 3,98 °C y, por lo tanto, tiene una densidad de 0,999972 g/cm3 o 999,972 kg/m3. Según la ecuación, la densidad relativa no tiene unidades.

3.3.- Densidad Media Y Densidad Puntual: Para un sistema homogéneo, la expresión masa/volumen puede aplicarse en cualquier región del sistema obteniendo siempre el mismo resultado. Sin embargo, un sistema heterogéneo no presenta la misma densidad en partes diferentes. En este caso, hay que medir la "densidad media", dividiendo la masa del objeto por su volumen o la "densidad puntual" que será distinta en cada punto, posición o porción "infinitesimal" del sistema, y que vendrá definida por:

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que las hipótesis de la mecánica de medios continuos solo son válidas hasta escalas de 10-8 m, ya que a escalas atómicas la densidad no está bien definida. Por ejemplo, el tamaño del núcleo atómico es aproximadamente de 10-13 m y en él se concentra la inmensa mayor parte de la masa atómica, por lo que su densidad (2,3·1017 kg/m³) es muy superior a la de la materia ordinaria. Es decir, a escala atómica la densidad dista mucho de ser uniforme, ya que los átomos están esencialmente vacíos, con prácticamente toda la masa concentrada en el núcleo atómico. 3.4.- Densidad Aparente: La densidad aparente es una propiedad de los sólidos divididos, como las sustancias pulverulentas y los gránulos, y se usa a menudo en las industrias minera, alimentaria y química. Por definición, la densidad aparente es la relación entre masa y volumen, pero se corresponde con el peso en el aire.

La d dad aparente de un material no es una propiedad intrínseca del material y depende de su compactación. La densidad aparente del suelo ( ) se obtiene secando una muestra de suelo de un volumen conocido a 105 °C hasta peso constante.

: Densidad aparente del suelo : Peso de suelo secado a 105 °C hasta peso constante : Volumen original de la muestra de suelo

IV.- MEDICION La densidad puede obtenerse de forma indirecta y de forma directa. Para la obtención indirecta de la densidad, se miden la masa y el volumen por separado y posteriormente se calcula la densidad. La masa se mide habitualmente con una balanza, mientras que el volumen puede

medirse determinando la forma del objeto y midiendo las dimensiones apropiadas o mediante el desplazamiento de un líquido, entre otros métodos. Los instrumentos más comunes para medir la densidad son:    

El densímetro, que permite la medida directa de la densidad de un líquido. El picnómetro, que permite la medida precisa de la densidad de sólidos, líquidos y gases (picnómetro de gas). La balanza hidrostática, que permite calcular densidades de sólidos. La balanza de Mohr (variante de balanza hidrostática), que permite la medida precisa de la densidad de líquidos.

Otra posibilidad para determinar las densidades de líquidos y gases es utilizar un instrumento digital basado en el principio del tubo en U oscilante. Cuya frecuencia de resonancia está determinada por los materiales contenidos, como la masa del diapasón es determinante para la altura del sonido 4.1.- Cálculo De La Densidad Del Cuerpo Sólido: Se define la densidad como el cociente entre la masa y el volumen de un cuerpo. ρ=m/V De las fórmulas de los errores en las medidas indirectas, se obtiene que el error de un cociente

donde Δm=ΔV=1. Una vez obtenidas las medidas de m y de V, se calcula Δρ, mediante la fórmula anterior. Ejemplo: Se va a medir la densidad del cobre 1. Pulsando el botón titulado Peso, se genera una pieza hecha de cobre de masa y volumen desconocido. Con la balanza medimos su masa: m=410 ±1 g. 2. Pulsamos el botón titulado Volumen y el cuerpo se sumerge en agua. Efectuamos una nueva medida con la balanza m’=364 g. El volumen es numéricamente igual al empuje, la diferencia entre ambas medidas. V=410-364=46. La medida del volumen es 46 ± 1 cm3 3. Cálculo de la densidad 4. La densidad se expresa ρ=8.9± 0. 2g/cm3 4.2.- Calculo De La Densidad De Un Liquido: Para un cuerpo en equilibrio que flota sobre la superficie de un líquido, tenemos que el peso es igual al empuje.

