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Laboratorio IV de Operaciones Unitarias 2012-2 Práctica 1 Determinación de Propiedades de Sólidos 1: Densidad, Porosidad y compresibilidad. Laura Franco, Manuela Santamaria, Daniel Sierra, Camilo Tangarife Universidad de Antioquia Departamento de Ingeniería Química Correo-e: [email protected] Resumen. Para esta práctica del laboratorio de manejo de sólidos se han caracterizado algunas propiedades como la densidad (real, aparente y empacada), compresibilidad y la porosidad que poseen dos diferentes materiales: arena sílice y feldespato de tamaño de partícula pequeño. Dichas propiedades se han determinado por medio de métodos experimentales sencillos, tales como, el análisis del volumen desplazado por el material en un volumen determinado, o examinando el volumen que ocupa una muestra empacada ya sea libremente o imprimiendo movimientos de vibración e impacto sobre el contenedor para completar su llenado o para el caso de la identificación de la porosidad se ha calculado el volumen de liquido que llena los espacios vacios que dejan las partículas de los sólidos entre sí. Palabras clave: densidad aparente, densidad empacada, compresibilidad, porosidad, propiedades de materiales..

1. Introducción Las propiedades de las partículas como agregado pueden tomarse como la suma de las propiedades de las partículas que conforman la masa, cabe tener en cuenta que la mayoría de las veces estas pueden variar significativamente por factores como humedad, temperatura y el tiempo. La densidad es una propiedad física de los agregados y está definida por la relación entre la masa y el volumen ocupado por esta, lo que significa que depende directamente de las características del material. Están definidas tres clases de densidades las cuales incluyen relaciones entre la masa y el volumen. - Densidad real aparente: es la relación entre la masa del material y el volumen ocupado por el mismo, excluyendo los espacios vacios. Para esto se pesó una cantidad de cada material y se midió el volumen por el desplazamiento de agua en un recipiente.

Por otro lado, la compresibilidad indica el grado de compactación que presenta una masa de partículas cuando son sometidas a un proceso de compresión y la porosidad se refiere a los espacios vacios que quedan entre las partículas del solido a analizar. La ejecución de esta práctica tiene como objetivos determinar, identificar y comprobar todas estas características antes mencionadas a tipos de sólidos problema, además de correlacionar estas propiedades con el comportamiento en general de los sólidos.

2 Materiales y equipos   

Balanza Espátula Vaso contenedor



Probeta



Dos muestras a analizar (arena silice, feldespato menor tamaño)

Están definidos tres tipos de densidad. - Densidad aparente aireada: esta relaciona el peso y el volumen total de la masa del material, incluyendo los espacios intersticiales que dejan las partículas entre sí. Para lograr esto se mide el volumen del material empacado libremente. - Densidad aparente empacada: consiste en determinar el peso de un volumen fijo de solidos después de haber sido empacada sometiendo el material a esfuerzos con el fin de de disminuir la porosidad.

3 Datos Muestra 1 (M1): Arena Silice Muestra 2 (M2): Feldespato menor tamaño Los datos experimentales se muestran en la tabla 1.

Tabla 1. Datos para calcular densidad real

4 Ecuaciones

Según los datos obtenidos se han encontrado las DENSIDAD REAL Ensayos

DENSIDAD APARENTE

propiedad

Mas a (g)

Volumen (ml)

Masa (g)

M1

8.39

3

283.87

M2

6.85

4

290.07

M1

6.11

2

281.57

DENSIDAD EMPACADA

Volumen (ml)

Volumen total (ml)

Volumen desplazado (ml)

310.47

204

85.5

364.27

305

102.5

204

84

Masa (g)

Volumen (ml)

POROSIDAD

1 309.77 204

2

204

M2

5.54

3.5

288.67

363.67

305

98

M1

6.94

2.4

384.27

314.27

204

85

M 2

6.22

3.5

288.87

359.57

305

100

3



propiedades de lols materiales utilizados. Dichos datos se encuentran reportados en la tabla 2

Densidad real: (1)



