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Medición de Propiedades de Gases,
Líquidos y Sólidos
Capítulo 1: Propiedades Físicas
Prof. Ing. Héctor C. Vergara V.
Facultad de Ingeniería Mecánica
Centro Regional de Azuero-UTP
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Contenido1. Dimensiones y unidades.
2. Escalas de Temperatura.3. Propiedades físicas
1. Densidad.
2. Peso específico.
3. Densidad relativa.
4. Volumen específico.
5. Viscosidad.6. Compresibilidad de líquidos y gases.
7. Tensión superficial.
8. Presión de vapor.
9. Dureza.
4. Definición de fluido. Concepto de fluidos compresibles e
incompresibles.
5. Distinción entre un sólido y un fluido; entre un gas y un líquido.
6. Potencial galvánico de los materiales.
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1.1. Dimensiones y Unidades
Cualquier cantidad física se caracteriza por sus dimensiones, ylas magnitudes arbitrarias asignadas a las dimensiones sellamas unidades.
Algunas dimensiones básicas como la masa m, la longitud L, el
tiempo t y la temperatura T se considera dimensiones primarias o fundamentales.
Otras como la velocidad v, la energía E y el volumen V seexpresan en términos de las dimensiones primarias y reciben el
nombre de dimensiones secundarias o derivadas.
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1.1. Dimensiones y Unidades
A los largo de los años se han creado varios sistemas deunidades. A pesar de los grandes esfuerzos decomunidades científica y de ingeniería para unificar al
mundo con un sistema único de unidades,
En la actualidad se utilizan dos conjuntos de unidades: elsistema inglés United Sates Customary System (USCS) yel métrico SI (Le Système International d’Unités),
también conocido como Sistema Internacional.
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1.1. Dimensiones y Unidades
El SI es un sistema sencillo y lógico basado en unarelación decimal entre las diversas unidades y es usado enel trabajo científico y de ingeniería en la mayor parte de
las naciones industrializadas, incluso en Inglaterra.
El sistema inglés, si embargo, no tiene una base numéricay sus diversas unidades se relacionan de manera arbitraria(12in en 1ft , 16oz en 1lb, 4qt en 1gal). En USA es el
único país industrializado que todavía no aplica por completo el SI.
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1.1. Dimensiones y Unidades
En el sistema inglés la fuerza es consideracomo una dimensión primaria y se considerauna unidad no derivada.
Esta situación es fuente de confusión y errorque necesita el uso de un factor de conversión() en muchas fórmulas. Para evitar molestias,se considera la fuerza como una dimensión
secundaria, cuya unidad se deriva de lasegunda ley de Newton:
= ó
= 6
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1.1. Dimensiones y Unidades
En el SI la unidad de fuerza es el newton (N) y se define como la fuerza requerida paraacelerar una masa de 1 kg a razón de 1 /.
En el sistema inglés, la unidad de fuerza es lalibra-fuerza (lbf) y se define como la fuerzarequerida para acelerar una masa 32.174 lbm (1 slug) a una razón de 1 /
1 = 1 ⋅ /
1 = 32.174 ∙ /
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1.1. Dimensiones y Unidades
La fuerza en Newton es casiequivalente al peso de unamanzana pequeña ( = 102 ),mientras que la fuerza de una libraes casi equivalente al peso decuatro manzanas mediana( = 454 ).
Otra unidad de fuerza que escomún en muchos países europeos
es el kilogramo fuerza (kgf) que es el peso de 1 kg
de masa al nivel del mar (1 = 9.807 ).8
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1.1. Dimensiones y Unidades
Con frecuencia el término peso seemplea de modo incorrecto paraexpresar masa, en particular por los«cuidadores de peso». A
diferencia de la masa, el peso W esuna fuerza.
Es la fuerza gravitacional aplicada aun cuerpo y su magnitud se determinaa partir de la segunda ley de Newton.
= ()
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1.1. Dimensiones y Unidades
donde m es la masa del cuerpo y g es la aceleración gravitacionallocal (g es 9.807 / o 32.174 /
al nivel del mar y 45° de latitud).
