Guia Laboratorio FII 2017.pdf

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FÍSICA INTERDISCIPLINARIA LABORATORIO DE CALOR, TERMODINÁMICA, FLUIDOS Y ONDAS

M A N U A L 11a Edición

LABORATORIO F ÍS IC A I I

LIMA, PERÚ 2017

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA INTERDISCIPLINARIA

LABORATORIO DE “CALOR, TERMODINÁMICA, FLUIDOS Y ONDAS” Decano Mg. MÁXIMO POMA TORRES Coordinador del Departamento Académico de Física Interdisciplinaria Mg. Lucas Alvarado Pinedo Jefe del Laboratorio de “CALOR, TERMODINÁMICA, FLUIDOS Y ONDAS” Lic. Pablo Ciro Alarcón Velazco Adjuntos de Laboratorio de “CALOR, TERMODINÁMICA, FLUIDOS Y ONDAS” Lic. Andrés Díaz Sandoval Lic. María Luisa Cerón Loayza

MANUAL DE LABORATORIO DE FÍSICA II – ONCEAVA EDICIÓN Editores

Pablo Alarcón Velazco José Carlos Eche Llenque Luis Salazar De Paz Vanessa Navarrete Sotomayor

Revisión:

Pablo Alarcón Velazco Eusebio Torres Tapia Cesar Aguirre Céspedes Andrés Díaz Sandoval Fanny Morí Escobar Miriam Mejía Santillán Marco Merma Jara

Lima, Marzo del 2017

CONTENIDO

Experiencia N° 01 Constantes Elásticas

3

Experiencia N° 02 Experiencia de Melde

8

Experiencia N° 03 Oscilaciones

13

Experiencia N° 04 Densidad de los Sólidos y Líquidos

17

Experiencia N° 05 Tensión Superficial

22

Experiencia N° 06 Viscosidad

28

Experiencia N° 07 Dilatación Térmica de Sólidos y Líquidos

32

Experiencia N° 08 Conducción de calor en metales

39

Experiencia N° 09 Calor Absorbido/Disipado y Convección

44

Experiencia N° 10 Cambio de Fase de la Naftalina

53

Experiencia N° 11 Calor Específico

56

Experiencia N° 12 Velocidad del Sonido

59

Apéndice

65

Bibliografía

67

2

LABORATORIO DE FÍSICA II – 11ª Edición

DAFI – FCF – UNMSM

CONSTANTES ELÁSTICAS EXPERIENCIA N° 01 I.

OBJETIVO • Observar las características y condiciones de un resorte en espiral. • Determinar la constante elástica del resorte en espiral.

II.

MATERIALES / EQUIPOS 2 Soporte universal 1 Regla graduada de 1m de longitud 1 Regla metálica de 60cm de longitud 1 Balanza de precisión de 3 ejes 1 pinza

1 Resorte en espiral de acero 1 Juego de pesas más portapesas 2 Sujetadores (nuez o clamp) 1 varillas cuadradas de metal

III. FUNDAMENTO TEÓRICO Los sólidos cristalinos, en general, tienen una característica fundamental denominada “Coeficiente elástico”, que aparece como consecuencia de la aplicación de fuerzas externas de tensión o compresión, que permiten al cuerpo de sección transversal uniforme, estirarse o comprimirse. Se dice que un cuerpo experimenta una deformación elástica, cuando recupera su forma inicial al cesar la fuerza que la produjo. Para poder comprobar este hecho notable, usaremos un resorte en espiral, al cual aplicaremos masas sucesivas y de acuerdo a la Ley de Hooke: F(N)

k=cte.=pendiente=∆F/∆x

F = -κ x Hallaremos su constante elástica “k”, la cual se obtendrá como la pendiente de la gráfica F vs x, donde F es la fuerza aplicada y x el estiramiento del resorte en espiral desde su posición de equilibrio.

