La Densidad

Aunque toda la materia posee masa y volumen,   la misma masa de sustancias diferentes tienen ocupan distintos volúmenes, así notamos que el hierro o el hormigón son pesados, mientras que la misma cantidad de goma de borrar o plástico son ligeras. La propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez de una sustancia recibe el nombre de densidad. Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, más pesado nos parecerá.

La densidad se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Así, como en el S.I. la masa se mide en kilogramos (kg) y el volumen en metros cúbicos (m3) la densidad se medirá en kilogramos por metro cúbico (kg/m3). Esta unidad de medida,  sin embargo, es muy poco usada, ya que es demasiado pequeña. Para el agua, por ejemplo, como un kilogramo ocupa un volumen de un litro, es decir, de 0,001 m3, la densidad será de:

La mayoría de las sustancias tienen densidades similares a las del agua por lo que, de usar esta unidad, se estarían usando siempre números muy grandes. Para evitarlo, se suele emplear otra unidad de medida el gramo por centímetro cúbico (gr./c.c.), de esta forma la densidad del agua será:

Las medidas de la densidad quedan, en su mayor parte, ahora mucho más pequeñas y fáciles de usar. Además, para pasar de una unidad a otra basta con multiplicar o dividir por mil.

La densidad de un cuerpo está relacionada con su flotabilidad, una sustancia flotará sobre otra si su densidad es menor. Por eso la madera flota sobre el agua y el plomo se hunde en ella, porque el plomo posee mayor densidad que el agua mientras que la densidad de la madera es menor, pero ambas sustancias se hundirán en la gasolina, de densidad más baja.

Densidad: La densidad es una característica de cada sustancia. Nos vamos a referir a líquidos y sólidos homogéneos. Su densidad, prácticamente, no cambia con la presión y la temperatura; mientras que los gases son muy sensibles a las variaciones de estas magnitudes.

Cálculo de la densidad en los líquidos

En el laboratorio, vamos a coger agua en un recipiente y, utilizando una probeta y la balanza electrónica, vamos a calcular las masas que tienen  diferentes volúmenes de agua; los vamos a anotar:

    Hacemos otras medidas similares con aceite:

A continuación, dividimos cada medida de la masa de agua por el volumen que ocupa y lo mismo hacemos con las medidas obtenidas con el aceite.

¿Qué observaremos?

Que los cocientes obtenidos con las medidas del agua son iguales entre sí, lo mismo que ocurre con las del aceite; pero, comparadas las unas con las otras, veremos que son diferentes.

    ¿Que hemos calculado en esos cocientes?

Hemos hallado la masa de la unidad de volumen de cada uno de estos cuerpos, es decir,  su densidad.

densidad de un cuerpo = masa del cuerpo / Volumen que ocupa

Sus unidades serán en el S.I.      kg./m3                   

Es frecuente encontrar otras unidades, tales como  g/c.c. ;  g/l ; etc… .

  Cálculo de la densidad en los sólidos:

Para hallar la densidad, utilizaremos la relación:

d = Masa / Volumen

Lo primero que haremos será, determinar la masa del sólido en la balanza.

Para hallar el volumen:

• Cuerpos regulares: Aplicaremos la fórmula que nos permite su cálculo. Si es necesario conocer alguna de sus dimensiones las mediremos con el calibre, la regla o el instrumento de medida adecuado.
• Cuerpos irregulares: En un recipiente graduado echaremos agua y anotaremos su nivel. Luego, sumergiremos totalmente el objeto y volveremos a anotar el nuevo nivel, La diferencia de niveles será el volumen del sólido.

      Todas las medidas las realizaremos , por lo menos , tres veces y calcularemos la media aritmética para reducir errores .

PUNTOS DE FUSIÓN Y EBULLICIÓN

Calor y Temperatura:    En el lenguaje cotidiano solemos confundir los términos calor y temperatura. Así, cuando hablamos del calor que hace en el verano o lo mal que saben los refrescos calientes, realmente nos referimos a la temperatura, a la mayor o menor temperatura del aire o los refrescos. La temperatura es una magnitud física que nos permite definir el estado de una sustancia, lo mismo que cuando decimos que un coche circula a 90 km/h o que una casa tiene 5 m de alto.

