Dilatacion Termica
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Dilatacion Termica

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Dilatacion Termica Document Transcript

  • 1. ERICK CONDE PARALELO 4 OBJETIVOS Determinar el coeficiente de expansión lineal de diferentes materiales. RESUMEN Mediante esta práctica estudiaremos la expansión lineal de un sólido como consecuencia del cambio de la temperatura, calculando también su coeficiente de expansión lineal. INTRODUCCIÓN Sucede a menudo que podemos aflojar una tapa de metal apretada de un frasco sometiéndola a la acción de un chorro de agua caliente. Al elevarse loa temperatura, la tapa de metal se dilata ligeramente con relación al frasco del vidrio. No siempre es deseable la dilatación térmica, las tuberías de las refinerías suelen tener un bucle de expansión, con el fin de que la tubería no se deforme al elevarse la temperatura. Los materiales usados para obturaciones dentales tiene la propiedad de dilatación similares a la de los esmaltes de los dientes. En la fabricación de aeroplanos se diseñan a menudo remaches y otros afianzadores de modo que deben ser enfriados en hielo seco antes de su inserción, dejando luego que se dilaten para logra el ajuste perfecto. Los termómetros y los termostatos pueden estar basados en al diferencia de dilatación entre los componentes de una laminilla bimetálica; véase en la figura adjunta.
  • 2. ERICK CONDE PARALELO 4 Laminilla bimetálica, que consta de una laminilla de latón y una laminilla de acero soldadas entre sí, a temperatura T0. A temperaturas más altas de T0 se dobla como se muestra; a temperaturas más bajas se dobla en sentido opuesto. Muchos termostatos funcionan según este principio, usando el movimiento del extremo de la laminilla para formar o romper un contacto térmico En un termómetro de tipo bastante común, la laminilla bimetálica tiene forma helicoidal, de modo que se enrolla y desenrolla con los cambios de temperatura; véase en la figura adjunta. Termómetro basado en una laminilla bimetálica. L a laminilla tiene forma helicoidal, que se enrolla y desenrolla al cambiar la temperatura.
  • 3. ERICK CONDE PARALELO 4 Los conocidísimos termómetros de líquido dentro del vidrio se basan en el hecho de que líquidos tales como el mercurio o el alcohol se dilatan en un grado diferente (mayor) de lo que hacen sus recipientes de vidrio. Podemos entender esta dilatación considerando un modelo sencillo de la estructura de un sólido cristalino. Los átomos se mantienen juntos en un arreglo regular por medio de fuerzas eléctricas, que son como las que serian ejercidas por un conjunto de resortes que uniesen a los átomos. Podemos entonces formarnos un a imagen del cuerpo sólido como si fuera un colchón de resortes microscópicos. Estos “resortes” son bastantes rígidos y no son ideales en absoluto, existiendo alrededor de 1023 de ellos por centímetro cúbico. Los átomos de los sólidos están vibrando a cualquier temperatura. L amplitud de las vibraciones es de alrededor de 10-9 cm, mas o menos un décimo de un diámetro atómico, y la frecuencia es de alrededor de 10-13 Hz.
  • 4. ERICK CONDE PARALELO 4 Cuando aumenta la temperatura, los átomos vibran con una amplitud mayor, y la distancia promedio entre los átomos aumenta. Un sólido se comporta en muchos sentidos como si fuese una colección de átomos unidos por fuerzas elásticas (representadas aquí por resortes) Esto conduce a una dilatación de todo el cuerpo sólido. El cambio en cualquier dimensión lineal del sólido, tal como su longitud, su ancho, o su espesor, se llama dilatación lineal. Si la longitud de esta dimensión lineal es L, el cambio de temperatura ∆T causa un cambio en la longitud ∆L. Por medio de la experimentación hallamos que, si ∆T es lo suficiente pequeña, este cambio de longitud ∆L es proporcional al cambio de temperatura ∆T y a la longitud L. Por lo tanto, podemos escribir ∆l = α L ∆T (Expansión térmica lineal) Donde α, llamada el coeficiente de dilatación térmica lineal, tiene valores diferentes para materiales diferentes de modo que α tiene el significado de un cambio fraccionario en longitud por grado de cambio de temperatura.