La báscula casera común mide la fuerza gravitacional
que actúa sobre un cuerpo.El peso de un volumen unitario de una sustancia se
denomina el peso específico y se determina = ,
donde es la densidad.
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1.1. Dimensiones y Unidades
La masa de un cuerpo permanece igual, sinimportar su ubicación en el universo. Su peso,sin embargo, cambiará debido a la diferencia
en la aceleración gravitacional.
La fuerza de gravedad que actúa sobre unamasa se debe a la atracción entre las masas, y es directamente proporcional a las magnitudes
de las masas e inversamente proporcional alcuadrado de la distancia entre ellas.
= ∙
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1.1. Dimensiones y Unidades
La g varía de 9.8295 m/s 2 a 4500 m por debajodel nivel del mar hasta 7.3218 m/s 2 a100,000 m por encima del nivel del mar.
Para altitudes hasta de 30,000 m, la variaciónde la gravedad desde su valor al nivel del mares de 9.807 m/s 2 es menor de 1% .
Por lo que para propósitos prácticos, laaceleración de la gravedad se supone con unvalor de 9.81 m/s 2 .
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1.1. Dimensiones y Unidades
La causa primordial de la confusión entre lamasa y el peso es que la masa es medidaindirectamente por la medición de la fuerza de
gravedad que ejerce. La manera correcta demedir una masa es comparándola con unamasa conocida.
El trabajo, que es una forma de energía, se
mide como el producto de la fuerza por ladistancia; en consecuencia, tiene la unidad«newton-metro (N ⋅ m )»
1 = 1 ∙
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1.1. Dimensiones y Unidades
Una unidad mas común para la energía en el SIes el kilojoule (1 = 10 ).
En el sistema inglés, la unidad de energía es el
Btu (unidad térmica británica ), que se define comola energía requerida para elevar por 1° latemperatura de 1 lbm de agua a 68°.
En el sistema métrico, la capacidad de energía
necesaria para aumentar 1° la temperatura de1g de agua a 15° se define como una caloría (cal), y 1c = 4.1848. Las magnitudes del kJ y delBtu son casi idénticas (1 = 1.055).
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1.2. Escalas de Temperaturas
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La escala Celsius va de 0° a 100° y la escala Fahrenheit son 32° y212°.
Existe otra escala en
termodinámica que es independede las propiedades de cualquiersustancia o sustancias.
Se le denomina escala de
temperatura termodinámica, en elSI es la escala Kelvin (Lord Kelvin,1824-1907), en el sistema ingléses la escala Rankine (W. Rankine,1820-1872).
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1.2. Escalas de Temperaturas
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= ° + 273.15
= ° + 459.67
= 1.8
° = 1.8 ° + 32
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1.2. Escalas de Temperaturas
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Creada en 1714 por el Físico Alemán
La escala Fahrenheit toma como cero una
temperatura que está por debajo del punto
de fusión del hielo, por lo tanto para el hielo
indica una temperatura de 32º F.
Sal de amonio, agua y hielo 0 °F
Agua y hielo 32 °F
Temperatura Axila 96 °F
Para el agua hirviendo o vapor indica
212ºF.
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1.2. Escalas de Temperaturas
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Creada en 1742 por el Astrónomo Sueco
La escala Celsius toma como cero la temperatura
del punto de fusión del hielo, por lo tanto para el
hielo indica una temperatura de 0 ºC.
Para el agua hirviendo o vapor indica 100 ºC.
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1.2. Escalas de Temperaturas
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Creada por Lord Kelvin en 1848.
La escala Kelvin toma como cero la temperatura
del gas ideal a volumen cero, por lo tanto para
el hielo indica una temperatura de 273.16 ºK.
Para el agua hirviendo o vapor indica 373.16 ºK.
Se denomina escala centígrada absoluta.