Cuando se ponen en contacto dos sustancias a distinta temperatura, evolucionan de forma que el cuerpo a mayor temperatura la disminuye y el que tenía menor temperatura la aumenta hasta que al final los dos tienen la misma temperatura, igual que al echar un cubito de hielo a un refresco, que el refresco se enfría y el cubito de hielo se calienta y termina convirtiéndose en agua. Decimos que la sustancia a mayor temperatura ha cedido calor a la sustancia que tenía menor temperatura.   

Sin embargo, el calor no es algo que esté almacenado en el cuerpo más caliente y que pasa al cuerpo más frío. Tanto uno como otro poseen energía, que depende de la masa del cuerpo, de su temperatura, de su ubicación, etc. y recibe el nombre de energía interna. Cuando esta energía interna pasa de una sustancia a otra a causa de la diferencia de temperatura entre ellas la llamamos calor. Una catarata es agua que pasa de un sitio a otro porque están a distinta altura, de forma similar el  calor es la energía que pasa de un cuerpo a otro porque están a distinta temperatura.

Punto de ebullición:

Si ponemos al fuego un recipiente con agua, como el fuego está a mayor temperatura que el agua, le cede calor y la temperatura del agua va aumentando, lo que podemos comprobar si ponemos un termómetro en el agua. Cuando el agua llega a 100 ºC, empieza a hervir, convirtiéndose en vapor de agua, y deja de aumentar su temperatura, pese a que el fuego sigue suministrándole calor: al pasar de agua a vapor de agua todo el calor se usa en cambiar de líquido a gas, sin variar la temperatura.

La temperatura a la que una sustancia cambia de líquido a gas se llama punto de ebullición y es una propiedad característica de cada sustancia, así, el punto de ebullición del agua es de 100 ºC, el del alcohol de 78 ºC y el hierro hierve a 2750 ºC.

Punto de fusión:

Si sacas unos cubitos de hielo del congelador y los colocas en un vaso con un termómetro verás que toman calor del aire de la cocina y aumentan su temperatura. En un principio su temperatura estará cercana a -20 ºC (depende del tipo de congelador) y ascenderá rápidamente hasta 0 ºC, se empezará a formar agua líquida y la temperatura que permanecerá constante hasta que todo el hielo desaparezca.

Igual que en el punto de ebullición, se produce un cambio de estado, el agua pasa del estado sólido (hielo) al estado líquido (agua) y todo el calor se invierte en ese cambio de estado, no variando la temperatura, que recibe el nombre de punto de fusión. SE trata de una temperatura característica de cada sustancia: el punto de fusión del agua es de 0 ºC, el alcohol funde a -117 ºC y el hierro a 1539 ºC.

Tensión Superficial

El efecto de las fuerzas intermoleculares es de tirar las moléculas hacia el interior de la superficie de un liquido, manteniéndolas unidas y formando una superficie lisa. La tensión superficial mide las fuerzas internas que hay que vencer para poder expandir el área superficial de un liquido. La energía necesaria para crear una mueva área superficial, trasladando las moléculas de la masa liquida a la superficie de la misma, es lo que se llama tensión superficial. A mayor tensión superficial, mayor es la energía necesaria para transformar las moléculas interiores del liquido a moléculas superficiales. El agua tiene una alta tensión superficial, por los puentes de hidrogeno.

1.- Para hacer el primer experimento necesitas una aguja de coser bien seca, un Tenedor y un Vaso lleno con agua de la canilla hasta un centímetro de su borde superior. Coloca la Aguja sobre los dientes del Tenedor y, con estos en posición horizontal, sumergirlos con cuidado y lentamente en el Vaso con agua. Cuando la Aguja toque el agua retira con cuidado tenedor del vaso sin tocar la aguja. La Aguja flotará aún después de retirado el Tenedor. Si observas de cerca la superficie del agua verás como esta parece hundirse por el peso de la Aguja.

