Practica Experimental No.2 coeficiente de dilatacion lineal (bronce, aluminio, acero y cobre) PDF

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PRACTICA DE LABORATORIO No.2: COEFICIENTE DE DILATACION LINEAL DEL BRONCE, ALUMINIO, ACERO Y COBRE.

PRESENTADO POR: HERQUIN JAVIER HERNANDEZ PEREZ YENNY MILEDY RODALLEGA VELAZCO GERSON DAVID ARIAS HURTADO LUZ CARINE CUELLAR LEIVA

DOCENTE: Mg. CARLOS EDUARDO PERDOMO GARZÓN

UNIVERSIDAD DE LA AMAZONIA FACULTAD CIENCIAS DE LA EDUCACIÓN LICENCIATURA EN MATEMÁTICAS Y FÍSICA TERMODINAMICA FLORENCIA- CAQUETÁ 2021- II

INTRODUCCIÓN La constante y ardua búsqueda del desarrollo hace que la evolución sea una consecuencia intrínseca de la investigación, que, sin realizar mayor medición de sus posibles oportunidades comerciales y económicas, si establece un orden de consecuencias en la oportunidad del mejoramiento de la calidad de vida de las personas. Es por ese sentido vocacional que el mismo individuo, actúa como investigador aun con los ejercicios analíticos más sencillos, pero menos simples o menos complejos. Este ejercicio, involucra observar, comprender, comparar, medir y realizar un análisis exhaustivo del comportamiento de los elementos que lo rodean, es así como nace la idea de medir y cuantificar los fenómenos relacionados con la termodinámica, en este caso, el comportamiento que tiene cierto material al ser sometido a cambios de temperatura. Es comprensible asumir que algo tan sencillo, como el hecho de esperar a que cierto material (bronce, aluminio, acero y cobre) se dilate hasta cambiar su dimensión a partir del cambio de la temperatura y poder determinar su coeficiente de dilatación lineal, pero ¿Cómo es ese proceso? ¿por qué se da el proceso de dilatación en el material? ¿Cómo se puede cuantificar este comportamiento? Y ¿Por qué algunos de los materiales se dilatan más que otros? Estos interrogantes y algunas otras más son la base de la curiosidad que impulsa el acto mismo de investigar, de realizar este ejercicio experimental y en el que se expondrá los resultados y sus conclusiones al finalizar el presente informe. Sin embargo, no debemos dejar a un lado la parte cuantitativa de la práctica, ya que de esta se deriva el análisis y comparación de los datos recolectados y permitirá identificar el porqué de los cambios en los procesos de dilatación.

OBJETIVOS General:  Determinar y analizar experimentalmente el coeficiente de dilatación lineal de algunos materiales.

Específicos:  Determinar el coeficiente de dilatación lineal del bronce.  Determinar el coeficiente de dilatación lineal del aluminio.  Determinar el coeficiente de dilatación lineal del acero.  Determinar el coeficiente de dilatación lineal del cobre.  Analizar y comparar los coeficientes determinados.  Identificar la relación que existe entre el coeficiente de expansión y la fuerza de unión de los enlaces en el material de la probeta al cambiar la temperatura.

 Proponer argumentos sólidos y coherentes para explicar lo ocurrido en los cuatro experimentos.

MARCO TEÓRICO A continuación, se presentan, de manera general, los aspectos más importantes que se deben tener presentes para realizar la práctica experimental. Lo primero que se debe tener claro es ¿Qué es la dilatación lineal?, experimentalmente se ha demostrado que la variación de longitud que sufre una varilla depende linealmente de la longitud original de la varilla y de la variación de la temperatura a la cual se somete. Es decir, la dilatación lineal, consiste en el aumento o la disminución de las dimensiones de un material sometido a cambios de temperatura. Ahora tenemos lo siguiente: y , luego Al ser directamente proporcional a se puede afirmar que están ligadas por un cociente constante , donde es la constante de proporcionalidad y recibe el nombre de coeficiente de dilatación lineal.