6 Análisis de Resultados Como era de esperarse los resultados sobre las propiedades calculadas para las diferentes muestras son congruentes, puesto que para cada material la densidad real fue mayor que la empacada y ésta, a su vez, mayor que la aparente. Ademas ,al comparar los resultados de la densidad real de ambos materiales podemos observar que efectivamente, la arena sílice, por tener partículas más pequeñas tiene una densidad mayor que el feldespato. Ya que, en un único volumen determinado cabra mas partículas del material más pequeño. Y comparando la diferencia entre la densidad aireada y la densidad empacada de la arena sílice evidencia que los materiales de partículas más pequeñas tienen menos fluidez, puesto que tienden a ser muy cohesivas y a aglomerarse en un punto dado, permitiendo la formación de espacios vacíos que disminuyen el valor de la densidad aireada o aparente y sus partículas de diferente geometría permite cierto acomodamiento al agitar.

Densidad aparente: (2)



Densidad empacada: (3)



Porosidad:

(4) 

Compresibilidad: Por otro lado, podemos reconocer que las densidades reales y empacadas medidas fueron mayores a la densidad aireada, estos resultados son lógicos puesto

(5)

Muestra 2

Muestra 1

Tabla 2. Resultados obtenidos de las propiedades de los1materiales. Ensayo 2 Propiedad Ensayo

Ensayo 3

promedio

Desviación estándar

(g/ml) (g/ml) (g/ml) Porosidad (%) Compresibilidad (%)

2.797 1.392 1.522 41.912

3.055 1.380 1.518 41.176

2.892 1.393 1.541 41.667

2.914 1.388 1.527 41.585

0.131 0.007 0.012 0.374

8.568

9.104

9.546

9.072

0.490

(g/ml) (g/ml) (g/ml) Porosidad (%) Compresibilidad (%)

1.713 1.422 1.786 33.607

1.583 1.415 1.783 32.131

1.777 1.416 1.763 32.787

1.691 1.418 1.777 32.842

0.099 0.004 0.013 0.739

20.370

20.623

19.662

20.218

0.498

que cuando se mide la densidad real, se esta midiendo exactamente el volumen ocupado por las partículas de material sin tener en cuenta los espacios vacíos o porosidad que se forma entre ellas, al igual en la medición de la densidad empacada se trata de minimizar dichos espacios vacíos. Mientras que en la densidad aparente si se tienen en cuenta todos los

5 Resultados

2

espacios vacíos que se forman cuando es material se acomoda libremente. Ahora bien. Se podría suponer que al ser un material mas poroso podría tener mayor compresibilidad ya que tentra mas espacios que coupar al comprimirse. Sin embargo en nuestro caso ésto no sucedió ya que al ser mas porosa la arena sílice, es por el contrario mas compresible el feldespato. Quizá sea porque hay otras propiedades de estos materiales que influyen en la capacidad para dejarse comprimir como por ejemplo la dureza.

7 Profundización

Para ésto se debe usar otro fluido de trabajo, ya que de lo contrario el sólido flotaría, por esto se hace necesario el sustituir el fluido por otro menos denso que el agua, como por ejemplo vaselina líquida o algún tipo de aceite de densidad inferior a la del agua, pero el procedimiento que se llevaría a cabo es el mismo que se trabajó con el agua, observando el volumen desplazado y teniendo la masa del material.

e.

En esta sesión se abordan los aspectos de profundización planteados en la guía. a.

Qué principio fundamenta la determinación de la porosidad empleando la ecuación (4)?

Ésta ecuación se fundamenta gracias a que el liquido a utilizar para determinar la porosidad de un material, por lo regular siempre tiene buenas características de fluidez que les facilita el desplazamiento por los orificios o agujeros que se forman entre las partículas. Como en este caso, el agua adicionada al material, ingresa a todas las cavidades traspasando y adoptando la forma de los poros hasta llenar todos los espacios vacios dándonos a conocer cual es relación entre el volumen que ocupa dicha agua (que antes estaban ocupados por aire) con el volumen total del recipiente utilizado.

b.

¿cómo afecta la porosidad de un material su compresibilidad? ¿de qué otros factores depende? ¿cómo se relaciona la porosidad y la compresibilidad con las condiciones de fluidez que exhiba un determinado material?