2.-Para realizar el segundo experimento necesitas un Vaso, un Plato hondo, Agua y algunas Monedas. Apoya el Vaso en el Plato hondo. Seca con un repasador los bordes del mismo. Llena el Vaso con Agua hasta el ras sin que se derrame en el Plato ni una gota. Luego, con cuidado y por el borde del Vaso, introducir en el Vaso las monedas de a una hasta que el Agua del Vaso desborde. Observarás, que antes de que desborde el Agua, esta puede llenar el Vaso algunos milímetros más debido al fenómeno de la Tensión Superficial.

3.-Para realizar el tercer Experimento necesitas una Brocha de Pintor y un Recipiente con Agua. Si observas primero la Brocha cuando las cerdas están secas apreciarás que las mismas aparecen más bien separadas. Al sumergir la Brocha en el Recipiente con Agua observarás que las cerdas tienden a juntarse debido a la Tensión Superficial.

Gravedad Especifica, Contenido de Humedad, Peso Unitario

Objetivos:

Aprender a hallar el peso unitario de una muestra de suelo, y saber interpretar este valor.

Aprender a hallar la humedad que tiene determinado suelo, y aprender a interpretar este valor.

Hallar valores de gravedad especifica de un suelo determinado, con el cual nos podemos dar una idea de el tipo de suelo en cuestión.

Aprender a diferenciar la veracidad de los diferentes ensayos de laboratorio.

Reunir los resultados para dar una respuesta veraz a los problemas que se presentan en la mecánica de suelos. Aprender a relacionar la humedad, el peso especifico, etc., para sacar una conclusión sobre el suelo.

Introducción:

En este primer laboratorio de suelos, realizamos tres practicas, las cuales nos sirven para determinar ciertas características especificas de el material en cuestión, el suelo. Una de estas características es el peso unitario, el cual nos sirve para hallar la relación entre peso y volumen, para posteriormente saber cuanto puede pesar determinado volumen, o para saber que volumen puede hacer determinado peso del suelo. Este resultado de peso unitario, también nos puede dar una idea de el numero de vacíos que se hallan en el suelo, si comparamos el valor que nos da en el laboratorio, comparándolo con el valor de peso unitario de un suelo conocido, teniendo en cuenta las características del suelo.

La segunda practica que realizamos fue hallar el porcentaje de humedad que hay en el suelo. Esto fue posible pesando la muestra de suelo, tal como llega de la zona donde se saco (húmedo), pesándolo y luego secarlo y tomar el peso suelto. Podemos definir que el porcentaje de humedad es el peso de el agua, sobre el peso de los sólidos, es decir, peso húmedo menos peso seco, sobre peso seco.

La tercera practica realizada fue la de Gravedad especifica, la cual nos permite halla la cantidad de vacíos que hay en un determinado suelo, y es tal vez el más importante de las tres practicas realizadas en el laboratorio, ya que nos permite clasificar un suelo.

Gravedad Especifica:

La gravedad especifica esta definida como el peso unitario del material dividido por el peso unitario del agua destilada a 4 grados centígrados. Se representa la Gravedad Especifica por Gs, y también se puede calcular utilizando cualquier relación de peso de la sustancia a peso del agua siempre y cuando se consideren volúmenes iguales de material y agua.

Gs = Ws/v / Ww/v

Procedimiento:

Pesamos un matraz vacío, el cual debe estar limpio y seco, al cual se le agrega una cantidad de agua hasta la línea de aforo, luego se la agrega una cantidad de suelo, aproximadamente 50 gramos, el cual debe pasar por el tamiz 40, y debe estar seco al aire. Luego se saca todo el aire de la mezcla de agua y suelo, lo cual se hace colocando al baño de Maria el matraz con el suelo, y luego colocándolo en una bomba de vacío, repitiendo este ciclo por varias horas, hasta que se determine que el aire del matraz ha salido completamente. Luego se enrasa la cantidad de agua que hace falta, para llegar a la línea de aforo, y se saca el aire nuevamente, si es necesario. El proceso de sacar el aire debe durar de 6 a 8 horas para suelos plásticos, y de 4 a 6 horas para suelos de baja plasticidad.

