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UNIVERSIDAD DE LA COSTA
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS
ÁREA DE LABORATORIO DE FÍSICA
FACULTAD DE INGENIERÍA
1
VARIACION DE LA DENSIDAD DEL AGUA CON LA TEMPERATURA
Andrea Jimenez1, Jair Camacho
1, Margarita Solano
2
1Ingeniería Ambiental,
2Ingeniería civil
Laboratorio de Física Calor Y Ondas, Grupo: CDL-Mesa: 2
Resumen
En esta experiencia se observa el cambio de temperatura en el agua para poder calcular la variación de la
densidad de esta misma , mediante la ayuda de algunos elementos tales como: 250 ml de agua, un beaker,
una probeta, un termómetro, una balanza y el mechero de Bunsen, con los cuales se determino la masa y
el volumen del agua a diferentes temperaturas partiendo desde 23°C aproximadamente, que equivalía a la
temperatura ambiente, luego tomamos una escala de 10 en 10 hasta llegar a 80° C. Por medio de esto y
mediante una fórmula que se usa para obtener la densidad, se calcula la densidad en cada caso. Con los
datos obtenidos se grafica la variación de la densidad con respecto a la temperatura y se analizan los
resultados.
Palabras claves
Temperatura, densidad, volumen,masa, mechero de Bunsen, beaker, termómetro.
Abstract
In this experiment the temperature change in the water is observed to calculate the variation of the density
of the same, by the help of some elements such as 250 ml of water, a beaker, a graduated cylinder, a
thermometer, a scale, and the Bunsen burner, with which the mass and volume of water was determined
at different temperatures starting from 23 ° C, which was equivalent to room temperature, then take a
scale from 10 to 10 up to 80 ° C. By this and by a formula used to obtain the density, the density is
calculated in each case. With the data obtained from the density variation is plotted with respect to
temperature and the results are analyzed.
Keywords
Temperature, density, volume, mass, Bunsen burner, beaker, thermometer.
1. Introducción
El agua es una sustancia que se encuentra en
todas partes del planeta Tierra. Ella es la base de
la vida, pues sin ella, las plantas, los animales y
los seres humanos no existirían. El agua es una
sustancia extraordinaria que cubre más de dos
terceras partes de la superficie de la tierra.1 Esta
se puede encontrar en cualquiera de los tres
estados físicos: Sólido, líquido o gaseoso y
puede ser sometida a cualquier cambio químico.
La transformación de estados depende de las
variaciones en la temperatura y la presión.
La densidad es una magnitud escalar referida a
la cantidad de masa contenida en un
determinado volumen de una sustancia. La
densidad de una sustancia puede variar si se
cambia la presión o la temperatura. En esta
experiencia buscamos determinar la densidad de
un líquido midiendo su masa y su volumen, y a
su vez; identificaremos las características de la
variación de la densidad del agua con la
temperatura.
2. Fundamentos Teóricos
El Agua
Las propiedades físicas del agua como su punto
de ebullición (100 °C) y su punto de fusión (0
°C), son sustancialmente importantes ya que
junto a las condiciones ambientales del planeta
permiten que las aguas superficiales que se
encuentran en estado líquido en la tierra y en los
tejidos de los seres vivos, puedan ser aptas para
el desarrollo de los procesos vitales.
La enorme capacidad calorífica del agua (18
cal/mol. °C o 1 cal/g ºC) permite almacenar
gran cantidad de calor en esta sin que su
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temperatura varíe bruscamente. Esta propiedad
brinda una estabilidad térmica al agua
impidiendo que se caliente o se enfríe
rápidamente, convirtiéndose en un medio de
protección de los cambios bruscos de
temperatura para los seres vivos actuando como
un regulador de temperatura corporal, además
de ayudar a mantener el clima en la Tierra.
Otra de las propiedades físicas más curiosas e
importantes del agua es su dilatación anómala.
