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• Pedro Alvaron Cristobal

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INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA INTRODUCCIÓN

En el siguiente trabajo de laboratorio se va a trabajar de manera experimental para el cálculo experimental de viscosidad para el etanol la viscosidad es una propiedad física de los líquidos y gases. La

viscosidad

es

la

resistencia

de

los

líquidos

y

gases

al

escurrimiento, el cual se va a calcular con el viscosímetro para diferentes temperaturas y en el cual es muy notorio que la viscosidad y la temperatura son inversamente proporcionales. Para el cambio de temperatura se va a realizar el baño de maría a diferentes temperaturas (20, 30,40 grados centígrados).

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INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA

OBJETIVOS  Determinar la viscosidad de líquidos mediante el viscosímetro de Ostwald usando datos de densidad teórica a las temperaturas de trabajo.

FUNDAMENTO TEORICO VISCOSIDAD. Se llama viscosidad o frotamiento interno, a la resistencia experimentada por una porción de un líquido cuando se desliza sobre otra. Aun cuando la viscosidad es una de las propiedades generales de la materia, se manifiesta de un modo especial en los líquidos. La viscosidad depende del estado físico de los cuerpos, pues mientras que en los gases es muy pequeña, en lo sólidos alcanza; su valor máxima. El valor de la viscosidad varía ampliamente en los líquidos, desde algunos líquidos como el éter etílico que corren fácilmente, hasta otros como el alquitrán y los aceites pesados que son extremadamente viscosos. Consideramos dos capas liquidas teniendo cada una un área de “A” cm 2 y separadas por una distancia de

“ ι “cm. Al suponer que la capa superior esta moviéndose en

dirección paralela a la capa inferior y con una velocidad de “v” cm/seg relativa a la capa de bajo, pues si el flujo fuera perfecto, es decir sin atracciones, la velocidad se mantendría constante en el valor de "v", sin gasto extra de energía. No obstante, para un fluido real se requiere una fuerza de “F” dinas, aplicada permanentemente para mantener la velocidad “v”. se ha encontrado experimentalmente que esta fuera “F” e inversamente proporcional a la distancia “ ι ”. O sea que. F=η .

vA ι

Página 1

INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Donde

η

(eta) es una constante de proporcionalidad, es el llamado coeficiente de

viscosidad. La ecuación nos va a servir para definir la unidad de viscosidad, pues despejando η tenemos que

F=η .

ιF ι .t

y conociendo las dimensiones de las unidades derivadas A = F = m. ι .t---2, al sustituir estas dimensiones en la ecuación y cancelar las comunes en el numerador y en el denominador, se encuentra que las dimensiones de la viscosidad son Viscosidad =

m ι .t

En el sistema C.G.S. la mudad de viscosidad se define como g.cm -1.S-1. A esta unidad se le conoce con el nombre poise, en honor de POISEUILLE, quien inició el estudio científico de la viscosidad. Desde que el poise es bastante grande, la viscosidad de un gas se expresa en micro poise o 10 2 poise, mientras que la viscosidad de un líquido se mide en cent poise (cp) = 10-2 poise o sino en milipoise = 10 -3 poise. En los líquidos se acostumbra expresar las viscosidades relativas a la del agua a 20°C, pero como ésta es de 0.0100 poise, da origen a que la llamada viscosidad relativa sea numéricamente la misma como la viscosidad absoluta del líquido en consideración expresada en centipoises. En el Sistema Internacional la unidad de viscosidad es kg.m-1s-1 = 10 poises = 1000 cent poises. Los coeficientes de viscosidad de los líquidos en unidades SI se expresan en 10-3 kg.m-1.s-1, dando los mismos números que formulados en centipoises. El volumen de un líquido que fluye por el interior de un tubo, en la unidad de tiempo y bajo una presión dada, varia ampliamente con la naturaleza del líquido, con la temperatura y con el tipo de flujo, sea en línea recta o turbulenta. Se entiende por flujo en línea recta, llamado también laminar o viscoso, cuando las moléculas de las capas líquidas se mueven paralelas a las paredes del tubo. Se presenta en los líquidos que se trasladan por tubos de diámetros pequeños y a velocidades bajas. En este tipo de flujo la Página 2

INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA propiedad del líquido que gobierna su velocidad es la viscosidad es la viscosidad. A más altas velocidades del flujo cambio otro en remolinos, que se llama flujo turbulento y el cual es de tratamiento difícil. Las ecuaciones que vamos a desarrollar en seguida para experiencias de laboratorio, se amplía el flujo en línea recta. Un instrumento para medir viscosidad recibe el nombre de viscosímetro. La viscosidad de un líquido se mide generalmente el tiempo requerido para que un volumen dado del mismo se escurra por un tubo capilar de dimensiones definidas y bajo una diferencia de presión conocida. Este viscosímetro se conoce con el nombre de viscosímetro de OSWALD. La Ley a la cual obedece el fenómeno de descubrimiento de un líquido a través de un tubo capilar, fue descubierta en 1841 por POISEUILLE, expresándose mediante la ecuación siguiente: η=

P π r 4t 8v .ι

Donde “v” significa el volumen del líquido de viscosidad “ η ” escurriéndose a través de un tubo capilar de longitud “ ι ” y radio “r”, en el tiempo “t” y bajo la diferencia de presión “P”. El viscosímetro de Oswaldo consiste en un tubo en forma de “U”, una de cuyas ramas posee en su parte superior un bulbo “A” con dos señales “a” y “b”. por debajo de esta ensanchamiento se prolonga el tubo en forma capilar “B” y luego se ensancha de nuevo formando en la otra rama el deposito esférico “C”, el cual se llena del líquido cuya viscosidad se quiere determinar. Una vez que “C” en el cual se llena el líquido, se presiona a éste insuflando aire por la boca de dicha rama vertical, mediante una pera de goma, hacer subir la superficie del líquido por la otra rama estrecha a la señal “a”. Entones, estando sumergido el viscosímetro en un baño de temperatura constante se destapa la rama ancha y mediante un cronometro se anota en tiempo que tarda en menisco del líquido para pasar de la señal “a” a la “b”. La medida se repite con otro líquido cuya viscosidad se conoce, y refiriéndose a la ecuación, desde que el mis ni o viscosímetro .so usa para los dos líquidos, el volumen Página 3

INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA "V" es idéntico, lo mismo que el radio ''r" y la Longitud " I" del tubo capilar. La presión "P" no es la misma, pe se a la presión atmosférica constante, desde que además depende de la presión hidrostática del líquido, la cual para alturas idénticas de los dos líquidos depende únicamente cié sus densidades en forma directamente proporcional, por lo que sustituimos las presiones de los dos líquidos por sus respectivas densidades. Aplicando entonces la ecuación para los dos líquidos y dividiendo la primera por la segunda resulta. η1 p1 . t 1 = η2 p2 . t 2 Si se toma como -líquido tipo un líquido de viscosidad conocida, se puede utilizar la ecuación para calcular la llamada viscosidad relativa de otros líquidos. Se acepta generalmente el agua como líquido de referencia en la determinación de las viscosidades relativas. Así,

η

, p1 y t1, son la viscosidad, densidad y tiempo de

1

escurrimiento del líquido que se investida; I y t. son la viscosidad tipo, la densidad y el tiempo de escurrimiento del aire. Haciendo estas simplificaciones en la acción .Las viscosidades relativas se pueden transformar en viscosidades absolutas multiplicando a las viscosidades relativas halladas por la viscosidad absoluta del agua a la misma temperatura. En los líquidos poco viscosas .se determina su viscosidad mediante el viscosímetro de Ostwald, según la Ley de POISEUILLE. Otra ley que sirve para medir viscosidades es la Ley de STOKES, la cual establece una relación entre la fuerza actuante obre una esfera de radio conocido que cae con una velocidad determinada por un fluido 'cuya viscosidad se desea conocer. Esta ley proporciona un método mejor que el del tubo capilar para medir las viscosidades altas de los aceites pesados y en el control de la fabricación de fibras artificiales. -Cuando el coeficiente de viscosidad varía según la velocidad del flujo, se dice que el fluido posee un comportamiento no newtoniano, fenómeno que se presenta en los temas coloidales, La viscosidad de la mezcla es menor ponentes, por ejemplo, la mezcla de La viscosidad de los gases aumenta al aumentar la temperatura; en cambio, la viscosidad de los líquidos disminuye al aumentar la temperatura. Como a temperaturas Página 4

INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA altas, las moléculas de un líquido poseen mayor energía cinética, el líquido puede fluir más fácilmente. La viscosidad de un gas es prácticamente independiente de la presión; en cambio, la viscosidad de un líquido aumenta al aumentar la presión. La comparación de la viscosidad versus la temperatura se da en la Para el agua, la disminución por grado centígrado es cerca de 2% de la viscosidad a 0°C. A más grandes temperaturas que los límites de la figura, se muestra que la variación está muy leja; de ser lineal. La dependencia entre la viscosidad y la temperatura obedece a una ecuación de la forma siguiente: η=

Log

A +B T

Donde A y B son constantes para un líquido dado. Viscosidad absoluta ( η ).- Fuerza por unidad de área necesaria para mantener un gradiente de velocidad entre los planos separados por una distancia unitaria. Se expresa en poises: g.cm-1s-1 η

= t/(dv/dx)

Viscosidad cinemática (D).- es la velocidad absoluta dividida entre la densidad del líquido. Se expresa en stocks: cm2.s-1.

D=

η

/p

Fluidez (tp).- se defina como la inversa de la viscosidad absoluta. Se expresa en rhes: g 1

.cm.s φ

= 1/

η

Página 5

INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Viscosidad relativa ( η

). Se defina como la relación entre la viscosidad

rel

de la sustancia y un líquido de referencia (Agua). No tiene unidades. η

rel

=

η

sust.

/

η

ref

DETALLES EXPERIMENTALES.

MATERIALES.

     

Viscosímetro de Ostwald Recipiente para baño de temperatura(Termostato) Una pipeta de 10 ml Un vaso de 100ml Mechero bunsen Una bombilla de jebe.

REACTIVOS.  Agua  Etanol.

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INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA PROCEDIMIENTO: Medición de la viscosidad de líquidos con el viscosímetro Oswald. a) Lave el viscosímetro con solución solfucrómica o detergente. Enjuague con agua de caño y finalmente con agua destilada luego saque en la estufa. b) Midiendo con una pipeta coloque destilada en el viscosímetro en cantidad suficiente como para llenar bulbo B1. c) Coloque el viscosímetro en un baño de temperatura constante T 1ºC y déjalo unos 3 minutos para que adquiera la temperatura del baño. El baño deberá cubrir el bulbo B2. d) Coloque una bombilla de jebe en el extremo del viscosímetro para hacer subir el e) f) g) h)

líquido en el bulbo B2. Mida el tiempo que demora el líquido en el Bulbo B2. Efectué al menos dos mediciones para cada temperatura. Limpie y seque bien el viscosímetro poniéndolo en una estufa a 110ºC. Realice los pasos indicados anteriormente con la muestra problema y/o la solución dada, empleado volumen de muestra igual al del agua usado en b.

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INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA CALCULOS Y RESULTADOS.

1.-Con los datos teóricos de las densidades de las posibles muestras determine las densidades de estas a la temperatura de trabajo.  Densidad teórica del H2O.

