Escuela Superior Politécnica del Litoral Instituto de ciencias Físicas Curso Nivel 200-II 2009-2010
Laboratorio de Física B Práctica Nº: 7 Título: Dilatación Lineal Nombre: Carlos Patricio Duran Salazar del 2009 Fecha: Lunes 26 de octubre del
Paralelo: 5 Flores Profesor: Ing. Bolívar Flores
Objetivos:
.Determinar el coeficiente de expansión lineal de varillas de diferentes materiales.
Resumen: En el laboratorio de física B, se llevara a cabo cabo la determinación determinación de los coeficientes coeficientes de dilatación lineal de una varilla metálica homogénea, en donde se pondrá a prueba por medio del calor ejercido ejercido por una fuente llamada generador de vapor, vapor, el proceso de evaporación evaporación de líquido, el cual se trasladara hacia la varilla por medio de un tubo capaz de soportar altas temperaturas y podremos observar la expansión lineal de una varilla y así poder saber saber a cual cual material pertenece. pertenece.
Introducción: La experiencia experiencia que vais a realizar tiene por objetivo la medida del coeficiente de dilatación lineal de dos metales diferentes que ni conocemos. Dicho coeficiente nos expresa la dependencia de la longitud de las muestras con su temperatura y tiene importancia en el estudio de las ecuaciones de estado de los diferentes materiales, a través de las l as relaciones termodinámicas adecuadas. La mayor parte de los materiales se dilatan cuando se realiza una transformación transformación isóbara (a presión constante) en la que aumente su temperatura, siempre que no haya ningún proceso de cambio de fase en dicha transformación. Generalmente, en el caso de sustancias sólidas, el calor que se introduce en el sistema para aumentar su temperatura hace aumentar la amplitud de vibración de los átomos que componen el material y con ello la separación media entre ellos, este efecto corresponde a una dilatación macroscópica. macroscópica. Si suponemos un objeto de longitud, L , sometido a un cambio de temperatura Δ T , suficientemente pequeño, podemos considerar proporcional la dependencia entre el aumento de longitud total de la muestra, Δ L, Δ L, y su aumento de temperatura. Para casos más generales consultar [1]. ICF00752
Escuela Superior Politécnica del Litoral Instituto de ciencias Físicas Curso Nivel 200-II 2009-2010 Matemáticamente, Matemáticamente, lo podríamos expresar expresar como como sigue: Δ L = α L Δ L ΔT T (1) donde α es el denominado coeficiente lineal de dilatación dil atación térmica, objeto de medida en esta experiencia, siendo sus dimensiones [1/ºC] o [1/K] en el Sistema Internacional de unidades (SI).
Marco Teórico: Teórico: Dilatación Térmica: ES el proceso mediante el cual se calienta un cuerpo sólido, la energía cinética de sus átomos aumenta de tal modo que las distancias entre las moléculas crece, expandiéndose así el cuerpo, o contrayéndose contrayéndose si es enfriado. Estas expansiones expansiones y contracciones contracciones causadas por variación de temperatura en el medio que le rodea. Dilatación Lineal: Es el incremento de longitud que presenta una varilla de determinada sustancia, sustancia, al momento de de aumentar su temperatura interna se logra observar una alargamiento con respecto respecto de su longitud inicial gracias al delta de temperatura que es sometida la varilla. Donde: α=coeficiente de dilatación lineal [1/C°] [1/C°] , L0 = Longitud inicial inicial , Lf = Longitud final , L ΔT T = α L (Tf - To) Δ L = α L Δ T0 = Temperatura inicial, Tf = Temperatura fina
concepto que el el de dilatación lineal salvo salvo que se Dilatación Superficial: Es el mismo concepto aplica a cuerpos a los que es aceptable y preferible considerarla como regiones planas; por ejemplo, una una plancha metálica. metálica. Al serle transmitida transmitida cierta cantidad de calor la superficie del objeto su frirá un incremento de área: ΔA.