La porosidad afecta la compresibilidad ya que es fas fácil que un material poroso se deje comprimir ya que tiene mas espacios vacios en los cuales se puede alojar mas material o porque la porosidad simplemente hace que el material sea mas frágil. Sin embargo, la compresibilidad de los materiales también depende de otras propiedades como la dureza. c.

d.

¿Cómo está relacionada la porosidad de un material con la forma, tamaño y la distribución de tamaños de la partícula?

¿Si el sólido es menos denso que el agua, cómo podría determinarse su densidad real?

¿Cómo podría relacionar la porosidad con la densidad aparente? Compare el valor obtenido de porosidad empleando la Ec. 4 y el valor obtenido mediante una expresión que relacione la porosidad y la densidad aparente. ¿Qué puede concluir?

La porosidad de un material se puede determinar mediante la expresión 6, que relaciona la densidad aparente, la gravedad específica, y la porosidad. Ya que la gravedad específica de un material tiene el mismo valor numérico que la densidad real, entonces se podría reescribir la ecuación como: (

)

Según esta ecuación y con los datos obtenidos en la tabla 2 tenemos que para las dos muestras trabajadas, sus porosidades en base a la densidad aparente es: Tabla 3. Porosidad en relación a la densidad aparente. Porosidad ( ) Muestra 1

Muestra 2

52.368

16.144

Los valores son muy diferentes a los reportados según la ecuación 4 lo cual puede deberse a errores inherentes al proceso de experimentación. f.

¿Qué otros métodos existen para determinar la densidad de materiales sólidos?

Además del método experimental utilizado en esta práctica se encuentran otro, tales como [1,2]:  Cálculo de la densidad de un cuerpo a partir de la medida de las dimensiones de dicho cuerpo, esta se utiliza en sólidos regulares.  Método del picnómetro (Se utiliza en el caso de materiales que se presentan en granos pequeños)

 Método del picnómetro de Helio, basado en la diferencia de presiones cuando el gas se difunde por el espacio vacío.  Método del desplazamiento de Mercurio, es igual al método trabajado en el laboratorio (probeta), pero el fluido de trabajo es el mercurio.  Método de la pesada hidrostática, la cual maneja básicamente el principio de Arquímedes

g.

[2] Docencia - Universidad de Oviedo, España [Online]. Disponible: http://petro.uniovi.es/docencia/mro/21Denporos06.pd f. Consultada el 8 de octubre del 2012.

Cómo afecta el contenido de humedad los valores de densidad real y densidad aparente?

Por un lado, la densidad real se ve afectada por la humedad debido a que ésta representa un cambio en la masa contenida en la muestra sólida, afectando las mediciones y proporcionando un factor de error, además la adición de humedad representa que los espacios vacíos que son excluidos para la medición son parcial o totalmente llenados por la humedad. Y por otro lado, la densidad aparente también se ve afectada, ya que aunque es una densidad medida superficialmente y no excluye los espacios vacíos de material, se debe tener en cuenta que la cantidad de material sólido va a ser diferente debido al contenido de humedad y por esta razón se puede alterar la medición.

h.

Considere un sólido poroso que contiene poros tanto abiertos como cerrados, ¿qué tipo de densidad debe considerarse? ¿Cómo podría determinarse?

Para un material con tales características, lo más adecuado sería tomar la densidad aparente empacada; de esta manera, se puede asegurar que una cantidad de poros abiertos puedan ser llenados con material más fino, y obtener un resultado cercano a la densidad real. La densidad aparente aireada no es una medida muy apropiada para este tipo de situación dado la gran cantidad de poros cubiertos. Un mal acomodamiento de partículas puede generar espacios vacíos, aumentar considerablemente la porosidad y densidad aparente aireada, arrojando un resultado lejano de la realidad.

8 Conclusiones Referencias [1] Docencia – Universidad de Antioquia, Colombia [Online]. Disponible: http://www.fagro.edu.uy/~edafologia/curso/Material %20de%20lectura/FISICAS/TFisicas.pdf. Consultado el 8 de octubre del 2012.

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