∆F

∆x x(m)

Las características elásticas de un material homogéneo e isotrópico quedan completamente definidas si se conocen las constantes elásticas: Módulo de Young (E) y el Coeficiente de Poisson (σ) Cuando se flexiona una varilla, experimenta un alargamiento por su parte convexa y una contracción por la cóncava. El comportamiento de la varilla está determinado por el módulo de Young del material de que está hecha, de modo que el valor de dicho módulo puede determinarse mediante experimentos de flexión. Utilizaremos una regla metálica, de sección transversal rectangular apoyada sobre dos extremos. Si se aplica una fuerza vertical (F) en el punto medio de la regla, la

EXP. N° 01 - CONSTANTES ELÁSTICAS

3



deformación elástica que esta experimenta es un descenso de dicho punto, llamada flexión (s), que por la ley de Hooke, es proporcional a la fuerza aplicada: s=κF siendo k, la constante elástica que depende de las dimensiones geométricas de la varilla y del módulo de Young (E) del material: s=

1 L3 F 4 E ab 3

siendo: L la longitud de la varilla a: el ancho de la varilla b: la altura o espesor de la misma Si F se mide en N. Y todas las longitudes en mm, entonces el módulo de Young se expresará en N/mm2.

IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE 1

Monte el equipo, como muestra el diseño experimental. 1.

Utilice la balanza para determinar los valores de las masas del resorte y del portapesas. M m (Resorte)

= ………

m (Porta pesas) = ………. ¿Cree Ud. que le servirán de algo estos valores? ¿Por qué? .................................................................................. .................................................................................. ............................................................................ 2.

Cuelgue al resorte de la varilla y anote la posición de su extremo inferior. Posición 1: ……………..

3.

Coloque el portapesas en el extremo inferior del resorte y anote la posición correspondiente. Posición 2: ……………..

4.

Coloque una pesa pequeña [m = ...... kg correspondiente.

] en el portapesas y anote la posición

Posición 3: …………….. Marque con un aspa cuál será en adelante su posición de referencia. 1

2

3 ¿Por

qué considera dicha posición? ........................................................ EXP. N° 01 - CONSTANTES ELÁSTICAS

4


5.

6.


Adicione pesas a el portapesas, cada vez de mayores masas. En la Tabla 1 anote los valores de las posiciones x1 correspondientes (incluida la posición de referencia). Retire una a una las pesas del portapesas. Anote las posiciones x 2 correspondientes y complete la tabla 1. x + x2 x = 1 Recuerde que, 2 x1 es la longitud cuando aumenta el peso donde: x 2 es la longitud cuando disminuye el peso Grafique la magnitud de la fuerza F versus la elongación media x . Aplicando el método de mínimos cuadrados encuentre la curva de mejor ajuste. (Pegue aquí su gráfica, incluyendo los mínimos cuadrados)

Interprete físicamente la curva que encontró. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… Determine la constante elástica k del resorte; k = ………………. Tabla 1 N°

m (kg)

x1 (m)

x 2 (m)

x (m)

F (N)

K(N/m)

1 2 3 4 5 6 7

MONTAJE 2

Monte el equipo, como muestra el diseño experimental. 1. Mida las dimensiones geométricas de la regla metálica: Longitud (L): ………………………… Ancho (a): ………………………… Espesor (b): ……………………….. 2. Coloque la regla metálica en posición horizontal, apoyándola de modo que las marcas grabadas cerca de los extremos de esta descansen sobre las cuchillas. 3. Determinar la posición inicial del centro de la varilla con respecto a la escala vertical graduada. EXP. N° 01 - CONSTANTES ELÁSTICAS

5



Posición inicial: ……………………………… 4. Vaya cargando gradualmente la varilla, por su centro, y midiendo las flexiones correspondientes (s’). Anote los resultados en la tabla 2.l 5. Una vez que considere haber obtenido una deformación suficiente, descargue gradualmente la varilla, midiendo y anotando las flexiones correspondientes (s’’) 6. Con los resultados obtenidos, calcule el valor promedio de los pares de s’ y s’’ para cada carga. Anote en la Tabla 2.

Tabla 2 N°

Carga m (kg)

s’ (mm)

s’’ (mm)

s (mm)

1 2 3 4 5 6 7

Dónde : s es el promedio de s` y s”

V.

EVALUACIÓN 1.

2.

3.

4.

5.

