Dilatacion termica - Nota: 4,5 PDF

Preview

Summary

En la presente práctica de dilatación térmica, donde se verifica el valor del coeficiente de dilatación térmica lineal para el cobre, acero, aluminio y bronce. Para ello se usó un sensor del cambio de longitudes en varillas, donde se colocó cada una de las varillas, luego en un extremo de cada var...

Description

DILATACIÓN TÉRMICA _________________________________________________________________________________________

Resumen En la presente práctica de dilatación térmica, donde se verifica el valor del coeficiente de dilatación térmica lineal para el cobre, acero, aluminio y bronce. Para ello se usó un sensor del cambio de longitudes en varillas, donde se colocó cada una de las varillas, luego en un extremo de cada varilla se puso una manguera que estaba conectada a un dispositivo generador de calor, donde se observó el delta de la longitud la temperatura inicial en el termómetro y la final tomados cuando la fecha dejará de moverse se tomó el delta de la longitud de cada varilla obteniendo el siguiente dilatación en y un margen de error de cada una de estas varillas que están desde 16% a 58% esto debido a que la toma de datos no fue la mejor y la medición con los termómetros no era tan buena. Palabras claves: Dilatación térmica, coeficiente de expansión lineal, coeficiente de dilatación volumétrica , variación de la temperatura y variación de la longitud. Abstract In the present practice of thermal expansion, where the value of the coefficient of linear thermal expansion for copper, steel, aluminum and bronze is verified. For this, a sensor of the change of lengths in rods was used, where each of the rods was placed, then at one end of each rod a hose was placed that was connected to a device generating of heat, where the delta of the length the initial temperature in the thermometer and the final taken when the date will stop moving the delta of the length of each rod is obtained obtaining the following dilation in and a margin of error of each one of these rods that are from 16% to 58 % this because the data collection was not the best and the measurement with the thermometers was not so good. Keywords: Thermal expansion, coefficient of linear expansion, coefficient of volumetric expansion, variation of temperature and variation of length. predominan en el cuerpo, podemos distinguir tres 1. Introducción casos: El calor que se comunica a un cuerpo que se divide 1. Dilatación lineal en dos partes: una que se conserva y es perceptible, 2. Dilatación superficial que calienta el cuerpo y la otra que desaparece en 3. Dilatación volumétrica cuanto al calor, que se transforma en Trabajo mecánico, cuyo resultado es el aumento del Dilatación lineal volumen o dilatación demostrable que se da a conocer por esta práctica. Se produce cuando predomina una dimensión Se aplicara calor a las varillas de cobre, frente a las otras dos. Ejemplos de cuerpos que se acero,aluminio y bronce y observamos su dilatan linealmente son: varillas, alambres, dilatación lineal , ya que el material está barras…La dilatación lineal de un cuerpo viene constituido, ya que el material está constituido por dada por la expresión: átomos, entre mas lejos estén los unos de los otros, Observa que, aunque la unidad de temperatura en el se atraen y entre más cerca se repelen. Entonces al Sistema Internacional es el kelvin, por comodidad aplicar el cambio de temperatura en una varilla los también se usa el ºC, en cuyo caso el coeficiente de átomos que la componen, aceleran su movimiento, dilatación lineal λ se expresa en ºC-1, aunque su así chocando unos con otros. Por esto la varilla valor es el mismo. tiende a cambiar su longitud para que sus átomos vuelven a estar estables. La dilatación lineal es aquella en la cual predomina la variación en una única dimensión, o sea, en el 2. Marco teórico ancho, largo o altura del cuerpo. De entre los estados de agregación de la materia Para estudiar este tipo de dilatación, imaginemos estudiados, el estado sólido es el que tiene las una barra metálica de longitud inicial L0y fuerzas de cohesión más fuertes, por lo que resulta temperatura θ0. más difícil observar la dilatación que en líquidos y gases. En función del número de dimensiones que

Si calentamos esa barra hasta que la misma sufra una variación de temperatura Δθ, notaremos que su longitud pasa a ser igual a L (conforme podemos ver en la siguiente figura):

Matemáticamente podemos decir que la dilatación es:

Δ L=L−L0 (1) Pero si aumentamos el calentamiento, de forma de doblar la variación de temperatura, o sea, 2Δθ, entonces observaremos que la dilatación será el doble (2 ΔL).Podemos concluir que la dilatación es directamente proporcional a la variación de temperatura.Imaginemos dos barras del mismo material, pero de longitudes diferentes. Cuando calentamos estas barras, notaremos que la mayor se dilatará más que la menor.Podemos concluir que, la dilatación es directamente proporcional al larco inicial de las barras. Cuando calentamos igualmente dos barras de igual longitud, pero de materiales diferentes, notaremos que la dilatación será diferentes en las barras. Podemos concluir que la dilatación depende del material (sustancia) de la barra. De los ítems anteriores podemos escribir que la dilatación lineal es:

Δ L=L o α ΔT

Cobre

17 x 10−6

Níquel

18 x 10

Acero

11 x 10−6

Bronce

19 x 10

−6

−6

Tabla 1. Coeficientes de dilatación lineal (α) teóricos de los materiales utilizados en la práctica Fuente:Datos suministrados por el laboratorista.