Luego de tener el matraz con la cantidad de agua especificada, se procede a pesar el matraz el cual contiene agua y suelo, al mismo tiempo que se le toma la temperatura a el agua que esta dentro del matraz.

Luego de haber pesado el matraz, la mezcla de agua suelo, se lleva a una cápsula, en donde se colocara al horno, mínimo por 24 horas, para asegurarnos de que la muestra este totalmente seca, y luego se pesa la cápsula. Hay que tener en cuenta de hallar el peso de la cápsula limpia y seca, para poder hallar luego que peso hay de suelos, restando estos dos pesos.

Cálculo:

Tenemos que Gs = A Ws / Wma + Ws – Wmas

Teniendo en cuenta que A es la corrección por temperatura que se debe hacer a la muestra, y depende de la siguiente tabla.

Temperatura oC A

16 1.0007

18 1.0004

20 1.0000

22 0.9996

24 0.9991

26 0.9989

Hallamos el peso del matraz con agua a la temperatura de calibración, según la curva de calibración del matraz, la cual a una temperatura de 26.5 grados centígrados nos dio un valor de 635.3 gramos.

El peso del Matraz vacío nos dio un Valor de 136.85 gramos

El peso del Matraz con agua, suelo nos dio un peso de 643.93 gramos, y la corrección por temperatura, A = 0.9986, a 26 grados centígrados.

Haciendo los cálculos, deacuerdo a la formula enunciada anteriormente, la gravedad especifica nos da un valor de :

Gs = 1.041

Si pudiéramos decir que este valor tiene un error pequeño, cosa que no es cierta por la forma en que se realizo el laboratorio, podríamos clasificar el suelo como un suelo con alto contenido de materia orgánica, según la siguiente tabla:

TIPO DE SUELO Gs

Arena 2,65 2,67

Arena Limosa 2,67 2,70

Arcilla Inorgánica 2,70 2,80

Suelos con mica o Hierro 2,75 3,00

Suelos Orgánicos Puede ser inferior a 2.00

***La gravedad específica sirve para hacer cálculos de cuanto material se puede extraer de una labor minera, un ejemplo claro vemos que la empresa Graña y Montero usa la gravedad específica para hacer un informe de cuanto se ha extraído de material estéril a lo cual ellos se dedican, ayudándose de instrumentos como la estación total, donde les ayuda a determinar el área de extracción, y con los datos de gravedad específica determinan su volumen.

Contenido de Humedad:

El contenido de humedad de una determinada muestra de suelo, esta definida como el peso del agua, sobre el peso de los sólidos por cien (para dar el valor en porcentaje), y esta definida por la letra W.

Procedimiento:

Primero pesamos dos tarros, los cuales estaban limpios y secos, en los cuales ibamos a echar la muestra, para secar en el horno. Luego le echamos una muestra del suelo en cuestión a cada uno de los recipientes, pesándolo de nuevo, teniendo en cuenta de pesar la tapa de los tarros, junto con ellos. Luego se llevaron los tarros al horno, en donde estubieron mas de tres dias (ya que era un fin de semana), lo cual nos garantizo que la mezcla estaba seca. Luego de sacarla del horno, y taparla, se peso, hallando el peso del suelo seco, y el recipiente. De esta manera tenemos todos los datos que se requieren para poder hallar el contenido de humedad del suelo en cuestión.

Cálculos:

El peso de el recipiente numero 139, con u tapa fue de 19,49 gramos, el cual peso 90,32 gramos con la muestra del suelo húmeda, y 75,98 con el peso del suelo seco.

El recipiente numero 205 peso 26,36 gramos cuando estaba vacío, limpio y seco. El mismo recipiente peso 112,42 gramos teniendo el suelo húmedo, y 94,63 teniendo el suelo seco, después de haber salido del horno.

Por lo tanto para la muestra numero uno, la de el recipiente 139, tenemos:

Peso del Agua = Peso húmedo – Peso Seco

Peso Suelo Seco = Peso Seco – Peso recipiente.