  • 5. ERICK CONDE PARALELO 4 Teniendo en cuenta estas ideas, debería serle usted posible demostrar que, con un alto grado de presicion, el cambio fraccionario en el área A por cambio de temperatura en grados de un sólido isotrópico es 2α, es decir ∆A = 2α A ∆T (Expansión térmica superficial) Un aumento en la temperatura suele aumentar el volumen de materiales tanto líquidos como sólidos. Al igual que en la expansión lineal, se ha visto experimentalmente que, si el cambio de temperatura ∆T no es muy grande, el aumento de volumen es aproximadamente proporcional a v y al volumen inicial V0 ∆V = β V0 ∆T (Expansión térmica volumétrica) La constante β se caracteriza las propiedades de expansión de volumen de un material dado; se llama coeficiente de expansión volumétrica. Las unidades de β y α son (1/K) ó (1/ºC) PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL EQUIPO UTILIZADO • Dispositivo para dilatación térmica • Generador de vapor • Regla • Termómetro
  • 6. ERICK CONDE PARALELO 4 A) MEDICIÓN DEL COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL DE UN SÓLIDO. 1. Disponga los aparatos en la forma indicada en la figura. 2. Mida la longitud inicial L1 de la varilla y regístrela en el informe de esta práctica. 3. Tome la lectura inicial de la temperatura ambiente. 4. Encere la escala. 5. Conecte la manguera del generador de vapor, espere que salga vapor y déjelo escapar por un minuto o más. Tome entonces varias lecturas en la escala y anote la temperatura en el desfogue
  • 7. ERICK CONDE PARALELO 4 RESULTADOS • TABLA DE DATOS L1 (m) ∆X (mm) T1 (ºC) T2 (ºC) 0.487 ± 0.005 33.0 ± 0.5 26.0 ± 0.1 98.0 ± 0.1 0.487 ± 0.005 24.0 ± 0.5 26.0 ± 0.1 98.0 ± 0.1 Incremento en la longitud de la barra (e) ∆x ∆(∆x) e = ∆e = 50 50 e1 = ∆X1/50 ∆e1 = ∆(∆x1)/50 e1 = 33.0/50 ∆e1 = 0.5/50 e1 = 0.66 mm ∆e1 = 0.01 mm e2 = ∆X2/50 ∆e2 = ∆(∆x2)/50 e2 = 24.0/50 ∆e2 = 0.5/50 e2 = 0.48 mm ∆e2 = 0.01 mm
  • 8. ERICK CONDE PARALELO 4 Coeficiente de dilatación lineal de la varilla e ∆e[ L(T 2 − T 1)] + e[ ∆L(T 2 − T 1) + ( ∆T 2 + ∆T 1)] a = L(T 2 − T 1) ∆a = [ L(T 2 − T1)] ² a1 = e1 / L(T2- T1) a1 = 0.66*10-3/ 0.487(98-26) a1 = 1.8*10-5 (ºC) -1 ∆a1 = [ ∆e1[L(T2-T1)] + e1[ ∆L(T2-T1)+(∆T2+∆T1)]] / [L(T2-T1)] 2 ∆a1 = [0.01*10-3 [0.487(98-26)] + 0.66*10-3[0.1(98-26)+(0.1+0.1)]] / [0.487(98-26)] 2 ∆a1 = 0.4*10-5 (ºC) -1 a2 = e2 / L(T2- T1) a2 = 0.48*10-3/ 0.487(98-26) a2 = 13.2*10-6 (ºC) -1 ∆a2 = [ ∆e2[L(T2-T1)] + e2[ ∆L(T2-T1)+(∆T2+∆T1)]] / [L(T2-T1)] 2 ∆a2 = [0.01*10-3 [0.487(98-26)] + 0.48*10-3[0.1(98-26)+(0.1+0.1)]] / [0.487(98-26)] 2 ∆a2 = 0.3*10-6 (ºC) -1 a1 = (1.8 ± 0.4) *10-5 [ºC] -1 a2 = (13.2 ± 0.3) *10-6 [ºC] -1
  • 9. ERICK CONDE PARALELO 4 ERROR DE LA PRÁCTICA ρ teórico (cobre) = 1.7 * 10-5 (ºC) -1 teórico − exp erimental %= teórico 1.7 − 1.8 %= 1.7 * 100 % % = 5.88 ρ teórico (hierro) = 12.0 * 10-6 (ºC) -1 teórico − exp erimental %= teórico 12.0 − 13.2 %= 12.0 * 100 %