3. Montaje, procedimiento y tabla de datos. partiendo de un montaje que consiste en un aparato para medir la dilatación, se mide primero la longitud de la varilla, después la temperatura inicial de la varilla con el termómetro, seguidamente se pone la varilla en el montaje de modo que levemente roce con el tornillo micrométrico, se conecta la varilla con el calentador de agua por medio de una manguera para que así todo el vapor de agua pase y comience a calentar la varilla, así poder provocar la dilatación de esta, después de que se estabilice se lee el dato que arroja el tornillo micrométrico obteniendo en mm el aumento de la longitud de la varilla, finalmente se mide la temperatura de la varilla, este procedimiento se realizó con las distintas varillas dadas en el laboratorio. Varilla

Lo (cm) ± 0,05

ΔL(cm) ± 0,005

To (°C) ± 0,5

Tf(°C) ± 0,5

Cobre

60.2

0.07

19

91

Níquel

60.2

0.067

19

90

Acero

60.2

0.06

19

91

Bronce

60.2

0,08

19

92

(2) del material de la varilla.

Donde L0 es la longitud inicial de la varilla y α es el coeficiente de dilatación lineal Coeficientes de dilatación lineal (α): Es el cociente que mide el cambio relativo de longitud o volumen que se produce cuando un cuerpo sólido o un fluido dentro de un recipiente cambia de temperatura provocando una dilatación térmica. partiendo de la la ecuación (1) y (2) se puede encontrar el coeficiente de dilatación que está dada por:

Tabla 2. Datos experimentales para encontrar el coeficiente lineal de un material determinado

Se busca los deltas de temperatura a partir de la siguiente ecuación:

ΔT =T F −T 0 Cobre

ΔT =91 −19 ΔT =72 Níquel:

(3)

ΔT =71 Acero:

Material varilla

α=(° c −1 )

ΔT =72

(4)

Bronce:

ΔT =¿ 73 A Partir de la ecuación (3) se encuentran los Coeficientes de dilatación lineal (α) experimentales de cada material. Cobre

α=

0,07 60.2∗72

α=16.15 x 10−6 Níquel:

α=

0,067 60.2∗71

α=15.67 x 10−6 Bronce:

α=

0,08 60.2∗72

α=18.2 x 10−6 Acero:

α=

0,06 60.2∗73

α=13.84 x 10−6 Los datos obtenidos midieron el cambio relativo de la longitud de las varillas cuando estas al cambiar de temperatura provocan una variación en su dimensión métrica. Ya teniendo el α teórico y experimental se halla el porcentaje de error:

% Error=

Material varilla

V t e ó rico−V experimental ∗100 V te ó rico −1

α=(c teóricos

−1

α=( c )

−

17 x 10

Níquel

18 x 10

Acero

11 x 10

Bronce

19 x 10−

−

−

Una de las posibles causas de este error fue la distribución no uniforme del calor producido por el vapor de agua para todas las partes de cada varilla, ocasionando así que algunas partes de la varilla estén más dilatadas que otras, generando una dilatación no uniforme. Debido a que el coeficiente de dilatación es una constante para cada material; la dilatación va a depender única y exclusivamente de ΔT y L0.

% Er

5. Conclusiones −6

5

−6

13

−6

26

16.15 x 10

15.67 x 10

13.84 x 10

18.2 x 10−6

5

Tabla 3. coeficientes de dilatación lineal de los materiales y su porcentaje de error.

4. Análisis

los valores de los errores obtenidos tuvieron un porcentaje alto, esto debido a que en el momento de la toma de datos, los registros obtenidos con el termómetro no fueron los mejores puesto que en algunos variaba la temperatura y de pronto una mala interpretación del equipo que media la dilatación, cabe resaltar que al momento de realizar algunas tomas de temperatura el termómetro no registraba la temperatura adecuada debido a que no se encontraba calibrado correctamente, Sin embargo se debe tener en cuenta que la tabla consultada muestra los valores a una temperatura de 20°C siendo que Bogota D.C. tiene una temperatura promedio de C°, así que no sabemos cuánta es la afectación de las condiciones atmosféricas en estos procesos.

(%)

experimentales

Cobre

Se sabe que para tener una dilatación homogénea este debe estar a condiciones constantes, elevarse la temperatura lentamente, la aplicación de calor debe ser de forma regular, presentar buena conducción y que el material debe tener una composición casi pura, se puede ver que el coeficiente de dilatación térmica para cada tipo de material no es igual en todos, ya que esta representa una magnitud que depende esencialmente de la cantidad de energía que adquieran o pierdan sus moléculas por los cambios de temperatura a la cual estos se encuentran sometidos. y en base a esto se puede ver que este tiende a ser uno de los mayores causantes de los errores obtenidos, puesto que no se sabe que tan puro es el material de las varillas utilizadas.

En esta práctica de laboratorio se pudo observar que el coeficiente de dilatación térmica lineal para cada tipo de material no es igual para todos, ya que es una magnitud de energía que adquieran o pierdan sus moléculas por sus cambios de temperatura. De acuerdo a la práctica se concluye que los materiales se dilatan cuando experimentan aumento de temperatura y que este coeficiente es diferente para cada material adopta diferentes características. La densidad de cada material tiene una influencia en el coeficiente de dilatación de cada cuerpo.

6. Referencias. [1]

vaxasoftware.Coeficientes de dilatación térmica. Disponible en: lineal.http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/fis/coefidil at.pdf. [2] Varela, D. Bustamante, M. Dueñas, J. Vinasco, M. (2014), Guías para prácticas experimentales de Física: Ondas y termodinámica básica. Bogotá, Colombia. Universidad de la Salle. [3] Sears, F. (2009).Física universitaria con física moderna, Vol. 1, Doceava Edición, PEARSON EDUCACION, México....