Peso Agua = 14.24 gramos

Peso Suelo Seco = 56.49 gramos

Contenido De Humedad W = 14.24 / 56.49 x 100 = 25.21 Por ciento

Para La muestra numero dos tenemos:

Peso Agua = 17.79 gramos

Peso Suelo Seco = 68.27 gramos

W = 17.79 / 68.27 x 100 = 26.06 Por ciento.

El promedio de las dos muestras es:

W = 25.21 + 26.06 / 2 = 25.63 Por ciento.

Por lo tanto podemos decir que la muestra en cuestión tenia el 25.63 Porciento de Líquidos.

Es importante resaltar que cuando se mete un suelo en un horno, se supone que todo el suelo, en su parte sólida se mantendrá así, y que no se evaporara, como suele suceder con algunos asfaltos, que al calor se convierten en gas, mermando el peso de la parte sólida. También se supone que no hay materia orgánica que se afecte con el calor del horno.

Peso Unitario:

El peso unitario de Un suelo, esta definido como el peso de la muestra, sobre su volumen. Si se tiene una figura regular de muestra, se puede hallar su volumen con las medidas de esta figura, y por geometría, sacar el volumen de suelo que hay. Si por el contrario, no se cuenta de un figura geométrica pareja, se debe llevar a otros métodos, por medio de los cuales con el desplazamiento de agua, al meter este suelo en un estanque llena de esta, se puede llegar a calcular el volumen de la muestra. Con este método, se debe tener en cuenta de que al suelo no del debe entrar agua a su interior, porque de lo contrario, estaríamos alterando los resultados.

También hallaremos el peso unitario seco, el cual se define como el peso seco de la muestra sobre el volumen de la muestra, pero como tenemos el porcentaje de humedad de la muestra de suelo, podemos hallar el peso unitario seco por la relación entre el peso unitario húmedo sobre uno mas el porcentaje de humedad sobre cien.

Procedimiento:

Primero se hallo el volumen de suelo que teníamos, el cual lo hallamos tomando el promedio de sus medidas, las cuales eran altura, y diámetro, ya que era un cilindro. Luego se procedió a pesar la muestra. Con este procedimiento tenemos todos los datos necesarios para hallar el peso unitario del suelo.

Cálculos:

Se tomaron tres diámetros en diferentes partes del cilindro, dentro de las cuales hubo dos mediciones.

En el punto A tenemos 57.0mm, 57.2mm, promedio 57.1mm

En el punto B tenemos 56.7mm, 56.7mm, promedio 56.8mm

En el punto C tenemos 55.9mm, 56.6mm, promedio 56.25mm

De estos tres datos promedios, hacemos el promedio, dándonos el valor de 56.72mm, el cual escogimos como el valor mas aproximado al promedio del diámetro del cilindro.

Hubo tres mediciones de la altura, las cuales fueron 98.5mm, 98.4mm, 98.5mm, lo cual nos da un promedio de alturas de 98.47mm

De esta forma ya podemos hallar el volumen del cilindro, siendo 248809.1019mm cúbicos.

El peso de la muestra dio un valor de 491,5gms

Por lo tanto al dividir el peso sobre el volumen, me da un valor de 0.00197541 gms / mm3, lo que es igual a 1.975 Kg/cm3

El peso unitario seco, lo podemos hallar de la siguiente formula:

S = Peso Unitario Húmedo / (1+ Humedad/100)

Siendo:

S = 1.975 / 1+.2563 = 1.572 Kg / cm3

Conclusiones:

Nos pudimos dar cuenta que todos los ensayos se relacionan, así nos sirvió el porcentaje de humedad, para poder hallar el peso unitario seco de la muestra, sin tener que haber secado mas suelo, y hacer un procedimiento mas largo.

Hay que tener en cuenta al meter al horno un suelo, que el material que este compuesto, no se disgregue con el calor, no se queme, o en fin que no pierda peso el material sólido del que esta compuesto, para que los datos del peso del suelo seco, sean los verdaderos.

Con el porcentaje de humedad, nos podemos hacer una idea de que tan absorbente puede ser un suelo, y además de que tanto espacio vacío tiene.

La gravedad especifica de un material, nos permite decir que clase de material puede ser, teniendo en cuenta su peso, ya que es una relación de pesos del material.

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