  • 10. ERICK CONDE PARALELO 4 % = 10 DISCUSIÓN Los cálculos que realizamos arrojaron como resultado (1.8 ± 0.4) *10-5 [ºC] -1 y (13.2 ± 0.3) *10-6 [ºC] -1 por lo que podemos decir que corresponde al coeficiente de dilatación térmico del cobre y el hierro respectivamente, pero como toda práctica se presentan errores, donde fue en un 5.88% y 10% respectivamente, surgen por ciertos factores que se deben considerar, como es al momento de medir la longitud inicial de la varilla y la temperatura inicial, ya sea por el mal uso de los instrumentos, o por la falta de presición al momento de registrar las mediciones. Elegir bien nuestro sistema de referencia, no deben existir fuerzas horizontales de compresión sobre los extremos de la varilla además no debe tener ondulaciones, el material no debe poseer aleaciones y su densidad debe ser homogénea, tratar de ser lo mas preciso al tomar la temperatura final (temperatura a la que se dilata el cuerpo). Teniendo en cuenta todas esta consideraciones nuestra practica será lo mas precisa permitiéndonos acercarnos mas a los valores deseados
  • 11. ERICK CONDE PARALELO 4 CONCLUSIÓN Gracias a la práctica se pudo determinar el coeficiente de expansión lineal de diferentes cuerpos que en nuestro caso resulto ser el cobre y el hierro. Los efectos comunes de cambios de temperatura son cambio de tamaño y de estado de materiales. Cuando aumentamos la temperatura se incrementa la distancia media entre los átomos debido a la absorción de energía, esto conduce a la dilatación del cuerpo sólido conforme se eleva la temperatura. Por lo que observamos que el coeficiente de dilatación térmica lineal es una constante de proporcionalidad que relaciona la dilatación con la variación de temperatura y ésta constante es propia de cada material. ANEXOS a) De acuerdo a los resultados obtenidos, ¿de qué metal está hecho la varilla? Explique. Una vez realizado todos los cálculos, los resultados que obtuvimos se asemejan al coeficiente de dilatación térmica del cobre y del hierro, por lo que podemos concluir que están hechos de estos materiales. b) Tomando en cuenta el aparato que utilizó, señale por qué no se obtuvo una concordancia exacta en la pregunta anterior. Debido al mal uso del equipo, como también no ser, precisos al momento de registrar las mediciones, elegir bien nuestro sistema de referencia, las temperaturas tomadas deben ser
  • 12. ERICK CONDE PARALELO 4 lo mas precisa para que nuestros resultados se aproximen a los deseados. c) Indique alguna aplicación práctica de utilizar una varilla bimetálica En los interiores de los termostatos existe una varilla bimetálica, que consta de una laminilla de latón y una laminilla de acero soldadas entre sí. A temperaturas más altas de T0 se doblan; a temperaturas más bajas se doblan en sentido opuesto, usando el movimiento del extremo de la varilla se puede formar o romper un contacto térmico. d) ¿Por qué no es conveniente llenar completamente el tanque de gasolina de un automóvil? Cuando el automóvil está en funcionamiento, se calienta, producto de este calentamiento, la gasolina en el interior del vehículo se expande, por lo que al momento de llenar el tanque se lo hace parcialmente, ya que si se lo haría por completo la gasolina se derramaría o podría provocar el rompimiento del tanque de gasolina a cambien de esta expansión volumétrica. BIBLIOGRAFÍA  Sears, Zemansky, Young y Freedman. Física universitaria.  Alonso, M. y Finn, E. Física Pearson.  http://www.monografias.com/  Serway. Fisica universitaria.
  • 13. ERICK CONDE PARALELO 4 FOTOS DE LA PRÁCTICA
  • 14. ERICK CONDE PARALELO 4
  • 15. ERICK CONDE PARALELO 4