Con los datos de la tabla 1, determinar la constante elástica en forma analítica. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… Graficar en papel milimetrado F(N) vs x(m) y calcular gráficamente la constante elástica. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… Usando los datos de la tabla 1 calcular la constante elástica por el método de mínimos cuadrados. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… Hallar el Error porcentual (E%), considerando como valor teórico el valor de la constante elástica hallada por el método de mínimos cuadrados. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… Determinar el Keq para resortes colocados en serie y paralelo respecto a una masa. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………


6


6.

7.

8.

9.


Analice la razón existente de la diferencia de la constante elástica de dos diferentes resortes en espiral. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… Analizar y verificar la diferencia existente entre un muelle tipo espiral y un muelle tipo laminar o de banda. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… ¿Por qué el esfuerzo a la tracción es positivo y el esfuerzo a la compresión es negativo? ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… Analice las fuerzas de cohesión y fuerzas de adherencia. Dé ejemplos ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………

10. Determine para la regla metálica el valor del módulo de Young (E) en N/m2.

………………………...........….…………………………………………………………………………...........….… ………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………… 11. ¿Cuánto vale la energía elástica acumulada en esta barra en la máxima deformación?

………………………...........….…………………………………………………………………………...........….… ………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………

VI.

CONCLUSIONES ………………………...........….………………………………………………………………………...........….………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………

EXPERIMENTO N° 01 CONSTANTES ELÁSTICAS

FECHA: V°B° del Profesor

ALUMNO: MATRÍCULA:


7

LABBORATORIO DE FISICA II – 11ª Edición

DAFI - FCF - UNMSM

EXPERIENCIA DE MELDE (MOVIMIENTO VIBRATORIO) EXPERIENCIA N° 02 Franz Melde (11 marzo 1832 - 17 marzo 1901) Físico alemán muy conocido por un experimento que realizó sobre las ondas estacionarias. El experimento de Melde se utiliza para determinar el patrón de las ondas estacionarias, medir la velocidad de una onda además de reconocer el fenómeno de la interferencia de ondas mecánicas.

I.

OBJETIVO • Determinar experimentalmente la relación entre la tensión en la cuerda y el número de segmentos de la onda estacionaria. • Determinar experimentalmente la relación entre la frecuencia de oscilación de la cuerda y el número de segmentos de la onda estacionaria. • Calcular la densidad lineal de la cuerda utilizada.

II. EQUIPOS / MATERIALES String Vibrator Sine Wave Generator Cuerda Varillas Pies soporte Polea Pesas con porta pesas Regla metálica Balanza

III. FUNDAMENTO TEÓRICO ONDAS ESTACIONARIAS Se denomina onda a toda perturbación que se origina en un estado de equilibrio y que se mueve o se propaga con el tiempo de una región del espacio a otra. En el centro de este tipo de perturbación no hay un transporte de materia; debe entenderse que es esta la que se traslada de un punto a otro. Consideremos un tren de ondas que avanza a lo largo de una cuerda tensa, llega al extremo de la misma. Si el extremo está sujeto a un soporte rígido tiene que permanecer evidentemente en reposo. Cada sacudida que llega ejerce una fuerza sobre el soporte, y la reacción a esta fuerza actúa sobre la cuerda y engendra una sacudida reflejada que se propaga en sentido contrario. Siempre que no sobrepase el límite de elasticidad de la cuerda y las elongaciones sean suficientemente pequeñas, la elongación real en cualquier punto es la suma algebraica de las elongaciones individuales, hecho que se conoce como principio de superposición. Cuando dos trenes EXP N° 02 EXPERIENCIA DE MELDE

8


DAFI - FCF - UNMSM

de onda viajan en dimensiones opuestas, el fenómeno resultante es llamado ondas estacionarias. El aspecto de la cuerda en tales circunstancias no pone de manifiesto que la estén recorriendo dos ondas en sentidos opuestos; dado que en nuestro experimento la cuerda estará sujeta en ambos extremos. Un tren continúo de ondas, representadas por senos o cosenos se reflejan en ambos extremos, y como estos están fijos, los dos han de ser nodos y deben de estar separados por una semi longitud de onda, por lo cual la longitud de la cuerda puede ser:

λ

λ

λ

,2 ,3 .......... 2 2 2

(1)

En general un numero entero de semi longitudes de onda, es decir, si consideramos una cuerda de longitud L, se puede origina ondas estacionarias en la cuerda para vibraciones de diferentes frecuencias, todas aquellas que produzcan ondas de longitudes 2L/1, 2L/2, 2L/3,…..etc. De la relación

f =

v

λ

(2)

donde v es la velocidad de propagación de la onda Ahora puesto que v, es la misma para todas las frecuencias los posibles valores de estas son:

v v v ,2 ,3 .......... 2L 2L 2L

(3)

La frecuencia más baja v/2L se denomina fundamental f1; las otras corresponden a los armónicos, las frecuencias de estos últimos son, por consiguiente 2f1, 3f1, 4f1,…etc. Correspondientes al segundo, tercer y cuarto armónico respectivamente. La densidad lineal de la masa del hilo puede ser medida pesando una cantidad conocida de longitud del hilo. La densidad lineal será la masa del hilo por unidad de longitud. masa (4) µ= longitud Despejando la velocidad de la ecuación (2) y reemplazando las posibles longitudes de onda correspondiente a las frecuencias de vibración, se tiene:

v=

2L f n

(5)

Donde n representa a cualquier número de longitud de onda EXP N° 02 EXPERIENCIA DE MELDE

9


DAFI - FCF - UNMSM

La velocidad de la onda viajando en el hilo también depende de la tensión T en el hilo y la densidad lineal de hilo, según: v= T

µ

(6)

Igualando las expresiones (5) y (6), para una misma velocidad y resolviendo para la tensión, se tiene:  1  T = 4 L2 f 2 µ  2  n 

(

)

(7)

El cálculo de la densidad lineal, se puede calcular en una Gráfica T vs 1/n2, siendo que la longitud del hilo y la frecuencia de vibración se mantienen constantes. De igual modo si la tensión se mantiene constante y despejando la frecuencia, se tiene: f =

T n 4 L2 µ

(8)

Una Gráfica frecuencia f vs número de antinodos n, resultará en una línea cuya pendiente puede usarse para calcular la densidad lineal del hilo. Despejando la densidad lineal

µ=

T ⋅ n2 4 L2 f 2

(9)

IV. PROCEDIMIENTO Reconozca los equipos y realice el montaje de la figura 01, el equipo es alimentado por corriente AC, es decir no tiene polaridad. Antes de comenzar verifique que el selector de amplitud se encuentre al mínimo. Por defecto iniciara en 100 hz, redúzcalo a 5 Hz y seguidamente coloque el selector de amplitud en el centro de su capacidad.

Fig. 01. Vibrador y generador de ondas.

Seguidamente seleccione la longitud de la cuerda en 1.5 metros y determine la densidad lineal de la cuerda completando los datos en la tabla 01.

EXP N° 02 EXPERIENCIA DE MELDE

10


DAFI - FCF - UNMSM

Antes de comenzar verifique que el selector de amplitud se encuentre al mínimo.

Fig. 02. Primer montaje. Nunca trabaje con el máximo valor de amplitud, puede dañar el generador de funciones.

Trabaje con la pesa de 100 gramos y considerando además la masa del porta pesas, varíe lentamente la frecuencia hasta encontrar una aparente y afine las mediciones con el selector fino. Complete la tabla 01. TABLA 01. Variación de frecuencia a tensión constante. Armónico (n) 1 Frecuencia (Hz) µ (kg/m) Longitud de la cuerda (m) µ promedio Experimental (kg/m)

2

3

4

5

Tensión (N) Error %

µ Teórico (kg/m): Empiece trabajando con una masa de 400gr y considerar además la masa del portapesas, la longitud de la cuerda debe ser de 1.2 m, retire las masas hasta ver los armónicos, llene la tabla 02. TABLA 02. Variación de tensión y frecuencia constante. Armónico (n) 1 Masa (kg) Tensión (N) µ (kg/m) Longitud de la cuerda (m) µ promedio Experimental (kg/m)

