Práctica 8 Lab Fisica II PDF

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UNIVERSIDAD AUTONÓMA DENUEVO LEÓNFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICAPrácticaDilatación Térmica.Equipo:Semestre: 4toIngeniero: José Ángel Gaitán Sandoval.Materia: Laboratorio de Física II.Brigada: 118Frecuencia: lunesHora: N3-NAgosto – diciembre 2021Hipótesis.Al aumentar la temperatura de la ...

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UNIVERSIDAD AUTONÓMA DE NUEVO LEÓN FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

Práctica #8 Dilatación Térmica.

Equipo: #2 Semestre: 4to Ingeniero: José Ángel Gaitán Sandoval. Materia: Laboratorio de Física II.

Brigada: 118 Frecuencia: lunes Hora: N3-N4

Agosto – diciembre 2021 Hipótesis.

Cd Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, 18 de octubre del 2021

Al aumentar la temperatura de la varilla esta se verá afectada en su longitud ya que esta será mayor que antes de empezar a calentarla, si esta se le baja la temperatura la longitud de la varilla será menor.

Cd Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, 18 de octubre del 2021

Marco Teórico. La dilatación térmica es el proceso por el cual los cuerpos aumentan su volumen debido a su temperatura. Afecta a todos los estados de agregación de la materia.

¿Por qué se dilatan los cuerpos? Cuando un cuerpo aumenta su temperatura, las partículas se mueven más deprisa, por lo que necesitan más espacio para desplazarse. Es por ello por lo que el cuerpo necesita aumentar su volumen. Cuando en lugar de aumentar, la temperatura disminuye, el volumen del cuerpo también lo hace, hablándose en estos casos de contracción térmica. Estos fenómenos son especialmente importantes a la hora de fabricar determinadas estructuras como por ejemplo las vías de tren. Las industrias que fabrican los rieles los entregan con una longitud de unos 12 m. Es necesario unirlos (generalmente abulonados) para formar las vías. Durante el día la temperatura ambiente que pueden llegar a soportar ronda entorno a los 40° e incluso el acero puede alcanzar una temperatura muy superior. Dicha temperatura provoca dilataciones en las vías favoreciendo que en las uniones se provoquen deformaciones. Por esta razón, justamente en dichas uniones se deja una separación de unos 5 mm denominado junta de dilatación.

Dilatación de sólidos De entre los estados de agregación de la materia estudiados, el estado sólido es el que tiene las fuerzas de cohesión más fuertes, por lo que resulta más difícil observar la dilatación que en líquidos y gases. En función del número de dimensiones que predominan en el cuerpo, podemos distinguir tres casos: 1. Dilatación lineal 2. Dilatación superficial 3. Dilatación volumétrica

1. Dilatación lineal Se produce cuando predomina una dimensión frente a las otras dos. Ejemplos de cuerpos que se dilatan linealmente son: varillas, alambres, barras... l=l0⋅(1+λ⋅ΔT) Donde:  



l, l0: Longitud final e inicial respectivamente del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro (m) λ: Coeficiente de dilatación lineal. Es específico de cada material y representa el alargamiento que experimenta la unidad de longitud de un sólido, cuando su temperatura se eleva 1 K. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el K-1, aunque también se usa el ºC-1 ∆T: Incremento de temperatura que experimenta el cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin (K), aunque también se usa el ºC.

Cd Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, 18 de octubre del 2021

Valores típicos del coeficiente de dilatación El coeficiente de dilatación en el caso de los líquidos suele mantenerse constante para cambios de temperatura ∆T menores de 100 grados. Algunos valores típicos para el coeficiente de dilatación lineal son:

2. Dilatación superficial Se produce cuando predominan dos dimensiones (una superficie) frente a una tercera. Ejemplos de cuerpos que se dilatan superficialmente son: láminas, planchas... S=S0⋅(1+σ⋅ΔT) Donde:  



S, S0: Área final e inicial respectivamente del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro al cuadrado (m2) σ: Coeficiente de dilatación superficial. Es específico de cada material y representa el aumento de superficie de un sólido de área unidad, cuando su temperatura se eleva 1 K. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el K-1, aunque también se usa el ºC-1 ∆T: Incremento de temperatura que experimenta el cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin (K), aunque también se usa el ºC.

3. Dilatación volumétrica o cúbica Se produce cuando las tres dimensiones del cuerpo son igualmente relevantes. Ejemplos de cuerpos que se dilatan de modo volumétrico son: los dados del parchís, o las estatuas de los jardines ... La dilatación volumétrica de un cuerpo viene dada por la expresión:

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V=V0⋅(1+γ⋅ΔT) Donde:  



V, V0: Volumen final e inicial respectivamente del cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el metro al cubo (m3) γ: Coeficiente de dilatación volumétrica o cúbica. Es específico de cada material y representa el aumento de volumen de un sólido de volumen unidad, cuando su temperatura se eleva 1 K. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el K-1, aunque también se usa el ºC-1 ∆T: Incremento de temperatura que experimenta el cuerpo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el kelvin (K), aunque también se usa el ºC.

Cd Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, 18 de octubre del 2021

Cálculos y Procedimiento: Equipo a utilizar: - Baño de temperatura con termómetro incluido. - Barras de diferentes materiales. - Micrómetro/palpador. Formulas a utilizar:

Lf = Li+∝ Li ∆ T Expansión térmica lineal Donde:  Lf =Longitud final  Li=Longitud inicial  ∝=Coeficiente de expansióntérmica ( tablas )  ∆ T =Diferencia de temperatura(∆ T =T f −T i)

Procedimiento: Se despeja el coeficiente de expansión ( ∝ ) y ese valor es el que, al compararlo en la tabla, nos dirá que material estamos utilizando.

