Práctica 17 - Determinación del coeficiente de dilatación térmica PDF

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Enunciado de la práctica 17....

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PRÁCTICA Nº 17 Determinación

del coeficiente de dilatación térmica 1. INTRODUCCIÓN La temperatura es un factor externo de enorme importancia ya que afecta en mayor o menor grado las características de los materiales. Las propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas sufren cambios cuando la temperatura varía, por lo que los efectos térmicos sobre estas propiedades deberán tenerse en cuenta siempre a la hora de seleccionar el material idóneo y diseñar los elementos que con éste se produzcan. Cuando un sólido recibe energía en forma de calor, el material absorbe calor, lo transmite y se expande. Por el contrario, cuando lo desprende se contrae. Este fenómeno está relacionado con el coeficiente de dilatación α. Al aumentar la temperatura, los átomos vibran con mayor amplitud alrededor de su posición de equilibrio, provocando un aumento en la distancia interatómica d0 de equilibrio, haciendo aumentar las dimensiones del material. El cambio de dimensión dL que experimenta un material es proporcional a su longitud L y al cambio de temperatura dT según la expresión: dL = α LdT El conocimiento del coeficiente de expansión térmica o coeficiente de dilatación α permite determinar los cambios dimensionales que sufre el material como consecuencia de un cambio en su temperatura viene dado por la expresión: LT = LO (1 + α ΔT) Siendo LT y LO las longitudes del material a las temperaturas T y TO, e ΔT la diferencia de temperaturas T - TO. Se define el coeficiente de dilatación lineal

α como el alargamiento por unidad de longitud y temperatura experimentado por un material. Siendo ΔL la diferencia entre LT y LO, la deformación térmica ε(T) puede expresarse según la fórmula anterior: ε(T) = ΔL/LO = α ΔT OBJETIVO Determinar el coeficiente de dilatación térmica α en materiales metálicos. 3. EQUIPAMIENTO Para la realización de la práctica será necesario el siguiente equipamiento: 1) Dilatómetro: soportes de sujeción y comparador centesimal (1 div = 0.01 mm), 2) Regla para medir la longitud inicial de las muestras, 3) Termopar, 4) Unidad registradora de temperatura, 5) Resistencia calefactora, arrollada sobre las muestras. 4. MATERIAL Se dispone de los siguientes materiales: 1) Acero, 2) Cobre, 3) Latón (Cu40Zn), 4) Aleación de Aluminio. 5. PROCEDIMIENTO Medir con la regla la longitud inicial del material, que será la longitud LO (mm) de referencia a la temperatura que marque la unidad registradora del termopar. La varilla con la resistencia arrollada se coloca dentro de un tubo cerámico de protección, verticalmente y sobre una pieza cerámica que actúa de base rígida, tal como indica la figura 1. En la parte superior de la varilla se posiciona el comparador, figura 1, y se ajusta el cursor a 0 o lo más próximo que se pueda. En el caso de no conseguir que el cursor se posicione en 0, apuntad el valor que señala éste.

Dicho valor de ajuste se restará de todas las lecturas ΔL si fuese “+” o se sumará si “-“.

valores de alargamiento, en intervalos de 0.05 mm. El último valor de temperatura será el próximo a la temperatura inicial o de partida. 6. CÁLCULOS

Figura 1. Colocación de la muestra.

Conectar la sonda térmica o termopar a la unidad registradora, y el elemento calefactor al regulador, figura 2. Anotad el valor de la temperatura TO. Realizad los últimos ajustes a 0 del comparador.

Figura 2. Regulador (A) y unidad registradora (B).

Conectad el regulador a la red y accionar la rueda de suministro de potencia. ATENCIÓN: NO TOCAR la resistencia calefactora que arrolla el material. PELIGRO: QUEMADURA. Anotad valores de temperatura cada vez que el cursor del comparador marque las divisiones 5, 10, 15 etc… Recordad que 1 división equivale a 0.01 mm. Por tanto, el comparador nos indica el valor ΔL, que representa la dilatación durante el calentamiento. Sobrepasada la temperatura de 160 ºC, desconectar el regulador y dejar que el material comience a enfriar. Anotad de la misma forma, la temperatura y los

Anotad los datos obtenidos a lo largo del desarrollo de la práctica en la Tabla de Datos, tanto para el calentamiento como para el enfriamiento. Representar en sendas gráficas ΔL/LO frente a ΔT. Determine la pendiente de la gráfica anterior con aplicaciones tipo excell u otras, así como su coeficiente de regresión o ajuste R2. A partir de la pendiente, calcule el coeficiente de dilatación térmica. 7. CUESTIONES 1. ¿Qué relación existe entre la pendiente de la recta ΔL/LO = f(ΔT) y el coeficiente de dilatación térmica α? 2. ¿Cuál es el valor del coeficiente de dilatación térmica de cada material ensayado? 3. Si suponemos un comportamiento elástico, demuestra cual es la relación entre la tensión σ, el módulo elástico E y el coeficiente α de un material que dilata libremente al incrementar su temperatura. 8. PROBLEMA Una barra de acero de 200 mm de longitud y 14 mm de diámetro experimenta un calentamiento desde 15 ºC hasta 55 ºC. Si su coeficiente de dilatación lineal es 11.5x10-6 ºC-1, calculad: 1) alargamiento ΔL, 2) deformación ε, 3) tensión σ si el módulo elástico E vale 205 GPa (*), 4) ¿Se ha sobrepasado el límite elástico σy = 425 MPa? 5) ¿La deformación térmica se corresponde con un comportamiento elástico o plástico del material? (*) 1 GPa = 103 MPa = 103 Nmm-2.

Grupo: Apellidos, Nombre

TABLA DE DATOS MATERIAL:

Temperatura, T(ºC)

Día:

Hora: Firma

To (ºC) =

Ajuste del cursor

Lo (mm) =

a “0” =

ΔT (ºC)

ΔL (mm)

ΔL/L (10-3)

mm

-3

ΔL/LO (10 mm)

ΔT (ºC)...