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• Joao Jairo Flores Villanueva

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Laboratorio de Mecánica de Suelo

Civ - 219

CALIBRACIÓN DE LA BOTELLA VOLUMÉTRICA 1.- Objetivo. Los objetivos por los cuales se realiza, esta práctica de laboratorio es:  Calibrar la botella volumétrica de 500 ml. y de 250 ml.  Determinar el peso de la botella con el agua en un intervalo de temperatura de 20°C a 40°C (Por lo menos tres pesos a distintas temperaturas)  Graficar el comportamiento de la curva, W vs. T (PESO vs. TEMPERATURA) Otros objetivos son:  Esta primera práctica tiene como un primer objetivo familiarizarnos con el uso de los materiales e instrumentos con los que se dispone en el laboratorio de suelos.  También empezar a utilizar algo de la teoría que ya conocemos. 2.- Fundamento teórico.Aparato que se utiliza para determinar las densidades de distintas sustancias. También se conoce como frasco de densidades. Consiste en un pequeño frasco de vidrio de cuello estrecho, cerrado con un tapón esmerilado, hueco y que termina por su parte superior en un tubo capilar con graduaciones. Para llenar el picnómetro se quita el tapón esmerilado, que está hueco o perforado, se añade la muestra con una probeta pequeña y se tapa. El líquido subirá por el interior del tapón hasta el capilar. Puede ocurrir que incluso rebose, en cuyo caso se secaría cuidadosamente por fuera procurando que el líquido llene totalmente el tapón o que el exceso se pueda medir con el capilar. Así se determina el volumen de líquido contenido en el recipiente. Algunos picnómetros, menos precisos, no tienen tapón, sino un cuello largo aforado; en este caso, el picnómetro se llenaría hasta el enrase marcado en el cuello y de esta forma se conocería el volumen del líquido. La masa del líquido se determina por diferencia entre la masa del picnómetro lleno y vacío, y la densidad del líquido será el cociente entre su masa y el volumen que ocupa. Sabiendo que el volumen de una determinada sustancia o cuerpo varía de acuerdo a la temperatura entonces definimos estos conceptos Calor.

El calor es una forma de energía. Otras formas de energía, como mecánica, química eléctrica, etc. Tienden, en los procesos naturales a transformarse en energía calorífica cuando otros tipos de energía tienden a transformarse, o viceversa, la energía calorífica es exactamente equivalente, es igual a la cantidad de energía transformada. Univ.: Callizaya Cossio Gunar Saul

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Laboratorio de Mecánica de Suelo Civ - 219 Todas las sustancias necesitan calor para aumentar su temperatura (permaneciendo constantes y otras variables) y proporcionan la misma cantidad de calor cuando se enfrían a la temperatura inicial. Siempre se absorbe cuando un sólido se funde o cuando un liquido se evapora. Las unidades que se emplean generalmente para expresar la cantidad de calor en el Sistema Internacional son Joulios, basada en cantidades mecánicas evidencia la convertibilidad de las diferentes formas de energía. También los químicos han empleado la caloría y la Kilocaloría. La acción del calor sobre los cuerpos: Los efectos principales del calor sobre los cuerpos son: o o o o

Las Las Los Las

variaciones de la temperatura. dilataciones o cambios de volumen. cambios de estado físico. alteraciones químicas en algunos cuerpos.

Univ.: Callizaya Cossio Gunar Saul

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De todos ellos nos interesa el segundo aspecto. Dilatación. Es extensión o ampliación de una cosa o cuerpo que da como consecuencia mayor utilización del lugar en el espacio; siendo la causa principal el calor. Dilatación de los líquidos Distinguiéndose, con respecto a los líquidos dos clases de dilataciones: o o

La dilatación aparente La dilatación absoluta. Peso específico del agua a la presión atmosférica Temperatura (°C) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Peso Específico 3 (Kp/m ) 1.000 1.000 0.998 0.996 0.992 0.988 0.984 0.978 0.971 0.965

2.1.- Calibración de la botella volumétrica o llamada también como picnómetro. Existen dos métodos para la determinación de la curva – W vs T, de la siguiente manera: Método n° 1: W = Wpic. + Vpic. (1+  T   )  (    A ) W

Dond e:

Wpic. = peso del picnómetro (limpio y seco) Vpic. = Volumen del picnómetro.  T = variación de temperatura de ensayo.