∝=

Lf −Li ∆L ∆ T = Lf − Li deformación∝= Li ∆ T Li ∆ T

Cálculos: 

Caso 1:

Li=520 mm ∆ L=0.05 mm T i =25.5° C T f =30.0 ° C

∝=

∆L Li ∆T

∝=

0.05 0.05 mm 0.05 mm = = 520 mm(30 ° C−25.5 ° C ) 520 mm ( 4.5° C ) 2340 °C −1

∝=0.00000214 ° C ∝=2.14 X 10−6 ° C−1

Li=520 mm ∆ L=0.13 mm T i =25.5° C T f =35.5 ° C

∝=

∆L Li ∆T

∝=

0.13 0.13 mm 0.13 mm = = 520 mm(35.5 ° C−25.5 °C ) 520 mm ( 10 °C ) 5200 ° C

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−1

∝=0.000025 °C ∝=25 X 10−6 ° C−1 Li=520 mm ∆ L=0.16 mm T i =25.5° C T f =37.5 ° C

∝=

∆L Li ∆T

∝=

0.16 0.16 mm 0.16 mm = = 520 mm(37.5 ° C−25.5 °C ) 520 mm ( 12 °C ) 6240 ° C −1

∝=0.00002564 ° C −6 −1 ∝=25.64 X 10 ° C

Caso 2:

Li=520 mm ∆ L=0.02mm T i =42 °C T f =45 °C

∝=

∆L Li ∆T

∝=

0.02 0.02mm 0.02 mm = = 520 mm(45 °C−42° C ) 520 mm ( 3 °C ) 1560 ° C −1

∝=0.00001282 °C ∝=12.82 X 10−6 °C−1

Li=520 mm ∆ L=0.05 mm T i =42 °C T f =49 °C

∝=

∆L Li ∆T

∝=

0.05 0.05mm 0.05 mm = = 520 mm(49 °C−42° C ) 520 mm ( 7 °C ) 3640 ° C

∝=0.00001374 ° C−1 −6 −1 ∝=13.74 X 10 ° C

Li=520 mm ∆ L=0.07 mm T i =42 ° C T f =50.5 ° C

∝=

∆L Li ∆T

∝=

0.07 0.07 mm 0.07 mm = = 520 mm (50.5 ° C−42 °C ) 520 mm ( 8.5 ° C ) 4420 ° C −1

∝=0.00001584 ° C ∝=15.84 X 10−6 ° C−1 Cd Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, 18 de octubre del 2021

Material Utilizado: Aluminio

Conclusión de la hipótesis: Analizamos un sistema de dilatación lineal para calcular el coeficiente de dilatación de una varilla metálica, como objetivo principal de esta práctica fue el observar que la dilatación de la varilla metálica sea proporcional a la variación de temperatura a la cual fue sometida la varilla. La hipótesis que fue planteada sobre los metales y su dilatación finalmente después de realizar la práctica se pudo corroborar que fue verídica, gracias al trabajo en equipo y mucho empeño logramos concluir esta práctica satisfactoriamente. Tenemos como nombre que la “dilatación lineal” es la variación de la longitud que tiene un cuerpo, como respuesta a la variación que da la temperatura. Todos los cuerpos pueden dilatarse, pero los cálculos se aplican principalmente, a los metales. Como un ejemplo podemos mencionarles el simple hecho de la expansión térmica en las vías del tren, estás están sujetas a temperaturas extremadamente altas a medida que pasan los vagones y la agitación de sus átomos hace que el ferrocarril se expanda. Considerando el coeficiente de dilatación encontrado en su instalación, resolver el siguiente problema: Se tiene una varilla de 4 m de longitud a 20°C. Se colocará en una instalación tecnológica que trabaja normalmente a 200°C. ¿Cuál será la longitud de la varilla a esa temperatura?

L f = L i + Li ∆ T ∝ −5

2.564 X 10 ) Lf =4 m +(4 m )(200 °C−20 ° C)¿ Lf =4.0185 m

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Responder a las siguientes preguntas: 

Concluya acerca del comportamiento de los materiales durante un proceso de calentamiento.

Durante el calentamiento los materiales tienden a dilatarse haciendo que sufran un cambio físico a lo largo y ancho, cada material tiene un coeficiente de dilatación lineal diferente. 

¿Es importante para las instalaciones tecnológicas tener en cuenta las variaciones de las dimensiones de los materiales sometidos a cambios de temperatura? Sí o No y por qué.

Sí, es importante porque cada material reacciona diferente a los cambios de temperatura por esto hay que estar consciente del material que se va a usar para obtener el mejor provecho de sus propiedades.

Cd Universitaria, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, 18 de octubre del 2021

Bibliografías: Fernández, J. L. (14 de octubre de 2021). fisicalab. Obtenido de fisicalab: https://www.fisicalab.com/apartado/dilatacion-termica illbruck. (14 de octubre de 2021). Obtenido de illbruck: https://www.illbruck.com/es_ES/servicio/blog/dilatacion-termica-materiales/ Zapata, F. (10 de mayo de 2021). lifeder. Obtenido de lifeder: https://www.lifeder.com/dilataciontermica/

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