mg=rfVg

Conocida la masa del cuerpo y el volumen de la parte sumergida, podemos determinar la densidad del líquido. En esto se basan los aerómetros o flotadores de masa conocida que se sumergen en el líquido de densidad desconocida. Disponen de una escala graduada, que nos proporcionan mediante lectura directa la densidad del líquido. La superficie libre del líquido marca el valor de la densidad en la escala del aerómetro. Dependiendo de la aplicación concreta los aerómetros reciben nombres específicos: alcohómetros, sacarímetros, etc. Nuestro aerómetro es un sólido de forma cilíndrica de 25 cm de altura y densidad 0.5 g/cm3 que se sumerge parcialmente en el líquido cuya densidad se quiere determinar. Midiendo en la escala graduada la parte del cilindro que está sumergida podemos fácilmente determinar la densidad del fluido. El cuerpo está en equilibrio flotando en el líquido, bajo la acción de dos fuerzas, su peso y el empuje del fluido. peso=empuje rsgSh=rf·gSx rsh=rf x Donde rs es la densidad del cuerpo sólido, S su sección, h su altura. rf es la densidad del fluido y x la parte del sólido que está sumergido en el líquido. Ejemplo: Sea agua el líquido de densidad desconocida Observamos que el cilindro se sumerge hasta una altura x=12.5 cm 0.5·25=rf 12.5 Se despeja rf =1.0 g/cm3 4.3.- Calculo De La Densidad De Un Gas: El aire tiene una densidad a una temperatura de 0ºC (273,15 K) y 1 atmósfera de presión es de 1,29 g/L [1]. Sabemos que, cuando un gas es más denso que el aire, este se acumula en la parte inferior y que, por el contrario, si es menos denso se acumula en la parte superior. Este es, por ejemplo, el motivo de que en un incendio lo gente avance agachada o arrastrándose por el suelo: el monóxido de carbono, un gas altamente asfixiante es menos denso que el aire y esto hace que en la parte inferior de la estancia su concentración sea inferior.

De forma aproximada, podemos utilizar la ley de los gases ideales y realizar algunos cálculos estequiométricos para calcular la densidad de un gas. A continuación, vemos cómo podemos deducir la densidad del gas a partir de dicha expresión. Para ello, recordemos que el número de moles es igual a m/M, donde m es la masa presente y M la masa molecular del gas, y la densidad es m/V.

Por ejemplo, calculemos el caso del monóxido de carbono, CO, en las mismas condiciones de presión y temperatura. d = (1 atm · 28g/mol) / (0,082 (atm·L/K·mol)·273 K) = 1,25 g/L Como vemos, aunque no es mucha la diferencia, es en efecto menos denso que el aire, cuya densidad es, como hemos indicado previamente, de 1,29 g/L en estas mismas condiciones. Considerando un gas más pesado, que será por tanto más denso que el aire, como el hexafluoruro de azufre (SF6), y cuya masa molecular es de 146 g/mol, su densidad será muchísimo mayor: d = (1 · 146) / (0,082 · 273) = 6,52 g/L [2] Por tanto, basta con conocer M, la masa molecular de un gas, para calcular de forma aproximada su densidad a unas determinadas condiciones.

V.- FACTORES QUE PUEDEN AFECTAR LA DETERMINACIÓN DE DENSIDAD 5.1.- Temperatura La temperatura influye en el espacio necesario para que quepan los átomos en una molécula. La vibración aumenta con una temperatura más alta, lo que separa más los átomos y, por lo tanto, reduce el valor de densidad.