La experiencia nos dice que, cuando calentamos
un cuerpo, se dilata y, cuando lo enfriamos, se
contrae. Pero con el agua no sucede así, ya que
cuando pasa de estado líquido a sólido, se dilata
(aumenta de volumen, se expande); entonces la
masa de hielo tiene mayor volumen que la masa
de agua. Este hecho se denomina dilatación
anómala del agua y ocasiona que el agua sólida
tenga una densidad menor al agua líquida. Al
ser menos densa flota en el agua líquida,
propiedad que permite que las grandes masas de
agua se congelen de arriba hacia abajo, y
además que en clima extremadamente frío,
como lo es el caso de los polos, se desarrolle
vida acuática. Entrando a profundizar en
términos claves como densidad, temperatura y
dilatación podemos definir la primera como la
relación existente entre la masa de un cuerpo o
una sustancia y su volumen. Es decir, la masa
contenida en la unidad de volumen del mismo.3
La segunda consiste en la magnitud escalar
relacionada con la energía interna de un
sistema termodinámico 4, Y por último la
dilatación consiste en un proceso físico por el
cual se producen cambios de volumen como
resultado de cambios de temperatura.5
Figura 1. Variación de la densidad del agua
con respecto a la temperatura.
Entrado a otro tema relacionado a las
propiedades físicas del agua, el calor de
vaporización del agua en estado líquido es
bastante alto (539.6 cal/g), lo que quiere decir
que es necesario aplicar 539.6 cal para evaporar
un gramo de agua, por ejemplo son necesarias
1’079.200 cal para hervir solo 2 L de agua. Esto
explica que el proceso de evaporación en
plantas y animales sea un proceso de
enfriamiento eficiente, en el caso de los
humanos es posible sentir la sensación de
frescura cuando se evapora el sudor de la piel.
Además, en el ciclo hidrológico los procesos de
evaporación y condensación del agua favorecen
a la distribución del calor en la tierra.
Densidad
Es una magnitud escalar referida la cantidad de
masa contenida en un determinado volumen de
una sustancia. La densidad de una sustancia
puede variar si se cambia la presión o la
temperatura. En el caso de que la presión
aumente, la densidad del material también lo
hace; por el contrario, en el caso de que la
temperatura aumente, la densidad baja. Sin
embargo para ambas variaciones, presión y
temperatura, existen excepciones, por ejemplo
para sólidos y líquidos el efecto de la
temperatura y la presión no es importante, a
diferencia de los gases que se ve fuertemente
afectada.
Para determinar la densidad de un objeto,
aplicamos la siguiente fórmula:
Donde:
: Densidad del material
: Masa
Volumen
Densidad del agua
La densidad del agua es de 1 gr/cm3. Esto es a
las siguientes condiciones:
Presión = 1 Atm.
Temperatura = 4°C
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La densidad del agua es muy usada como
patrón de densidades y volúmenes de otras
sustancias y/o compuestos.
Una propiedad importante de la densidad del
agua es que es muy estable, ya que esta varía
muy poco a los cambios
de presión y temperatura.
Figura 2. Las densidades del agua a diferentes
temperaturas.
A temperatura ambiente, el agua se dilata
cuando la temperatura sube y se contrae cuando
baja. Pero próximo al punto de congelación, al 0
ºC ocurre lo contrario, lo cual es muy
importante para la preservación de la vida.
Grafica de la densidad el agua.
3. Desarrollo Experimental
Materiales:
1 Beaker
probeta
balanza
agua
termómetro
mechero Bunsen
1. Se toma el beaker (vacio y limpio) y se pesa
en la balanza. (Fig.3), se realiza lo mismo con la
probeta. Esto con el fin de determinar la masa
del liquido (H2O), posteriormente.
Fig.3 Pesamos el Beaker (vacio y limpio)
2. Se agrega agua a la probeta hasta alcanzar el
volumen determinado por esta (250 ml). (Fig. 4)
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Fig.4 Probeta con Agua
3. Se vierten los 250 ml de agua al beaker,
posteriormente a esto, se coloca el beaker en el
mechero de bunsen., de tal forma que el agua
empiece a aumentar su temperatura.
Medimos cada una de las temperaturas, dadas
por el docente, con el termómetro. Anotamos
los datos.
Tomada de: www.nunet.com.mx
Tomada de: Autores
Tomada de: Autores
4. Cada vez que se alcance la temperatura
deseada, marcada por el termómetro, se retira el
beaker , el agua se vierte nuevamente en la
probeta , se pesa en la balanza, se realiza la
diferencia de masa , es decir:
1
2
Imagen 1 y 2: determinando la masa del
líquido
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3
Tomada de: Autores
Y de esta manera se determina la masa del agua.
Posterior a esto procede a realizar la tabla de
temperatura (t), masa (m), volumen (V), Y
densidad (d). Con la realización de la tabla.
