Mohr-Westphal - grado biologia asignatura fisica PDF

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grado biologia asignatura fisica...

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Densidad de líquidos . Balanza de MohrWestphal Objetivo Medida de la densidad de un líquido problema. Material necesario i.

Balanza de Mohr-Westphal con accesorios

ii.

Probeta

iii.

Agua destilada

iv.

Líquidos problema

Fundamentos El funcionamiento de esta balanza se basa en el principio de Arquímedes, que establece que todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje E, vertical hacia arriba de valor igual al peso de fluido desplazado. 𝐸 = 𝜌𝑔𝑉

(1)

donde ρ es la densidad del fluido, g la gravedad y V el volumen del cuerpo que está sumergido en el fluido. Según la expresión (1), si un mismo cuerpo se sumerge en dos fluidos diferentes de densidades ρ1 y ρ2, la razón entre los empujes que experimenta en cada fluido es 𝐸2 𝐸1

=

𝜌2 𝜌1

(2)

de modo que, a partir de una medida del cociente E1/E 2, podemos determinar la densidad relativa ρ21 = ρ2/ ρ2. Procedimiento Para la determinación de densidades de líquidos diferentes al agua destilada con esta balanza es necesario primero contar con un fluido de densidad conocida, que nos va a servir de patrón, para realizar el calibrado de la balanza. Como fluido de densidad conocida usaremos agua destilada, que sabemos su densidad en función de la temperatura, Tabla 1. También va a ser necesario contar con tres jinetillos (J1, J2 y J3) y unas pinzas para situarlos en las muescas de la balanza.

Esta balanza de brazos desiguales se utiliza para la determinación de densidades de líquidos más o menos densos que el agua. El brazo más corto termina en una masa compacta de peso fijo, provista de una aguja que debe ponerse al mismo nivel que otra aguja fija al chasis para obtener el equilibrio. Del extremo del brazo largo pende, mediante un hilo delgado, un inmersor de vidrio (I), que, normalmente, lleva incorporado un termómetro para medir la temperatura del líquido cuya densidad se desea medir (si no se dispone de este termómetro, se tomará como temperatura la ambiente). En el brazo largo hay marcadas diez muescas, numeradas del 1 al 10; aunque, realmente, esta numeración debe interpretarse como 0.1, 0.2, ... de modo que el 10 representa la unidad. Cuando el inmersor está colgado en el aire, su peso debe equilibrar el contrapeso, de modo que la balanza estará equilibrada. Si no lo está habrá que equilibrarla girando el tornillo que aparece en el pie de la balanza. Si sumergimos el inmersor en el agua destilada, el empuje hidrostático, según establece el principio de Arquímedes (1), desequilibra la balanza, de tal forma que, si queremos reestablecer el equilibrio deberemos colocar los jinetillos sobre las ranuras del brazo graduado, de forma que se compense exactamente el empuje hidrostático. T (ºC) ρ (g/cm3) T (ºC) ρ (g/cm3) T (ºC) ρ (g/cm3) 0

0,999868

10

0,999727

20

0,998230

1

0,999927

11

0,999632

21

0,998019

2

0,999968

12

0,999525

22

0,997797

3

0,999992

13

0,999404

23

0,997565

4

1,000000

14

0,999271

24

0,997223

5

0,999992

15

0,999126

25

0,997071

6

0,999968

16

0,998970

26

0,996810

7

0,999929

17

0,998801

27

0,996539

8

0,999876

18

0,998622

28

0,996259

9

0,999808

19

0,998432

29

0,995971

Tabla 1. Densidad del agua pura en función de la temperatura. Como en la expresión (2) sólo aparece el cociente entre dos empujes, no tenemos que preocuparnos de cuál sea la unidad para medir éstos. Así, el jinetillo J1 unidad (1/1) se ha elegido de modo que, al colocarlo en la división 10 equilibra exactamente el empuje que experimenta el inmersor cuando está sumergido en agua pura a 4ºC. Este jinetillo representa la unidad de empuje cuando está colocado en la división 10. Los otros dos jinetillos (J2 y J3) tienen respectivamente una masa de 1/10 y 1/100 de la del jinetillo unidad, de tal modo que, colocados en la división 10 de la balanza representan 1/10 y 1/100 de la unidad de empuje. Cada jinetillo colocado en otra división representa tantas décimas de su valor (por ejemplo 0.1 en el caso del jinetillo unidad J1) como indica el número de la ranura sobre la que se ha situado. Así, por ejemplo, los jinetillos J1, J2 y J3 situados, respectivamente, en las ranuras 7, 6 y 5 representan un empuje de 0.765 unidades. Puesto que la unidad de empuje corresponde al agua y la