Sabemos que , entonces tenemos que:

; donde El valor de depende exclusivamente del material correspondiente. Observa que sus dimensiones se obtienen de dividir la longitud entre longitud, quedando unidades de temperatura en el denominador. Ahora bien, que se entiende por coeficiente de dilatación lineal o coeficiente de dilatación térmica, pues este permite determinar y ademas describe cuánto se dilata o se contrae el material cuando cambia o varia su temperatura. La manera más sencilla de calcular dicho coeficiente es a partir de la siguiente expresión:

De igual manera hay otros factores que influyen en la dilatación, como lo es la temperatura, la temperatura es una medida del calor o energía térmica de las partículas en una sustancia; enlaces atómicos; el coeficiente de expansión térmica de un material está relacionado con la fuerza entre enlaces atómicos. Para que los átomos se muevan saliéndose de sus posiciones de equilibrio debe introducirse energía en el material. Si un pozo de energía muy profundo causado por enlaces atómicos muy fuertes es característico del material, los átomos se separarán en un grado menor y el material tendrá un coeficiente de expansión lineal bajo. Ahora si se tiene en cuenta que el coeficiente de dilatación lineal o contracción térmica se relaciona con la energía de enlaces atómicos, es debido conocer los tipos de enlaces que encontramos en algunos materiales; para así poder analizar el coeficiente de dilatación de cada material utilizado (bronce, aluminio, acero y cobre). Enlace iónico; este tipo de enlace ocurren cuando un átomo gana o pierde electrones. Como resultado de esta transferencia de electrones, se forman iones o, lo que es lo mismo, partículas cargadas. Estos iones pueden tener carga negativa (los conocemos como aniones) o positiva (cationes). Enlace covalente; Un enlace covalente se forma entre dos átomos cuando cada uno cede el electrón que se necesita en la formación del enlace. Los enlaces covalentes se encuentran en muchos materiales poliméricos y cerámicos. Adicional a esto los enlaces covalentes son direccionales, es decir, las uniones o enlaces que forman poseen una inclinación definida por un grado dependiendo de la molécula. Enlace metálico; Un enlace metálico se forma como resultado de que los átomos de elementos con baja electronegatividad ceden sus electrones de valencia, lo que resulta en la formación de un “mar” de electrones. Los enlaces metálicos no son direccionales y son relativamente fuertes. En consecuencia, la mayoría de los metales puros poseen este tipo de enlace. Su comportamiento es similar a un enlace iónico. Durante el procedimiento se pudo evidenciar los diferentes modos de trasferencia de calor; por ejemplo del mechero a la rejilla de asbesto se pudo presenciar una transferencia por radiación (Se puede atribuir a cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivas.), y de la rejilla de asbesto a el Beaker hay una trasferencia por conducción (Es la transferencia de calor que se produce a través de un medio material por contacto directo entre sus partículas, cuando existe una diferencia de temperatura y en virtud del movimiento de sus macropartículas.), finalmente se encuentra presente la trasferencia por convección (La transmisión de calor por convección se compone de dos mecanismos simultáneos. El primero, es la transferencia de calor por conducción, debido al movimiento molecular, a la que se la transferencia de energía por el movimiento de fracciones del

fluido que se mueven accionadas por una fuerza externa, que puede ser un gradiente de densidad (convección natural), o una diferencia de presión producida mecánicamente (convección forzada) o una combinación de ambas.).

De igual manera, ya conociendo la parte conceptual de los diferentes contenidos físicos abordados en la práctica experimental, también es necesario conocer la fundamentación teórica de los materiales utilizados: ¿qué es un dilatómetro?, Éste es un instrumento que sirve para medir el alargamiento que experimenta un cuerpo al incrementar la temperatura. La medición ayuda a encontrar el coeficiente de contracción o dilatación de un material en particular, a diferentes temperaturas. ¿Qué es un termómetro?, es un instrumento de medición de temperatura, inicialmente se fabricaron aprovechando el fenómeno de la dilatación, por lo que se prefería el uso de materiales con elevado coeficiente de dilatación, de modo que, al aumentar la temperatura, su estiramiento era fácilmente visible. La sustancia que se utilizaba más frecuentemente en este tipo de termómetros ha sido el mercurio, encerrado en un tubo de vidrio que incorporaba una escala graduada, pero también alcoholes coloreados en termómetros grandes además, existen varias escalas termométricas para la medición de la temperatura entre ellas está la escala Fahrenheit, Réaumur, Kelvin, además, existen varios tipos de termómetros como el termómetro de mercurio, termómetro Pirómetros, termómetros de gas, digitales entre otros que son muy útiles en la cotidianidad.