Cabe resaltar que la temperatura ambiente del
agua medida dentro del laboratorio fue de 23
grados.
5. Al obtener todos los datos obtenidos, se
construye una tabla con la cual se calcula la
densidad del agua. Esta se haya mediante la
división de la masa y el volumen en cada una de
las temperaturas, para observar el
comportamiento de esta con respecto a la
densidad.
3.1 Datos obtenidos del laboratorio
Se obtuvieron datos de temperatura, masa y
volumen. (Tabla 1.)
Tabla 1.
T (ºc) m (g) V ( cm 3)
~23 218 250
30 243 244
40 242,7 244
50 241,7 244
60 239 244
70 238,9 244
80 238,5 244
4. Cálculos Y Análisis
Cálculos:
Para cada uno los datos obtenidos en el
laboratorio, aplicamos la fórmula, antes
mencionada, para determinar la densidad del
agua con cada cambio de temperatura.
Entonces:
a) 23ºC
b) 30ºC
c) 40ºC
d) 50ºC
e) 60ºC
f) 70ºC
g) 80ºC
Completamos la Tabla de los datos obtenidos en
el laboratorio, agregándole los datos
calculados de la densidad. (Tabla 2)
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Tabla de Datos:
Tabla 2. Temperatura, masa, volumen y
densidad.
Análisis
Graficas
Graficamos Vs. T (ºC)
1. la masa y el volumen del agua en los
primeros 30 grados no varían
notablemente. Por lo que la diferencia
entre sus valores era mínima
2. A la temperatura de 60 grados el agua
empezó a variar en cuanto a su masa,
pero su volumen continuo constante.
3. se observa que la curva de la grafica,
construida con los datos obtenidos en
la laboratorio, no es igual a la de la
grafica que se muestra en la teoría, esto
puede que se deba a la falta de
precesión en los datos de la masa y el
volumen y a la temperatura a la que se
encontraba el laboratorio.
Pregunta Análisis:
1. ¿En qué consiste el comportamiento
anómalo de la densidad del agua con
la temperatura y como afecta a la
existencia de vida en las regiones
polares?
Rta.//: Al contrario que la mayoría de las
sustancias conocidas, cuando el agua se congela
se transforma en un sólido el hielo, de menor
densidad que el agua líquida. Este fenómeno es
providencial para la existencia de vida en las
regiones polares, ya que si el hielo fuera más
denso que el agua, se hundiría en ésta y el mar
del Ártico y la Antártida quedarían congelados;
en cambio, al flotar el hielo actúa como capa de
protección de las zonas profundas y permite que
en ellas se desarrolle la vida
A medida que el vapor de agua se enfría, se
contrae (como ocurre con todo cuerpo). En
algún momento ocurre la condensación: ya
líquida, sigue contrayéndose, pero al llegar a 4
ºC comienza a dilatarse nuevamente, a pesar de
que seguimos enfriando. A esa temperatura
tiene el mínimo volumen (y por ende mayor
densidad). Si sigue bajando la temperatura, la
dilatación es paulatina y al ocurrir la
congelación, es abrupta.
Esta abrupta dilatación provoca un descenso de
la densidad del hielo, que lo hace más liviano
que el agua líquida... y consecuencias nefastas
para las cañerías, radiadores de coches, y por
supuesto para las células que no están
preparadas para resistir los efectos de la
congelación. Pensemos en cómo "quema" la
helada a un cultivo.
El sencillo hecho de que el hielo flote, hace que
las masas de agua (mares, lagos, lagunas, ) no se
congelen desde abajo, lo que los convertiría en
enormes bloques sólidos incapaces de albergar
seres vivos.
5. Conclusiones
-En esta experiencia se logró distinguir las
variaciones de la densidad del agua frente a los
cambios de temperatura.
- El comportamiento del agua depende, en gran
parte, de la temperatura. Su densidad varía
respecto a la masa. El volumen es constante
dentro de un recipiente. Su masa, a mayor
temperatura, descenderá.
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Bibliografía
1. SERWAY, Raymond.Fisica. Tomo II. 4ta
edición. Ed. McGraw Hill. Mexico. 2002. Pag
778
2. Alvarado García, Rodolfo. Principios de termodinámica.
México: Instituto Politécnico Nacional, 2010. p 22.