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1.2. Escalas de Temperaturas
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Para pasar de Fahrenheit
a grados Celcius usamos
la siguiente fórmula:
2738,1
)32º(º
Tf Tk
8,1
)32º(º
Tf Tc
Para pasar a grados Kelvin
usamos la siguiente:
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1.2. Escalas de Temperaturas
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Para pasar de grados
Celsius a Fahrenheit
usamos la siguiente
fórmula:
273ºº cT k T
328,1ºº TcTf
Para pasar a grados Kelvin
usamos esta:
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1.2. Escalas de Temperaturas
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Escala Rankine creada por el ingeniero y
físico escoces en el año de 1859
Su punto de fusión es 460° Ra
Su punto de ebullición es de 672°Ra
Es conocida como Fahrenheit absoluta
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1.2. Escalas de Temperaturas
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273ºº Tk Tc
4,4598,1ºº Tk Tf
Para pasar de grados
Kelvin a Fahrenheit
usamos la siguiente
fórmula:
Para pasar a grados
Celsius usamos esta:
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° C =(5/9) (° F – 32)° F =(9/5) (° C) + 32
° K =° C + 273.16° C =° K – 273.16
° R =° F + 460° F = ° R - 460
1.2. Escalas de Temperaturas
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1.3.1. Propiedades Físicas-Densidad
¿Qué es la densidad?
La densidad relaciona la masa con el volumen(las dos propiedades de la materia).
Surge del cociente entre la masa de un objeto y su volumen.
= ( )
( )
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1.3.1. Densidad
La densidad se mide en unidades de masadivididas entre volumen:
Kilogramo/litro (kg/l)
gramo/mililitro (g/ml)
La densidad del agua es 1kg/l, significa que un
litro de agua pesaría 1kg.
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1.3.1. Densidad
No todas las sustancias tienen la mismadensidad.
Una bola de plomo pesa mucho más que unade goma, del mismo tamaño, porque ladensidad del plomo es mayor.
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1.3.1. Densidad
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Si colocamos en agua estas dos bolas, se
hundiría la de plomo. Por lógica, la densidad
del plomo es mayor que la del agua.
Como la densidad de la
goma es similar a la del
agua, la pelota de gomaflotaría. (Pesca)
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1.3.1. Densidad
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Esta es la densidad de algunas sustancias:
• Agua: 1 kg/l
• Aceite: 0,92 kg/l
• Alcohol: 0,78 kg/l
• Hierro: 7,9 kg/l• Plomo: 11,3 kg/l
¿Cuáles crees que flotarán en el agua?
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1.3.1. Densidad
En general la densidad depende de la temperatura y de la presión. En la mayoría de los gases esdirectamente proporcional a la presión einversamente a la temperatura. Para líquidos y sólidos que son esencialmente sustanciasincompresibles, la variación de su densidad con lapresión es por lo general despreciable.
Algunas veces la densidad de una sustancia seproporciona en relación con la densidad de unasustancia conocida. En ese caso se llama gravedad específica o densidad relativa.
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1.3.2. Peso Específico
Es frecuente escuchar un viejo chiste, ¿Qué pesamás, un kilo de plomo o un kilo de plumas?
La respuesta es sencilla, ambas pesan lo mismo, pues pesan un kilogramo.
Sin embargo es común que algún amigo
desprevenido responda que pesa más el kilo deplomo.
¿Cuál es la razón de su confusión?
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1.3.2. Peso Específico
Lo que confunde a las personas, es que un kilo deplomo ocupa mucho menos volumen que un kilo deplumas.
Es esta relación entre peso y volumen de un cuerpola que da origen a una nueva magnitud,Peso específico.
El peso específico de una sustancia es unamagnitud escalar cuyo valor se obtiene como elcociente entre el peso de un cuerpo macizo de dicha
sustancia y su volumen.
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1.3.2. Peso Específico
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1.3.3. Densidad Relativa
La densidad Relativa o Gravedad
Específica Es una comparación de la
densidad de una sustancia con la
densidad de otra que se toma como
referencia.
Ambas densidades se expresan en las
mismas unidades y en iguales
condiciones de temperaturas y
presión.