2

3

4

5

Frecuencia Hz Error %

Ahora determinará la velocidad de la onda estacionaria, con la tabla 3. Seleccione una cuerda de 1m de longitud y añádale 150 g al porta pesas


11


DAFI - FCF - UNMSM

TABLA 03. Determinación de la velocidad de onda. Armónico (n) Frecuencia (Hz) Longitud de onda (m) Velocidad (m/s) µ Teórico (kg/m):

1

2

Tensión (N)

v promedio Experimental (m/s)

3

4

5

v teórica (m/s) Error %

V. EVALUACIÓN 1.

¿Qué es una onda estacionaria y como se producen? Cuando la tensión aumenta. ¿la velocidad de las ondas aumenta, disminuye o permanece igual cuando la frecuencia se mantiene constante? Explica. Cuando la frecuencia aumenta. ¿la velocidad de las ondas aumenta, disminuye o permanece igual cuando la tensión se mantiene constante? Explica. ¿Cómo se denomina a los puntos donde las elongaciones resultantes son siempre nulas? ¿Es posible que una cuerda vibre al mismo tiempo con varias frecuencias?

2. 3. 4.

Con los datos de la tabla 4.3 construya un gráfico de c en función de ටࢀࢋൗࣆ

5.

¿Qué concluyes de dicha grafica?

VI.

CONCLUSIONES ………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………………..

EXPERIMENTO N° 02 FECHA: EXPERIENCIA DE MELDE V°B° del Profesor ALUMNO: MATRÍCULA:


12



OSCILACIONES EXPERIENCIA N° 03 I.

OBJETIVO • Investigar sobre el movimiento armónico simple (MAS) de cuerpos elásticos.

II.

MATERIALES / EQUIPOS 1 Soporte universal. 1 Regla milimetrada. 1 Balanza digital.

1 Resorte de acero. 1 Juego de pesas más portapesas. 1 Cronómetro.

III. FUNDAMENTO TEÓRICO Un movimiento periódico de un sistema es aquel que se repite continuamente en intervalos iguales de tiempo. Siempre tiene una posición de equilibrio. Un movimiento oscilatorio periódico se dice que es armónico cuando la información que se obtiene en cada oscilación es la misma. El tiempo que dura una oscilación se llama PERÍODO (T). El número de oscilaciones en el tiempo es la FRECUENCIA (f). El desplazamiento desde el punto medio de la trayectoria se denomina ELONGACIÓN (x). La elongación máxima es la AMPLITUD (A). Un tipo de movimiento oscilatorio lineal resulta cuando la fuerza actuante es opuesta y proporcional al desplazamiento (recuperadora), esto es, F = − kx (ley de Hooke). Este tipo de movimiento se denomina armónico simple (MAS). Cinemática del MAS. Las cantidades cinemáticas del MAS son las siguientes: x = Asen (ω t + α ) • Posición (1a ) Donde: A es la amplitud, ω = 2 π / T es la frecuencia angular, t el tiempo y α la fase inicial. • Velocidad v = ω A cos( ω t + α ) (1b ) •

Aceleración

a = − ω 2 Asen (ω t + α ) = − ω 2 x

(1c )

Dinámica del MAS. Las cantidades dinámicas del MAS son las siguientes: • Fuerza Elástica: F = − kx (2 ) • Fuerza Inercial: F = m

d 2x dt 2

d 2x = − kx dt 2 d 2x + ω 2x = 0 2 dt

De las ecuaciones (2), m

(2a ) (3a ) (3b )

1/ 2 Donde ω = ( k / m )

EXP. N° 03 – OSCILACIONES

13



La ecuación (1a) satisface a (3b), y precisamente es su solución; se cumple cuando el bloque se mueve alrededor del punto de equilibrio.

IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE Monte el equipo, experimental. 1.

como

muestra

el

diseño

Determine los valores de las masas del resorte y de la pesa. M m (Resorte)

= ………

m (suspendida) = ……….

2.

¿Cree Ud. que le servirán de algo estos valores? ¿Por qué? ............................................................................. ............................................................................. Escriba el valor de la constante elástica del resorte (obtenida en la experiencia N° 1 – Constante elástica de un resorte): k = ……………….