Por tanto, cuanto mayor sea la temperatura, mayor será el volumen y menor la densidad. Si la temperatura desciende, el volumen es menor y la densidad aumenta. Sin embargo, la masa de la sustancia no cambia. La única excepción a esta regla es el agua líquida, que alcanza su pico de densidad a los 3,98 °C, por encima de este punto aumenta el volumen de agua y se vuelve menos densa. Cuando el agua se enfría, ocurre lo contrario. Nota: La relación entre la temperatura, el volumen y la densidad no es una función lineal y depende de la capacidad calorífica específica, el calor de vaporización y otros factores de cada sustancia. 5.2.- Burbujas de aire o impurezas: Una simple burbuja de aire presente en un líquido medido puede causar una enorme diferencia en su densidad y lo mismo ocurre con las impurezas. Por ejemplo, un picnómetro de vidrio se basa en la masa para calcular el valor de densidad. Si hay una burbuja de aire o una contaminación, p. ej., debida a una limpieza inadecuada, la masa que se ha medido y se muestra en la báscula será incorrecta. Esto nos lleva a un valor de densidad incorrecto.  

Lo mismo se aplica a un densímetro digital, que se basa en el principio de medición de tubo en U para la determinación de la densidad. Sin embargo, los densímetros digitales modernos cuentan con un BubbleCheck automático para ayudar al usuario durante el procedimiento de medición de la densidad.  Además, para evitar la contaminación cruzada provocada por una limpieza inadecuada, los usuarios pueden medir la densidad del aire. Si los resultados de medición están dentro de los límites, significa que la célula de medición se ha limpiado correctamente.

5.3.- Presión del aire de un fluido: Si estás en Ciudad de México a 3930 metros de altura sobre el nivel del mar, la presión del aire local será más baja que en Río de Janeiro, que está al nivel del mar o a 0 metros. Esto quiere decir que la presión del aire está directamente relacionada con la altitud. Ya que los gases y los líquidos son fluidos, debe tenerse en cuenta la siguiente información:  

El gas (p. ej., aire), es un fluido compresible, que cambia de volumen a diferentes presiones. Los líquidos (p. ej., agua), son fluidos incompresibles, por lo que su volumen es constante a diferentes presiones. Si se aplicara una presión de aire extremadamente alta, los líquidos podrían volverse compresibles, pero no ocurre lo mismo con los fines de medición de la densidad analítica.

5.4.- Viscosidad: La viscosidad describe la resistencia de un líquido a fluir, informalmente determinada como el “espesor” de un fluido y, en principio, no tiene relación directa con la densidad. Sin embargo, la viscosidad puede influir en la determinación de la densidad dependiendo del método que se use. Mediciones usando:  Picnómetro: sin influencia, pero el muestreo y la limpieza son tediosos. Además, la

estabilización de la temperatura cuando se hace con un baño termostático es lenta.

 Hidrómetro: sin influencia, pero el muestreo, la lectura de valores y la limpieza son

pesados.  Densímetro digital: tiene influencia, ya que la muestra amortigua la frecuencia de

oscilación del tubo en U vibrante.

Como se observa en el gráfico, a medida que la viscosidad aumenta, también lo hacen los errores de densidad.  Sin embargo, los densímetros digitales modernos corrigen automáticamente los errores producidos por la viscosidad, lo que asegura la máxima exactitud y mediciones rápidas. 

BIBLIOGRAFIA: Medida de la densidad un sólido y de un líquido. Estática de Fluidos. Enlace: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/aerometro/aerometro.htm DENSIDAD DE SOLIDOS Y LIQUIDOS: Enlace: http://infofich.unl.edu.ar/upload/46becc5a7a52c3d3d0262f358b997e102095042d.pdf

Medición de la Densidad. Definición ecuaciones, influencias, instrumentos, densidad frente a densidad relativa y mucho más (2018). ¿Qué es la densidad? Enlace: https://www.mt.com/es/es/home/applications/Application_Browse_Laboratory_Analytics/Densi ty/density-measurement.html Densidad (2021). Schackelford, J. F. Introducción a la ciencia de los materiales para ingenieros. Enlace: https://es.wikipedia.org/wiki/Densidad#Medici%C3%B3n...