 H205ºOC  0,9982323 g

m1

 H305ºOC  0,99596756 g

 H405ºOC  0,9922455 g



m1

m1

Para hallar las densidades teóricas del C2H5OH.usamos  Densidad teórica del C2H5OH. 1. T = 20ºC To  C202 Hº C5OH  0,7893 g

m1

2. T = 30ºC

 C302 Hº C5OH 

To  C202 Hº C5OH

To  C202 Hº C5OH  0,7893 g

1   (To  Tx)

, Página 8

m1

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Donde:

: Coeficiente de dilatación cubica del C2H5OH.   0,00112º C 1

 C302 Hº C5To OH 

(0,7893) 1  0,00112(20  30)

  C302 Hº C5OH  0,7902 g

m1

3. T = 40ºC



40 º C C 2 H 5OH



 C402 Hº C5To OH 

To  C302 Hº C5OH

1   (To  Tx)

(0,7902) 1  0,00112(20  40)

 C402 Hº C5OH  0,7910 g

m1

2.-Usando la ecuación respectiva determine la viscosidad (cp) de la muestra problema a todas las temperaturas. Usando las viscosidades teóricos del agua como referencia. 1.

Por definición, se sabe.

1-

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 C202 Hº C5OH  H205ºOC



 C202 Hº C5OH  t C2 H 5OH  H205ºOC  t H 2O

Luego:

 H205ºOC  1,002cp

To  C202 Hº C5OH  0,7893 g

m1

t C2 H 5OH  318,00

t H 2 O  385,20

 C20Hº C OH  2

5

(0,7893)(318)(1,002) (0,9982323)(385,20)

 C202 Hº C5OH  0.654062cp

1.2- Por definición, se sabe.

Página 10

INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA

 C302 HºC5OH C  H302ºOH



 C302 HºC5OH  t C2 H 5OH C  H302ºOH  t H 2O

Luego: C  H302ºOH  0,8007cp

t C 2 H 5OH  250,20 s t H 2 O  331,80s C  H302ºOH  0,99596756 g

 C302 Hº C5OH 

m1

(0,7902)( 250,20)( 0,8007) (0,99596756)(331,80)

  C302 Hº C5OH  0,479041cp

1. 3-Por definición, se sabe.

 C402 HºC5OH  H402ºOC



 C402 HºC5OH  t C2 H 5OH  H402ºOC  t H 2O

Luego:

 H402ºOC  0,6560cp  H402ºOC  0,9922455 g

m1

t C2 H 5OH  201,60 s

t H 2O  327,60s

Página 11

INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA

 C40Hº C OH  2

5

(0,7910)( 201,60)(0,6560) (0,9922455)(327,60)

  C402 Hº C5OH  0,321816cp

3.-Determine analítica o gráficamente las viscosidades teóricas de la muestra problema. VISCOSIDAD EXPERIMENTAL

Viscosidad (n) 0.654062 0.479041 0.321816

T °C 20 30 40

Página 12

INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA Viscosidad del Etanol (C2H5OH).

0.7 0.6 0.5 0.4 Viscosidad (n) 0.3 0.2 0.1 0 15

20

25

30 TºC

VISCOSIDAD TEORICA

Página 13

35

40

45

INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA 1.400 1.200 1.000 0.800 0.600 0.400 0.200 0.000 15

20

25

30

35

40

45

Viscosidad (n) 1.200 1.005 0.839

4.-Grafique ( η ) abs vs 1/T para la muestra. Analice la gráfica.

T °C

T °k

1/T 0.00341 20 293 3 0.00330 30 303 0 0.00319 40 313 5

Viscosidad (n) 0.654062 0.479041 0.321816

Página 14

Log(n) 0.184381 1 0.319627 3 0.492392 4

INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA 0.6 0.5 0.4 Log(n) Log (n)

vs

1/T

Linear (Log(n)

vs

1/T)

0.3 0.2

0.1 Linear (Log(n) vs 1/T) 0 0.5 1 1.5

2

2.5

3

1/T

Página 15

3.5

4

4.5

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DISCUSION DE RESULTADOS

 La viscosidad experimental del Etanol a 20º C es 0.65 cp se aproxima al teórico que es 1,200 cp debido al error experimental y condiciones ambientales de trabajo.  La viscosidad experimental del Etanol a 30º C es 0.479cp se aproxima al teórico que es 1,005 cp debido al error experimental y condiciones ambientales de trabajo.  La viscosidad experimental del Etanol a 40º C es 0.3218cp se aproxima al teórico que es 0,839 cp debido al error experimental y condiciones ambientales de trabajo.