 = coeficiente de expansión térmica del vidrio.  W = peso específico del agua a temperaturas diferentes.  A = Peso específico del aire. Método n° 2:

Donde: W = (VW   W ) + Wpic.

V

W

W

= volumen del agua a 4°C. = peso específico del agua a diferentes temperaturas.

Wpic. = peso del picnómetro. (limpio y seco) 3.- MATERIALES Y EQUIPO. Materiales:  Agua destilada, lo necesario (Como no se tiene se tiene que hacer hervir el agua unos 10 minutos Equip o:

         

Botella volumétrica de 500 ml. Botella volumétrica de 250 ml. Vaso de precipitado. Mortero. Termómetro. Pipeta graduada. Balanza. Hornilla eléctrica. Un par de guantes. Paño de limpiar.

Picnómetro o botella volumétrica. Sirve para medir soluciones de volúmenes grandes y determinados, lo que esta indicando por una línea grabada en el cuello llamada enrase o aforo La botella volumétrica ó llamada también matraz de vidrio, la misma que está fabricado de VIDRIO PIREX, que permiten realizar soluciones valoradas. Existe en el mercado colecciones de tamaño entre 250 y 2000ml., y de algunos tipos reforzados hasta 10000 cm3. de capacidad

- Botella de 500ml: esta botella sirve para determinar el peso específico de suelos no cohesivos (arenas).

- Botella de 250ml: esta botella sirve para determinar el peso específico de suelos cohesivos (arcillas).

Vaso de precipitado. El vaso de precipitado graduado esta fabricado de VIDRIO PIREX, la misma que sirve para preparar soluciones o mezclas exactas, para calentar sustancias, obtener precipitados, para reactivos,

colorantes , etc. Termómetro. Este material es muy importante, porque con esta podemos medir temperaturas, de sustancias que se están calentando ó enfriando, los termómetros miden temperaturas desde -20°C asta 400°C.

Pipet as. Estos materiales se presentan en dos tipos que son: a).Pipetas aforadas. b).- Pipetas volumétricas. a).- Este tipo de pipetas son graduadas, que se utilizan para medir volúmenes de 1 ml., hasta 25 ml., las cuales están graduadas en mililitros.

b).- Este tipo de pipetas no tienen una graduación, por lo cual podemos con estas medir diversos volúmenes, según lo que se requiera. Balan za Este aparato nos sirve para pesar sustancias, el mismo que tiene una capacidad de 2610 gr., que tiene una sensibilidad de apreciación de hasta lamitad de una décima.

Hornilla eléctrica. Este es un aparato que funciona con energía eléctrica, el cual nos sirve para poder calentar muestras o sustancias que así se lo requiera. 4.PROCEDIMIENTO. Lo primero es que debemos cerciorarnos, contar con todo el material, si se encuentran en buen estado, entonces empezamos recién. Todo el procedimiento de la práctica es la siguiente: a).- Botella volumétrica de 500 ml. Al empezar el procedimiento se nos dijo que para esta práctica se debería utilizar agua destilada y desaireada, con el motivo de que el agua no contenga impurezas o partículas que afecten los resultados de la calibración. Pero por falta de ese tipo de agua nosotros utilizaremos agua del grifo.