Determinación del Periodo de Oscilación El período de oscilación del sistema se determina mediante la ecuación: m m+ r 3 T = 2π k 3. Coloque en el portapesas una pesa pequeña. Anote su masa más la masa de la porta pesas en la tabla 2. La distancia a su anterior posición de equilibrio es: X3 = …………………………. 4.

Desplace verticalmente esta pesa una distancia pequeña A = ………. y déjela oscilar libremente (evite que se produzcan movimientos laterales y perturbaciones). Describa el tipo de movimiento del sistema: ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ………………………………………………………………………………………………………………………………

5.

Calibre el cronómetro a cero. Repita el paso 4. Luego mida el tiempo para diez oscilaciones empezando a contar desde cero y determine el periodo de oscilación (T = t / 10 ) . Anote sus datos en la Tabla 2.


14



Tabla 1 m (kg) (Pesa + Porta pesa)

t (10 osc.)

T (s)

T2 (s2 )

1 2 3 4 5

6.

Repita los pasos (3) al (5) utilizando cada vez pesas de mayor valor. Anote los datos en las columnas correspondientes y complete la Tabla 1. Haga los siguientes gráficos: T versus m, T 2 versus m. (Pegue aquí sus gráficas)

¿Ambas gráficas son rectas? ………………………...........….………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………........................................................ Analice por qué son así estas curvas: ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ……………………………………………………………………………………………………………………………… A partir de la gráfica T2 versus m, determine el valor de la masa del resorte. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ………………………………………………………………………………………………………………………………. Determine la frecuencia angular natural de oscilación. Opere: ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ω = ……………………… 7.

En lugar del portapesas coloque, en el extremo inferior del resorte, una pesa (de masa 1/2 kg o 1 kg). Suéltela cuidadosamente desde diferentes posiciones y observe su movimiento en cada caso. ¿Cuál es su conclusión sobre el periodo de oscilación? ………………………...........….…………………………………………………………………………...........…. ……………………………………………………………………………………………………………………………… ¿Influye el cambio de amplitud en el periodo? ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… ¿Influye el cambio de pesas en el periodo de oscilación? ……………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………


15


V.


EVALUACIÓN 1.

Determine el error porcentual entre el valor de la masa del resorte medida en la balanza y de la masa del resorte encontrada en la gráfica. ………………………...........….………………………………………………………………………….... .......….………………………………………………………………………………………………………… ………………………..………………………...........….………………………………………………… ………………………...........….…………………………………………………………………………… 2. Determine el error porcentual en el periodo calculado y el periodo medido. …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………...........….………………………………………………… ………………………...........….…………………………………………………………………………… 3. ¿Hay diferencia? Si fuere así, ¿a qué atribuye usted esta diferencia? ………………………...........….………………………………………………………………………….... .......….………………………………………………………………………………………………………… ………………………….………………………...........….………………………………………………… ………………………...........….……………………………………………………………………………

VI. CONCLUSIONES ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………...……………………...........….…………………………………………………………………………....... ....….……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………….………………………...........….……………………………………………………… …………………...........….…………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………...........….………………………… ………………………………………………...........….………………………………………………………………………

EXPERIMENTO N° 03 OSCILACIONES


ALUMNO: MATRÍCULA:


16



DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS EXPERIENCIA N° 04 Arquímedes (Siracusa, actual Italia, h. 287 a.C.-id., 212 a.C.) Matemático e ingeniero griego, considerado una de las grandes mentes de sus tiempos, tiene entre sus aportes los fundamentos de hidrostática y estática y estimó que el valor de Pi se encontraba entre 3+1/7 y 3+10/71. Inventor de máquinas como la palanca y el tornillo de Arquímedes. El descubrimiento relacionado con el cálculo de la densidad de un objeto con forma irregular (la corona del Rey Hieron II) llevó a la formulación del principio de Arquímedes, objetivo de esta experiencia.

I. OBJETIVO • Determinar la densidad de cilindros de metal por dos métodos diferentes, identificar el material con el cálculo de esas densidades y comparar los resultados. • Determinar la densidad de los líquidos por dos métodos y comparar los resultados con el densímetro.