METODOLOGÍA Para poder llevar a cabo la realización de la práctica experimental se requirieron de los siguientes materiales y equipos. Materiales y equipos:  Flexómetro  Mechero bunsen.  Rejilla de asbesto  Soporte universal

 Probeta  Termómetro de mercurio  Beaker  Dilatómetro  Bronce  Aluminio  Acero  Cobre DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA Procedimiento: la práctica se dividió en cuatro experimentos. En cada experimento se realizaron los siguientes pasos: Paso 1: se midió la longitud inicial del material utilizado . Paso 2: se registró la temperatura inicial del agua. Paso 3: se calibro el dilatómetro, de tal manera que su medida empezara en cero. Paso 4: se procedió a encender el mechero bunsen y esperar al proceso de ebullición del agua. Paso 5: cuando empezó a salir vapor por la probeta, se registró el valor de la dilatación del material y ademas se registró la temperatura final del agua. PRESENTACIÓN DE DATOS A continuación, se presenta los datos recolectados en las cuatro practica experimental: Material: bronce

Material: aluminio

Material: acero

Material: cobre

PRESENTACIÓN DE CALCULOS Y RESULTADOS

A continuación, se presenta los resultados obtenidos a partir del análisis de los datos recolectados en los cuatro experimentos. Análisis cuantitativos (determinacion del coeficiente de dilatación lineal) Para calcular el coeficiente utilizamos la siguiente expresión matemática:

Donde es la variación de la longitud del material, es decir,. es la longitud inicial del material. es la variación de temperatura a la cual se somete el material, es decir, Entonces solo basta con reemplazar los datos: Coeficiente de dilatación lineal del bronce.

Porcentaje de error:

Coeficiente de dilatación lineal del aluminio.

Porcentaje de error:

Coeficiente de dilatación lineal del acero.

Porcentaje de error:

Coeficiente de dilatación lineal del cobre.

Porcentaje de error:

Interpretación de los cálculos realizados En la siguiente tabla se presenta el resumen de los cálculos realizado sobre el coeficiente de dilatación lineal de cada material. Material

Coeficiente experimental

Coeficiente teórico

Porcentaje de error

Bronce Aluminio Cobre Acero

De acuerdo con los cálculos realizados se puede afirmar que: El coeficiente de dilatación del bronce obtuvo un porcentaje de error muy bajo lo que quiere decir que los datos registrados fueron más exactos con respecto a los demás materiales, el cual solo obtuvo un porcentaje de error de 0.55%, claramente es un porcentaje bajo; lo que demuestra que hubo un mínimo de error en la toma de datos y los factores que determinan la práctica tuvieron errores muy mínimos. El coeficiente de dilatación lineal experimental del cobre no fue tan exacto respecto al teórico, ya que si analizamos el porcentaje de error, el cual fue de , claramente es un porcentaje un poco alto; lo que demuestra que se presentaron errores a la hora de registrar los datos, ya sea porque el termómetro no funciono adecuadamente a la hora de marcar la temperatura final u otros factores que no se tuvo en cuenta a la hora de realizar la práctica experimental. Si se analiza la dilatación de cada material, se puede identificar que algunos se dilataron más que otros, y ademas algunos requirieron de una temperatura más alta para que se lograra dilatar o expandir. Lo que demuestra la relación que existe entre el coeficiente de dilatación y la fuerza de unión de los enlaces en el material de la probeta al cambiar la temperatura.

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE DATOS A continuación, se presenta el análisis a los cálculos realizados sobre el coeficiente de dilatación lineal de cada material y algunas observaciones importantes para tener en cuenta. Material Aluminio Bronce Cobre Acero

Dilatación 0,084 cm 0,067 cm 0,051 cm 0,03 cm

Variación de temperatura

Como se puede observar en la tabla, el material que más se dilato fue el aluminio, con una dilatación de 0,084 cm y una variación de temperatura de , seguido del bronce con una dilatación del 0,067 cm y una variación de temperatura de , de igual forma el cobre fue el tercer material que más se dilato, con 0,051 cm de dilatación y con una variación de temperatura de , por último el material que menos se dilato fue el acero con 0,03 cm de dilatación y una variación de temperatura de . El broce fue uno de los materiales que más se dilato cuando se expuso a una temperatura del vapor de agua de 98°c, además el valor experimental hallado del coeficiente de dilatación lineal es similar al teórico con un margen error tan solo del 0.55%, lo que quiere decir que la diferencia es muy mínima y que demuestra que los cuerpos que se someten a un cambio de temperatura de acuerdo al material estos sufren una variación de la longitud producto del aumento de la temperatura de este material hace que cambie sus atributos y el tamaño de este material. También se puede afirmar que en el material se presenta una vibración mayor de las moléculas cuando se presenta este aumento de temperatura lo que hace que haya una separación de estas y por consiguiente un aumento en su energía potencial molecular. Para el caso del acero se encontró una variación grande del coeficiente de dilatación lineal respecto al teórico; ya que no se pudo tomar los datos con precisión ya que en la toma de datos se hizo con un termómetro de menor precisión. En el caso del cobre y del aluminio se obtuvo mayor precisión y en consecuencia el porcentaje de error no fue tan alto a comparación del porcentaje de error del bronce y acero; esto gracias a que se hizo un proceso más minucioso al tomar los datos. De igual manera al obtener los datos del bronce no se tomó en cuenta una variación del tubo al ajustarse, es decir, no se acomodó adecuadamente la probeta al dilatómetro lo que causo un leve error en la toma de datos.