   

Pesamos la botella volumétrica de 500 ml., limpia y seca. Colocamos agua destilada (En caso de la practica se debe usar agua del grifo en la cual se debe quitar el aire) en la botella volumétrica de un 60% a 80 % de su capacidad. Llevar a la hornilla eléctrica la botella dejando calentar, cuando empiece a ebullicionar controlamos durante 10 minutos (para eliminar las burbujas que se pegan en las paredes de la botella). Existen dos formas de sacar el aire del agua que son:  Bomba de vacíos, donde se requiere el equipo de bomba al yació. (este procedimiento no lo realizaremos porque no contamos con éste equipo.)  Sacar en forma de ebullición, la cual se la realiza mediante el movimiento circular de la botella con la mano y guantes, cuando está en etapa ebullición. (este es el procedimiento con el cual realizaremos la práctica.)



En la práctica se sacara el aire del agua con el método de ebullición la cual se agitara cada 10 a 20 segundos, durante 10 minutos. Controlando la temperatura.  La temperatura a la cual a llegado en todo este procedimiento, fue de 90°C. (retiramos de la hornilla)  Luego de haber retirado la botella de la hornilla dejar enfriar sobre una madera a temperatura ambiente. “Sobre una madera con el propósito de no clisar la botella por enfriamiento brusco.”  El enfriamiento a temperatura ambiente debe ser hasta lograr aproximadamente una temperatura de 50 a 60°C.  Luego de esto debemos enfriar con agua de pila, hasta lograr una temperatura de 40°C.  Agregar agua fría con una pipeta hasta el menisco de la botella volumétrica.  Cuando agregamos agua debemos hacerlo siempre con pipeta, con el único propósito de no introducir aire en la botella.  “La forma de vaciar el agua en la botella con la pipeta es haciendo contacto con el agua que ya se encuentra en la botella, con mucho cuidado.”  Luego debemos secar por fuera la botella con un paño.  Se pesa la botella volumétrica, en la balanza. (anotar en tabla el valor del peso)  Seguidamente debemos medir la temperatura con un termómetro, al momento de pesar. (anotar en tabla el valor de la temperatura)  Después debemos nuevamente enfriar la botella con agua de pila.  Durante este enfriamiento se observará que el nivel de agua se reduce o baja en relación al menisco de la botella.  Aumentar agua con pipeta hasta el menisco de la botella.  Secar la botella por el exterior con un paño.  Llevar a la balanza, pesar y medir su temperatura a la que se esta pesando. (anotar estas lecturas en tabla)  Este procedimiento debemos repetir una vez más, a partir de los últimos cinco puntos.  Así logrando tres diferentes lecturas.  El rango de temperatura a la que se debe realizar los pesos debe estar entre 20 y 40 °C.  En base a estas tres lecturas, graficar la curva de calibración. b).- Botella volumétrica de 250 ml. Con la botella volumétrica de 250 ml., se debe repetir todos los mismos procedimientos que con la anterior botella volumétrica de 500 ml., con las siguientes únicas variaciones:  Volumen de la botella (es menor a la de 500 ml.)  Lecturas de peso ( Sera menor y variara de mas lentamente que la de 500 ml.)



Lecturas de temperatura  Las gráficas de calibraciones. Nota: La temperatura a que ebulliciono la botella volumétrica de 250 ml. Fue de 90ºC. Es muy importante que la curva tiene que tener esta forma así sabremos que esta bien realizada, Líneas azules las temperaturas y las líneas rojas los pesos.

La gráfica de dichas curvas debemos realizarlas de muy buena manera y con una buena escala para después poder utilizarlas en la determinación de los pesos específicos. 5.- DATOS Y CÁLCULOS. 5.1.- Datos obtenidos en laboratorio. Los datos a los cuales nos referimos son: W = Peso en gramos del picnómetro a las temperaturas obtenidas en el momento. T = Temperatura en grados centígrados. Botella volumétrica de 500 ml. Número de

Peso

Temperatura

lecturas

W [ gr. ]

T [ °C ]

1

650.90

40

2

652.60

27

3

654.05

24

Botella volumétrica de 250 ml. Número de

Peso

Temperatura

lecturas

W [ gr. ]

T [ °C ]

1

352.22

34

2

352.65

27

3

353.20

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5.2.- Cálculo de datos. En lo que se refiere al cálculo de datos matemáticos no hacemos ninguna referencia debido a que los datos que tenemos en tablas solo nos servirán para graficar las curvas de calibración, de las botellas volumétricas de 500 y 250 ml. Estas graficas tendrán la siguiente

característica: PESO vs TEMPERATURA ( W vs T) 6.- GRÁFICOS.

