jueves, 8 de septiembre de 2011

Densidades de los materiales

En esta entrada se presenta la practica de "Densidad de materiales"  que se llevo a cabo el jueves primero de septiempre del 2011  de la Facultad de Estudios Superiores Áragon.

Objetivo de la práctica

Proporcionar al alumno herramientas de trabajo que sirvan en su momento como medio para dar respuesta al análisis y comportamiento de un metal, y como alternativa utilizar el principio de Arquímedes.

Actividad
Obtener el volumen de muestra metálica por diferencia de peso en gramos en seco y húmedo, aplicando formula de densidad absoluta.

Equipo y material


Agua corriente
4 lt
Balanza
1 pieza
Franela                                                         
1 pieza
Recipientes
1 piezas
Muestras diferentes de materiales sólidos
3 piezas
Densímetro de 1-0.7 g/cm2
1 pieza
Densímetro de 1-2 g/cm2
1 pieza



Consideraciones teóricas
Densidad, es la relación entre la masa de un cuerpo por unidad de volumen. Se habla también de densidad relativa y ésta, es la relación entre la densidad de un cuerpo y la densidad del agua a 4 C, tomada como unidad. Como un centímetro cúbico  de agua a 4 C tiene masa de 1 g, la densidad relativa de la sustancia equivale numéricamente  a su densidad expresada en gramos  por centímetro cúbico.

La densidad puede obtenerse de varias formas. Por ejemplo, para objetos sólidos  de densidad  mayor  que el agua, se determina primero su masa en una balanza, y después su volumen; éste se puede calcular por fórmulas matemáticas si el objeto muestra tiene forma geométrica. Pero si nuestra muestra no tiene forma definida se obtendrá su volumen  sumergiéndolo en un recipiente calibrador con agua, de la diferencia de volúmenes podremos decir que el volumen ha sido definido. De esto podemos decir:

El principio de Arquímedes  afirma que todo  cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical  y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.

La mayoría de las veces se aplica al comportamiento de los objetos en el agua y explica por qué los objetos flotan y se hunden y por qué parecen ser más ligeros en este medio.

El concepto clave de este principio es el empuje, que es la fuerza que actúa hacia arriba reduciendo  el peso aparente del objeto cuando se encuentra en el agua.

El principio de Arquímedes  explica la naturaleza de la flotabilidad: un objeto flota si su densidad es menor  que la densidad del agua. Si éste se sumerge por completo, el peso del agua que desplaza y, por tanto, el empuje es mayor que su propio peso y el objeto es impulsado hacia arriba  y afuera del agua hasta que el peso del agua desplazada por la parte sumergida sea exactamente igual al peso del objeto flotante. Así, un bloque de madera cuya densidad sea 1/6 de la del agua, flotara con 1/6 de su volumen sumergido dentro del líquido, ya que en este punto el peso del fluido desplazado es igual al peso del bloque.

El volumen de agua desplazada es idéntico al volumen de la parte sumergida del cuerpo.

Por ejemplo; si tenemos un cubo de 1 metro de arista totalmente sumergido, desplazara exactamente 1000 kg, entonces el cubo experimentaría una fuerza ascendente de 1000 kg.

Si el peso fuese de 900 kg, la fuerza ascendente sería mayor, por lo que el cubo subiría hasta que el peso del agua desplazada sea de 900 kg. El cubo estaría parcialmente sumergido, es decir flotando, y el volumen sumergido desplazaría exactamente 900 kg de agua. El cubo tiene flotabilidad positiva.

Así mismo, si el peso del cubo fuese 1000 kg la fuerza ascendente sería igual al peso del cubo, por lo que tendría una flotabilidad neutra.

Si el cubo pesara 1,100 kg, la fuerza ascendente sería menor que su peso por lo que se hundiría. En todo caso dentro del agua el cuerpo está sometido a  la fuerza ascendente de 1000 kg, por lo que tendría un peso aparente de solo 100 kg. El cuerpo tiene flotabilidad negativa.



Desarrollo de la práctica.

a.- Selección de muestras (tres especímenes metálicos).
b.- Calibración  de balanza en ceros.
c.- Pesado  o amasado de los tres especímenes en seco.
d.- Pesado  o masado de los tres especímenes sumergidos en agua, esto es en un vaso  de precipitados de 600 ml se llena de agua, se sumerge  por separado cada espécimen suspendido por soporte e hilo adaptados a la balanza.
e.- Por la diferencia de masas expresado en cm2 y aplicando formula de densidad podemos comparar la densidad obtenida de cada espécimen con tabla de densidad de algunos materiales.

Tabla de densidad de metales más utilizados
Nombre
Símbolo
Densidad
Cobre
Cu
8.93 g/cm3
Hierro
Fe
7.88 g/cm3
Oro
Au
19.31 g/cm3
Silicio
Si
2.3 g/cm3
Plomo
Pb
11.35 g/cm3
Platino
Pt
21.46 g/cm3
Aluminio
Al
2.7 g/cm3
Titanio
Ti
4.5 g/cm3
Magnesio
Mg
1.76 g/cm3





Resultados
Verificación de líquidos para  la práctica.