Es adimensional (sin unidades)
=
es la densidad absoluta
es la densidad de referencia
Tomada del libro de Y. Cengel
Mecánica de Fluidos
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1.3.4. Volumen Específico
El inverso de la densidad
es el volumen específico,
el cual se define como
volumen por unidad de
masa, es decir
Tomada del libro de Y. Cengel
Mecánica de Fluidos
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1.3.5. Viscosidad
Resistencia de un
líquido o gas a fluir
debido a la fricción que
se genera al moverse.
Los factores que afectanla viscosidad son:
Temperatura: a mayortemperatura, menor será
la viscosidad.
Fuerzas intermoleculares: mientras más fuertes mayor será la
viscosidad.
Geometría de la molécula: mientras más ramificaciones tenga lamolécula más viscosa será.
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1.3.6. Compresibilidad de Líquidos y Sólidos
Compresibilidad es la propiedadde la materia se disminuye su
volumen al someterlos a una
presión o compresión
determinada manteniendo
constantes otros parámetros.
La compresibilidad es un número positivo (sistema estable),
lo que significa que cuando se aumenta la presión sobre el
sistema, este disminuye su volumen.
El caso contrario se puede observar en sistemas inestables
por ejemplo en un sistema químico cuando la presión inicia
una explosión.
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1.3.6. Compresibilidad de Líquidos y Sólidos
Los sólidos a nivel molecular son muy difíciles de comprimir, yaque las moléculas que tienen los sólidos están muy pegadas y
existe poco espacio libre entre ellas como para acercarlas sin
que aparezcan fuerzas de repulsión fuertes.
Esta situación contrasta con la de los gases los cuales tienensus moléculas muy separadas y que en general son altamente
compresibles bajo condiciones de presión y temperatura
normales.
Los líquidos bajo condiciones de temperatura y presiónnormales son también bastante difíciles de comprimir aunque
presenta una pequeña compresibilidad mayor que la de los
sólidos.
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1.3.7. Tensión Superficial
Las moléculas de un líquido se atraen entre sí, de ahí que ellíquido esté “cohesionado” . Cuando existe una superficie, las
moléculas que están justo debajo de la superficie sienten
fuerzas hacia los lados, horizontalmente, y hacia abajo, pero no
hacia arriba, porque no hay moléculas encima de la superficie.
El resultado es que las moléculas que se encuentran en la
superficie son atraídas hacia el interior de éste.
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1.3.7. Tensión Superficial
Para algunos efectos, esta película de moléculas superficiales
se comporta en forma similar a una membrana elástica tirante
(la goma de un globo, por ejemplo). De este modo, es la
tensión superficial la que cierra una gota y es capaz de
sostenerla contra la gravedad mientras cuelga desde un
gotario
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1.3.7.
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1.3.8. Presión de Vapor
Comúnmente conocida como presión de saturación es la presióna la que cada temperatura las fases líquida y vapor se
encuentran en equilibrio, su valor es independiente de las
cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas.
En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominaciónde líquido saturado y vapor saturado.
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1.3.8. Presión de Vapor
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1.3.8. Dureza
Oposición que ofrecen los materiales a alteraciones como laabrasión, el rayado, la cortadura, las deformaciones
permanentes.
La dureza relativa de los minerales se determina gracias a la
escala de dureza de Mohs , nombre del mineralogista alemán
Friedrich Mohs que la ideó.
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1.3.8. DurezaLa dureza de una muestra se obtiene determinando quémineral de la escala de Mohs lo raya. Así, la galena, que
tiene una dureza de 2,5, puede rayar el yeso y es rayado
por la calcita. La dureza de un mineral determina en gran
medida su durabilidad.
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1.4. Definición de Fluido.
Compresibles e Incompresibles.Una sustancia existe en tres estados de agregación: sólido ,líquido y gas . (A temperaturas muy elevadas también existecomo plasma .) Una sustancia en la fase líquida o en la gaseosa se conoce como fluido .
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ESTADOS DE LA MATERIA CAMBIAN AL AGREGAR ADD) ENERGÍA
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1.4. Definición de Fluido.
Compresibles e Incompresibles.
Un flujo se clasifica como compresible o incompresible,
dependiendo del nivel de variación de la densidad del fluido
durante ese flujo.