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BOTELLA VOLUMÉTRICA DE 500 ml.

PESO DE LA BOTELLA VOLUMÉTRICA (gs.)

654,50 654,00 653,50 653,00 652,50 652,00 651,50 651,00 650,50 15

20

25

30

35

40

TEM PERATURA DEL AGUA (°C)

BOTELLA VOLUMÉTRRICA DE 250 ml.

PESO DE LA BOTELLA VOLUMÉTRICA (gr.)

353,40 353,20

353,00 352,80

352,60 352,40

352,20 352,00 15

20

25

30

35

TEM PERATURA DEL AGUA (°C.)

7.- CONCLUSIONES. Entre las conclusiones podemos definir los siguientes puntos: 1.- El rango al cual hemos llegado con la botella volumétrica de 500 ml., fue Univ.: Callizaya Cossio Gunar Saul

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Laboratorio de Mecánica de Suelo de 24 – 40 °C.

Univ.: Callizaya Cossio Gunar Saul

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2.- El rango al cual hemos llegado con la botella volumétrica de 250 ml., fue de 22 – 34 °C.  1.- Con la botella volumétrica de 500 ml., sí se cumplió con el rango de 20 a 40 °C.  2.- Con la botella volumétrica de 250 ml., si se cumplió con el rango de 20 a 40 °C., lo que quiere decir que se cumplio con unos de los objetivos planteados al cumplir con el rango de 20 a 40 °C. P  Las gráficas de las botellas volumétricas de 500 ml., y de 250 ml. no son iguales.  La gráfica de la botella volumétrica de 500 ml., es una curva pronunciada, que se asemeja a una parábola en lo cual quiere decir que la practica hecha en esta botella volumétrica esta mal realizada.  La gráfica de la botella volumétrica de 250 ml., es una curva menos pronunciada se asemeja a una recta pero aun así esta mal según lo que definimos con la grafica que nos debería haber salidouna curva con una parabola hacia arriva no tan pronunciada.  El ensayo pudo fallar con las impuresas que tenia el agua por un mal servicio de agua potable en laboratorio.  Otro seria el uso de un termómetro roto que se utilizo al realizar las mediciones de temperatura.  Otra razon seria que no se saco todo el aire en la ebullición. 8.- RECOMENDACIONES. Los materiales que vamos ha usar deben estar sanos, limpios y en buen estado. Cuando llenemos agua en la botella volumétrica debemos tener mucho cuidado al llenar, porque el menisco y la marca de la botella volumétrica, deben formar una tangente, asi como se muestra en la figura:

Bien Mal Algunos materiales que nos sirven para calentar muestras, reactivos, etc., deben ser de material de resistencia a grandes temperaturas. Cuando calentamos algo en los materiales que tenemos en laboratorio, de vidrio pirex u otro similar siempre debemos colocar encima de una madera, porque podemos clizarlo al momento de retirar del fuego, esto debido al cambio de temperatura brusco que se hacen. Las muestras que queramos pesar en la balanza debemos hacerlo de manera muy cuidadosa para que los resultados del ensayo fueran las mas exactas posibles.

9.- OBSERVACIONES. La observación más clara y concreta de esta práctica es: Se trabajó con agua de pila y no así con agua destilada. “lo correcto es que se debe trabajar con agua destilada” 10.- BIBLIOGRAFÍA. Apuntes de mecánica de suelos............................................Ing. Sergio Barrientos Hidrología Subterránea,........................................................Barcel ona, España Carreteras I............................................................................Rodas Valle Agua Subterránea y Perforación de Pozos,...........................Bogotá Custodio, E., Llamas, R. 1983. Escuela de Ingenieros Militares, 1977...................................EMI