También cabe resaltar que el acero tuvo un coeficiente de dilatación menor que el aluminio, bronce y que el cobre. Por otro lado, el coeficiente de dilatación lineal del aluminio es el mayor, porque el aluminio es un muy buen conductor de calor y su afinidad con este hacen que el intercambio de calor sea mayor y por ende su coeficiente de dilatación sea mayor a comparación del coeficiente de los demás materiales. CONCLUSIÓNES Después de realizar los respectivos cálculos y observación se puede concluir lo siguiente:  Se logró verificar experimentalmente el coeficiente de dilatación lineal del bronce, aluminio, acero y cobre, ademas de poderlos comparar con los coeficientes de dilatación lineal teórico de cada material, y ver que el porcentaje de error en algunos materiales (aluminio y bronce) fue bajo, lo que quiere decir que el coeficiente es confiable respecto al coeficiente teórico. También algunos materiales (acero y cobre) tuvieron un porcentaje de error alto, lo que quiere decir que a la hora de realizar la práctica se presentaron inconvenientes ya sea por la medida o por lo materiales utilizados como el termómetro o dilatómetro y que hace que el coeficiente determinado no se confiable respecto al coeficiente teórico de estos materiales.  Se pudo comprobar que el fenómeno de dilatación lineal es natural, es decir; todos los cuerpos que sean sometidos a una variación de temperatura presenta este fenómeno, sin embargo, se manifiesta en diferente proporción según sea la naturaleza del material. De igual manera gracias al experimento realizado se pudo demostrar la relación lineal que existe entre la temperatura y la variación de la longitud del material, ya que a mayor variación de la temperatura mayor va ser la variación de la longitud del material utilizado.  De igual forma se logró identificar que existe una relación entre el coeficiente de expansión y la fuerza de unión de los enlaces en el material de la probeta al cambiar la temperatura; ya que los efectos comunes de cambios de temperatura son cambio de tamaño y de estado de materiales, en este caso del bronce, aluminio, acero y cobre. De igual manera 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 lineal es una constante de proporcionalidad que relaciona la dilatación con la variación de temperatura y ésta constante es propia de cada material.

 Se comprobó experimentalmente que ciertos materiales son buenos conductores de calor, esto debido a su estructura molecular que hace que pasen una cantidad considerable de calor por ellos haciendo que su tamaño o longitud varíen de acuerdo a la cantidad de calor que pasen por ellos. A su vez se verifico la existencia de materiales no conductores, es decir, aislantes que debido a su estructura molecular no permite el libre paso de calor por el material, haciendo que la dilatación del material no sea significativa respecto a la dilatación de los materiales conductores. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS  https://fisica.laguia2000.com/fisica-del-estado-solido/dilatacion-lineal-superficial    

y-volumetrica. https://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_dilataci%C3%B3n. https://es.wikipedia.org/wiki/Enlace_i%C3%B3nico. https://es.wikipedia.org/wiki/Enlace_covalente. https://es.wikipedia.org/wiki/Enlace_met%C3%A1lico. https://es.wikipedia.org/wiki/Coeficiente_de_dilataci%C3%B3n.

RECOMENDACIONES Después de realizar la practica experimental y observar las dificultades que se presentaron en la toma de datos de algunos materiales, se presentan algunas recomendaciones para próximas prácticas de laboratorio respecto al coeficiente de dilatación lineal.  Es necesario utilizar un termómetro de mercurio de escala para tener mayor precisión a la hora de registrar las temperaturas.  No se recomienda el uso de termómetros industriales ya que no son tan precisos a la hora de registrar la temperatura.  Se debe realizar adecuadamente el montaje de la probeta al dilatómetro, ya que se puede presentar inconvenientes a la hora de analizar los datos, porque se presentan fugas de vapor.  Cuando hay muchas personas alrededor de los montajes o cerca de los termómetros o dilatómetro, es preferible alejarse un poco debido a que en ocasiones los termómetros o dilatómetros son sensibles ante cualquier tipo de movimiento causando que los datos que marcan no sean los correctos.

ANEXOS

A continuación, se presenta las imágenes de la práctica experimental realizada....