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INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA CONCLUSIÓN

To  C202 Hº C5OH  0,7893 g

 Densidad del C2H5OH a 20ºC =  Viscosidad del C2H5OH a 20º C = 0.654062cp.

m1

 C302 Hº C5OH  0,7902 g m1

 Densidad del C2H5OH a 30º C =  Viscosidad del C2H5OH a 30º C = 0.479cp.

 C402 Hº C5OH  0,7910 g  Densidad del C2H5OH a 40º C =  Viscosidad del C2H5OH a 40º C = 0.3218cp.

m1

RECOMENDACIÓN

 Al momento de trabajar con el viscosímetro hay que tener mucho cuidado porque es un material frágil y de un costo muy elevado.  Asegurarse que el viscosímetro este seco antes de trabajar.  Anotar los resultados del experimento.  Trabajar según los procedimientos de la guía del laboratorio.

BIBLIOGRAFIAS.

Página 17

INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA  SAMUEL H. MARON; fundamentos de fisicoquímica, ed. limusa, pág. 56, 221,283.  REID, Robert C y SHERWOOD, Thomas K. propiedades de los gases y líquidos. Unión tipográfica editorial hispano-americana. México.1968.  Marrón y Pruton, Fundamentos de Fisicoquímica, decimoquinta reimpresión 1984 Ediciones Limusa México – 1984.  Fárrington Daniels

Fisicoquímica Edición: Cuarta Páginas: 146, 167, 193,

709 Editorial: Continental S.A. 980 España.

 Pons Muzzo Gastón “Fisicoquímica” 6ta Edición Ed. Universo, Lima, 1985.

 Fluid Mechanics, London – Lifahitz. Pergamon Press. Addison – Wesley, 1959.

ANEXOS 1.-Que limitaciones tiene el método del flujo capilar. El volumen de un líquido que fluye por el interior de un tubo, en la unidad de tiempo y bajo una presión dada, varia ampliamente con la naturaleza del líquido, con la temperatura y con el tipo de flujo, sea en línea recta o turbulenta. Se entiende por flujo Página 18

INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA en línea recta, llamado también laminar o viscoso, cuando las moléculas de las capas líquidas se mueven paralelas a las paredes del tubo. Se presenta en los líquidos que se trasladan por tubos de diámetros pequeños y a velocidades bajas. En este tipo de flujo la propiedad del líquido que gobierna su velocidad es la viscosidad es la viscosidad. A más altas velocidades del flujo cambio otro en remolinos, que se llama flujo turbulento y el cual es de tratamiento difícil. 2.-Que otros métodos para medir viscosidad conoce usted explique brevemente. Método:  El método del picnómetro es uno de los más sencillos y prácticos para determinar densidades. El picnómetro es un pequeño frasco de vidrio, cerrado por un tubo vertical de diámetro pequeño, en la que hay marcada una señal de enrase, para disponer de un volumen constante. 1. Se pesa el picnómetro vacío, asegurándose que este bien limpio y seco. Obteniéndose m1. 2. Se pesa el picnómetro lleno de agua destilada. Obteniéndose m2. 3. Se pesa el picnómetro lleno del líquido problema. Obteniéndose m3. Cuando se habla de picnómetro lleno, quiere decir que esta enrasado adecuadamente. Para facilitar el enrase puede utilizar trozos de papel toalla. El picnómetro debe estar bien seco por fuera. 4. Obtenga la masa del líquido mediante la ecuación: ml = m3 – m1. 5. Obtenga la masa del agua destilada: ma = m2 – m1. 6. Obtenga la densidad relativa del líquido buscado:

7. Anote la temperatura del agua y considere la densidad del agua para esta temperatura: 8. Para obtener la densidad del líquido, multiplique la densidad relativa del líquido problema por la densidad del agua: Página 19

INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA

Método:  BALANZA DE MOHR-WESTPHAL La balanza de Mohr-Westphal consta de un pie fijo y dos brazos desiguales que se apoyan en el eje del pie fijo. En un lado hay un contrapeso y una “aguja” que marcará el equilibrio posteriormente si se alinea con la envoltura semicilíndrica, en la que hay otra pequeña punta horizontal. En el lado opuesto hay un gancho para colgar un inmersor: un tubo cerrado de vidrio que se debe sumergir en agua destilada para calibrar la balanza. Una vez está completamente hundido, se debe regular el soporte mediante una tuerca para que la balanza marque el equilibrio (las puntas del lado izquierdo alineadas), habiendo colocado previamente un reiter S del gancho. El reiter S contrarresta exactamente el empuje que aparece al sumergir el inmersor en el agua. Los reiters servirán para ajustar la densidad relativa de otro líquido hasta 4 posiciones decimales. Uno de los cuatro reiters es igual al S,y los tres restantes pesan 1/10 del anterior. El método es el siguiente: Los reiters se van colocando a lo largo del brazo de cuyo extremo pende un reiter S y el inmersor. En dicho brazo hay marcadas 10 muescas separadas un mismo intervalo. Por tanto, se cumple que el momento de las fuerzas en ambos lados debe ser equivalente en caso de que haya un equilibrio y las agujas estén alineadas. Para alcanzar este equilibrio se van añadiendo reiters sobre el brazo con las muescas (numeradas del 1 al 9) y variando la distancia para ir acercándose cada vez más al equilibrio. Si la densidad del líquido es menor que la del agua, habrá que quitar el reiter S del gancho e ir situando de igual manera los restantes. En el equilibrio, por tanto, el par de empuje será igual al par de los jinetillos (reiters), con lo que el par de empuje: P = A(1+ 0,1a + 0,01b + 0.001c + 0.0001d) = A ´1.abcd [1], siendo A el peso del jinetillo más grande (S), y a, b, c y d las distancias desde el eje hasta la muesca donde se sitúa cada jinetillo. Por ello, cuanto más pequeño sea el jinetillo, obtendremos una precisión mayor (posición decimal más a la derecha) y la distancia al eje (inscrita en las muescas) nos dirá la cifra en dicha posición.Como se ha calibrado la báscula para que cuando haya sólo 1A esté equilibrada, la densidad (relativa) será 1.0000. Esto es válido para el peso del agua desalojada

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INFORME DE LABORATORIO DE FISICOQUIMICA por el inmerso. Al cambiar el líquido, el volumen desalojado será el mismo, pero la densidad variará, con lo que:

que será la densidad relativa del líquido respecto al agua. Para obtener un valor adecuado de la densidad del agua se deberá medir la temperatura e interpolar en tablas para obtener el valor más preciso posible. Si el jinetillo A debe quitarse de la posición en el gancho (en caso de que la densidad relativa sea menor, la fórmula será la siguiente: P = A(0,1a + 0,01b + 0.001c + 0.0001d) = A´0.abcd . La densidad relativa:= A 0.abcd

Hay que señalar que, al sumergir el inmersor, se desprecia el volumen de hilo que está sumergido. Lo que sí que hay que tener en cuenta es que, en todo momento de la medida, no haya ninguna parte del inmersor fuera del agua (se descompensarían los datos). También hay que tener en cuenta que el inmersor no debe tocar la pared ni el fondo para que no existan fuerzas tangenciales que interfieran en la del empuje. Es conveniente destacar que la balanza nos permite medir densidades relativas desde 0,0001 hasta 2,1110 al haber dos reiters S y poder situar todos los jinetillos en la posición del gancho (a,b,c,d=10). Por tanto, esta balanza es útil para todas las densidades menores que las del agua (teóricamente, si fuesen muy bajas, el método tendría un error relativo grande), y para densidades hasta algo más de 2 veces la del agua. Si quisiésemos medir densidades mayores, necesitaríamos más reiters.

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