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Escuela Superior Politécnica del Litoral Instituto de ciencias Físicas Curso Nivel 200-II 2009-2010 Donde γ se llama coeficiente llama coeficiente de dilatación superficial. ΔT = T - To
ΔS = S - So
observa como como Dilatación Volumétrica: La dilatación térmica de un líquido o un gas se observa un cambio de volumen ΔV en una cantidad de sustancia de volumen V0, relacionado r elacionado con un cambio de temperatura Δt. En este caso, la variación de volumen ΔV es directamente proporcional al volumen inicial V0 y al cambio de temperatura Δt, para la mayor parte de las sustancias y dentro de los límites de variación normalmente accesibles de la temperatura
dilatación volumétrica , medida en la misma unidad Donde β Donde β se se llama coeficiente de dilatación que el coeficiente de dilatación lineal li neal ΔT = T - To ΔV = V - Vo
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Procedimiento Experimental: Experimental: Gráficos:
Datos: L1(mm)
∆ x(mm)
e(mm)
T 1(ºC)
T 2(ºC)
(495±1)
(21±1)
(0.0042 ± 1)
(28±1)
(98±1)
(495±1)
(38±1)
(0.0076±1)
(28±1) (28±1)
(98±1) (98±1)
Cálculos: 1. Determine el incremento incremento en la longitud de de la barra (e) () ()
2. Obtenga el coeficiente de dilatación lineal de la varilla utilizada en esta practica () () ()
Resultados: ICF00752
Escuela Superior Politécnica del Litoral Instituto de ciencias Físicas Curso Nivel 200-II 2009-2010 1. De acuerdo acuerdo a los resultados obtenidos, ¿de que material esta esta hecha la varilla? varilla? El primero es de hierro (Fe) y el segundo el el de cobre(Cu). diferencia relativa entre entre el valor teórico teórico y el valor experimental experimental 2. Encuentre la diferencia de la velocidad velocidad del sonido en el aire a la temperatura temperatura ambiente usando usando el grafico. | || | | | | 3. Tomando en cuenta el aparato aparato que utilizo, señale porque porque no se obtuvo una concordancia concordancia exacta en la pregunta pregunta anterior. Porque que existe fricción en los apoyos. 4. Indique alguna aplicación práctica práctica de utilizar una varilla varilla bimetálica. cafeteras. o En las cafeteras. un cable eléctrico para que no se disipe tanto con con facilidad en o Diseño de un los bombillos. 5. ¿Por qué no es conveniente llenar completamente el tanque de gasolina de un automóvil? Para que no haya mayor dilatación volumétrica en la gasolina al calentarse el motor y no se precipita tanto. t anto.
Discusión: En la experiencia experiencia se puso en en práctica el fenómeno fenómeno de la dilatación dilatación térmica, el cual cual se define a la expansión con la unidad métrica gracias a las altas temperaturas que se le aplican al material, los materiales establecidos para cada grupo eran:
Datos Teóricos: Teóricos: • Hierro, con un coeficiente de dilatación de α Fe= 12×10−6 ℃ −1 • Cobre, con un coeficiente de dilatación αCu= 16×10−6 ℃ −1 Datos Experimentales: Experimentales: 6 1 • Hierro, con un coeficiente de dilatación de α Fe=12.4×10− ℃ − • Cobre, con un coeficiente de dilatación de αCu=16.7×10 −6 ℃ −1 Como se puede observar claramente la relación entre los datos teóricos y los datos experimentales no son tan vagos es decir que el porcentaje de error es muy bajo, aproximadamente aproximadamente para cada coeficiente es: ICF00752
Escuela Superior Politécnica del Litoral Instituto de ciencias Físicas Curso Nivel 200-II 2009-2010 • Hierro 4% de error • Cobre 4.2% de error Con los valores obtenidos en la experiencia de laboratorio se logro entender cómo funciona el fenómeno fenómeno de dilatación lineal, el cual arrojo un porcentaje de error bajo en la experiencia. experiencia.
Conclusiones: Al finalizar la experiencia podemos concluir concluir que el fenómeno de dilatación si se presenta presenta en los materiales que son sometidos a altas t emperaturas emperaturas provocando el “alargamiento” de su longitud inicial con respecto al material, utilizando utilizando como materiales al Cobre y hierro, que fueron utilizados para el desarrollo desarrollo de la experiencia los cuales cuales arrojaron porcentajes porcentajes de errores aproximados al 0.3%,0.4% respectivamente, estos datos los cuales fueron obtenidos por la experiencia y estimados por la actividad.
Bibliografía: Bibliografía:
Zemansky, M.W; Dittiman, R.H: "Calor y Termodinámica". M Graw Hill American Institute of Physics Handbook”. Third Edition. Mc Graw-Hill
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