La incompresibilidad es una aproximación y se dice que elflujo es incompresible si la densidad permanece aproximadamente constante a lo largo de todo el flujo.
Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del fluido
permanece inalterado sobre el curso de su movimiento cuandoel flujo (o el fluido) es incompresible.
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1.4. Definición de Fluido.
Compresibles e Incompresibles.En esencia, las densidades de los líquidos son constantes y,así, el flujo de ellos es típicamente incompresible.
Por lo tanto, se suele decir que los líquidos son sustancias incompresibles . Por ejemplo, una presión de 210 atm haceque la densidad del agua líquida a 1 atm cambie en sólo 1%
Por otra parte, los gases son intensamente compresibles . Porejemplo, un cambio de presión de sólo 0.01 atm causa uncambio de 1% en la densidad del aire atmosférico.
Cuando se analizan los cohetes, las naves espaciales y otros
sistemas en los que intervienen flujos de gas a velocidades
altas, la velocidad del flujo a menudo se expresa en términos
del número adimensional de Mach.
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1.4. Definición de Fluido.
Compresibles e Incompresibles.
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1.4. Definición de Fluido.
Compresibles e Incompresibles.
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Número de Mach se define como:
Donde c es la velocidad del
sonido cuyo valor es de346 m/s en el aire a
temperatura ambiente al nivel
del mar.
Se dice que el flujo es:
Sónico cuando = 1,
Subsónico cuando < 1,
Supersónico cuando > 1,
Hipersónico cuando ≫ 1.
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La diferencia entre un
sólido y un fluido se hace
con base en la capacidad
de la sustancia para
oponer resistencia a un
esfuerzo cortante (tangencial) aplicado quetiende a cambiar su
forma.
1.5. Distinción entre un Sólido y un Fluido
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En Gases y Líquidos (fluidos) laFuerza/Área se define como la presión
En Sólidos la presión se define comoEsfuerzo (Fuerza/Área)
¿Porque no se utiliza la definición deesfuerzo Normal y se utilizaespecíficamente la de esfuerzoCortante?
El esfuerzo normal en fluidos se aplicacon la tensión superficial, así que estetipo de esfuerzo se descarta parapoder diferenciar fluidos de sólidos.Sin embargo, se utiliza el esfuerzocortante ya que un fluido no lo
soporta
1.5. Distinción entre un Sólido y un Fluido
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1.5. Distinción entre un Sólido y un Fluido
Un sólido puede oponer resistencia a un esfuerzo cortanteaplicado por medio de la deformación, en tanto que un fluido se
deforma de manera continua bajo la influencia del esfuerzo
cortante, sin importar lo pequeño que sea.
En los sólidos, el esfuerzo es proporcional a la deformación,
pero en los fluidos el esfuerzo es proporcional a la razón de
deformación.
Cuando se aplica un esfuerzo cortante constante, llega un
momento en que un sólido, a un cierto ángulo fijo, deja dedeformarse, en tanto que un fluido nunca deja de deformarse y
tiende a cierta razón de deformación.
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1.6. Potencial Galvánico en los Materiales
Galvanizado o galvanización es el proceso electroquímico porel cual se puede cubrir un metal con otro.
Se denomina galvanización pues este proceso se desarrolló a
partir del trabajo de Luigi Galvani , quien descubrió en susexperimentos que si se pone en contacto un metal con una
pata cercenada de una rana, ésta se contrae como si
estuviese viva; posteriormente se dio cuenta de que cada
metal presentaba un grado diferente de reacción en la pata
de rana, lo que implica que cada metal tiene una carga
eléctrica diferente.
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1.6. Potencial Galvánico en los Materiales
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1.6. Potencial Galvánico en los Materiales
Más tarde ordenó los metales según su carga y descubrió quepuede recubrirse un metal con otro, aprovechando esta
cualidad (siempre depositando un metal de carga mayor
sobre otro de carga menor).
De su descubrimiento se desarrolló más tarde el galvanizado,
la galvanotecnia, y luego la galvanoplastia.
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1.6. Potencial Galvánico en los Materiales