densidad de ésta es bien conocida (1g/cm3 a 4 o C), la balanza de Mohr-Westphal permitirá conocer la densidad de cualquier otro líquido, a partir de la simple lectura de la posición de los jinetillos necesarios para equilibrar la balanza cuando el inmersor está completamente sumergido en el líquido a medir. No obstante, normalmente hay que proceder a efectuar la corrección instrumental de la balanza. Calibrado y medida Colgamos el inmersor, limpio y seco, del gancho que hay en el extremo del brazo largo. La balanza debe quedar equilibrada. Si no estuviera, actuaremos sobre el tornillo T hasta conseguir que las dos agujas queden a la misma altura. Determinaremos el empuje relativo (E1/E2) que el immersor experimenta sumergiéndolo en el líquido problema respecte del valor obtenido en agua. Para ello realizaremos el siguiente proceso: 1.

Calibrado de la balanza con agua destilada: Llenamos la probeta con agua destilada y, elevamos la parte móvil de la balanza si fuera necesario, colocamos el inmersor dentro del agua destilada de modo que quede completamente sumergido, sin tocar el fondo ni las paredes. Si quedasen burbujas de aire adheridas al inmersor, éste debe sacudirse ligeramente para que se desprendan. La balanza se habrá quedado desequilibrada. Para equilibrarla y que quede calibrada a la densidad del agua a la temperatura ambiente del laboratorio colocaremos los jinetillos en las posiciones de manera que la suma de directamente la densidad del agua a la temperatura que indique el termómetro (ver tabla 1). Ahora volvemos a equilibrar la balanza girando el tornillo de la parte inferior. Si, por ejemple, la temperatura es de 25º C, según la tabla 1, la densidad correspondiente al agua es ρ agua = 0.997071 g/cm3. Por tanto, se colocarán los jinetillos J1 y J2 en la posición 9 y el jinetillo J3 en la 7. En estas condiciones la balanza queda en equilibrio, en caso contrario habrá que volverla a calibrar. De este modo se consigue tomar la densidad del agua a la temperatura del líquido problema como referencia de nuestro experimento.

2.

Sacamos el inmersor del agua, lo limpiamos y secamos con cuidado. Vaciamos, limpiamos y secamos cuidadosamente la probeta y la llenamos con uno de los dos líquidos problema. Sumergimos el inmersor en el líquido a estudiar. Ahora, el empuje experimentado por el inmersor será distinto al del agua desequilibrando la balanza. Para obtener el valor de la densidad del líquido moveremos los jinetillos J1, J2 y J3 hasta restablecer el equilibrio. Suponiendo que para equilibrar el immersor en el líquido problema hemos situado el jinetillo J1 en la posición 7, el jinetillo J2 en la posición 6 y el jinetillo J3 en la posición 9, el valor final de la densidad del líquido será de 0.769 g/cm 3. De este modo, la balanza de Mohr-Westphal nos permite obtener la densidad de líquidos de manera rápida, directa y precisa.

Repita el paso 2 para determinar la densidad del otro líquido problema. Cuestiones:

1. ¿En qué unidades se mide la densidad en el SI? ¿Y en el cegesimal? ¿Qué relación hay entre ambas? 2. Define y explica las diferencias entre densidad y densidad relativa. 3. ¿Por qué es importante que el immersor esté totalmente sumergido en el líquido? 4. ¿Cuál es el mayor valor de densidad de un líquido que se puede medir con esta balanza y el juego de jinetillos suministrado? 5. ¿Cuál es la diferencia entre calibrado y equilibrado? 6. Indica los valores de la densidad de algunos materiales, como el aire, el agua, el aluminio, el sol...

Referencias Isabel Abril, “Laboratori de Física dels processos Biològics”, Universidad de Alicante (2007)....