Comprobamos mediante los densimetros la densidad de diferentes liquidos  y tambén de esta manera demostrar la densidad del agua.

Tenemos dos densimetros el primero  mide valores de 1 g/cm3 a 0.7 g/cm3




El segundo densimetro mide desde 1 g/cm3 hasta 2 g/cm3


 Con estos dos densimetros tenemos un rango de medición desde 0.7 g /cm3 hasta 2 g/cm3, los densimetros se utilizan individualmente si en alguno es imposible  obtener lectura utilizamos el otro densimetro.

Primero colocamos el densimetro con mucho cuidado dentro de la probeta  que contiene  agua  con  azúcar,   vemos cual es la línea ed la graduación el densimetro que se encuentra entre la parte sumergida y la sección que emerge  y obtenemos el valor de la densidad que es 1.05 g/cm3.

Ahora con  el mismo procedimiento  obtenemos las densidades de los demas lìquidos.



Densidad del agua destilada   0.99  g/cm3.
Densidad del alcohol  al 50%   0.93  g/cm3.

Densidad del alcohol al 96%  0.82  g/cm3.
Densidad del agua  corriente  1    g/cm3.

Comprobado el valor de la densidad del agua lo tomamos como referencia para obtener la densidad de los metales de muestra.

Pesamos los materiales en seco y humedo  y obtenemos los siguientes valores

Cadena  7.9 g,  seco 7.2 g húmedo
Arete  2.1 g, seco 1.9 g húmedo
Tubo de cobre 65.1g, seco 58 g húmedo

La densidad se obtien mediante la diferncia de masas  de la siguiente manera.
Cadena     7.9g - 7.2 g = 0.7 g
así    Densidad = 7.9g / 0.7 cm3 = 11.28 g/cm3

Arete    2.1 g - 1.9 g = 0.2 g
 Densidad = 2.1g / 0.2 cm3 = 10.5 g/cm3


Tubo de cobre       65.1g - 58 g = 7.1 g
 Densidad = 65.1g / 7.1 cm3 = 9.16 g/cm3


Conmparando los valores obtenidos con los valores de la tabla observamos que los valores obtenidos son inferiores a los de la tabla donde viene la densidad de los materiales en su estado puro por lo que concluimos que las muestras no son 100% puras.
Conclusiones sobre la práctica

Esta práctica de “Densidades de los materiales” nos permitió analizar y delimitar la propiedad de densidad  en  los metales. Así para obtener la densidad de un material se aprendió un método práctico y no muy costoso para determinar la densidad de materiales puros o aleaciones además del mismo modo conociendo que el platino tiene una densidad de 21.46 g/cm3 y siendo este el más denso sabemos que es imposible  que algún otro material  supere este valor .

Cuestionario

1.       ¿Defina usted el concepto de densidad de un material  o aleación?

La densidad de un material es la cantidad de materia que hay en una unidad de volumen  sin embargo como los materiales no son homogéneos  la densidad de un material puro es diferente a la densidad del mismo material que no ha pasado por un proceso de purificación, es decir como lo encontramos en la naturaleza. Sin embrago es posible  conocer la densidad de una aleación  si se conoce el porcentaje de cada componente que lo constituye así  podemos obtener la densidad mediante la suma de los múltiplos de los porcentajes por la densidad de dichos componentes  en estado puro por ejemplo:



Un bronce blanco consiste en 60% de cobre, 15% de níquel y 25% de zinc. si la densidad del cobre es 8.96 g/ml, la del níquel 8.9 g/ml y la del zinc 7.1 g/ml.

¿Cuál es la densidad de la aleación?

 Densidad Aleación = (porcentaje A)(densidad A) + (porcentaje B)(densidad B) +(porcentaje C)(densidad C) + …

Densidad Aleación = (%Cu)(densidad Cu) + (%Ni)(Densidad Ni) +(%Zn)(densidad Zn)

Densidad Aleación = (0.6)(8.96) +(.15)(8.9) + (0.25)(7.1)

Densidad Aleación =  8.846 g/ml



2.       De acuerdo al principio de Arquímedes realice una analogía en función al experimento realizado.

Los barcos son un ejemplo típico del principio de Arquímedes donde la fuerza de empuje permite que los barcos floten aun estando hechos de materiales más densos que el agua. Esto se explica por qué el peso  del barco no se encuentra concentrado en un solo punto y como la densidad es la cantidad de materia por unidad de volumen, y además el volumen del barco es el mismo que el agua necesita para generar una fuerza de empuje suficiente para sacar al barco a flote.

3.       ¿Cuál es su experiencia adquirida de esta práctica?

Es una experiencia muy importante porque en algún momento de nuestra vida profesional  resulta importante comprobar la composición de un material de manera práctica.

4.       Defina usted lo que considere  a criterio personal, lo más relevante.
Para el área de ciencia y tecnología de materiales  nos permite comprobar de manera experimental  las propiedades, ya vistos en teoría, como la densidad de los materiales y saber que no necesita un equipo muy costoso para d

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