II. EQUIPOS / MATERIALES Un calibrador pie de rey (Vernier) Una balanza de tres barras Una cuerda delgada Una probeta graduada Dos Cilindros metálicos Un picnómetro Un densímetro Agua potable Alcohol metílico

III. FUNDAMENTO TEÓRICO Cuando un cuerpo de forma arbitraria de masa m, y volumen VC se sumerge totalmente en un líquido de densidad ρ L contenido en un recipiente, desplazará un volumen VL , este volumen desplazado será igual al volumen del cuerpo sumergido. V L = VC . El cuerpo de peso W al sumergirse experimentará una disminución aparente de su peso (W’) debida al empuje (E). De la Figura 1 se cumple, EXP. N° 04 – DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS

r W' r E

r W Figura 1

W'=W − E 17



E = W −W'

Luego,

(1)

En virtud del principio de Arquímedes “la magnitud del empuje sobre el cuerpo es igual al peso del líquido desalojado por el mismo”.

E = m L g = ρ LV L g

(2)

g es la aceleración de la gravedad,

m L es la masa de líquido desalojado,

ρ L es la densidad del líquido, V L es el volumen del líquido desalojado. Igualando (1) y (2), se obtiene :

Pero:

ρ LVL g = W − W '

(3)

VL = VC = m / ρ C

(4)

Donde: VC es el volumen del cuerpo, m es la masa del cuerpo

ρ C es la densidad del cuerpo Reemplazando (4) en (3) y despejando ρ C , se obtiene,

ρC =

W ρL W −W '

(5)

Con esta ecuación (5) se puede calcular la densidad del cuerpo (si se tiene la densidad del líquido) o la densidad del líquido (si se tiene la densidad del cuerpo).

IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE 1 - MÉTODO DIRECTO Nota: Su profesor distribuirá dos cilindros por mesa 1.

Usando la balanza de tres barras determine la masa de los cilindros. Repita esta operación cinco veces. Anote los datos en la Tabla 1 y determine sus errores correspondientes.

2.

Usando el calibrador vernier, mida las dimensiones de los cilindros (altura y diámetro) y evalúe su volumen. Realice esta operación cinco veces y anote los datos en la Tabla 1, con sus errores correspondientes. Tipo de material del cilindro:_______________

EXP. N° 04 – DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS

18



TABLA 1 m1(kg)

h1(m)

d1(m)

m2(kg)

h2(m)

d2(m)

1 2 3 4 5

x ± ∆x Donde “ x ” es el valor promedio, determinar el valor promedio de “m”, “h” y “d” respectivamente . 3. Determine la densidad de los cilindros a partir de los datos de la Tabla 1 y complete la Tabla 2. TABLA 2

m ± ∆m

V ± ∆V (m3)

(kg)

ρ ± ∆ρ (kg/m3)

Cilindro 1 Cilindro 2

Ahora, con ayuda de su profesor determine las densidades de los líquidos con el densímetro del aula. TABLA 3 Densidad del Agua (g/ml) Densidad del Alcohol (g/ml) Densidad de la mezcla (g/ml)

MONTAJE 2 - MÉTODO DE ARQUÍMEDES 1.

Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la Figura 2. Asegúrese que la balanza de tres barras se encuentre estable y calibrada.

2.

Coloque 60 ml de agua en la probeta graduada. Figura Figura 22

3.

Sujete un bloque con una cuerda, el otro extremo de la cuerda átelo al eje inferior de la balanza, como muestra la Figura 2.


19


4.


Sumerja completamente el cilindro en el agua contenida en la probeta, cuide que este no toque ni el fondo, ni las paredes de la probeta. Registre los pesos aparentes W’i en la Tabla 4. TABLA 4 1

2

3

W ´± ∆W ´

5

4

W´(N) 5. A partir de los datos de la Tabla 1 determine el peso real W de cada cilindro y anótelos en la Tabla 5, además, registre los pesos aparentes obtenidos en la tabla 4 y utilizando la ecuación de Arquímedes (ecuación 05) calcule la densidad para cada cilindro. Considere el valor de la densidad del agua, el obtenido con el densímetro. TABLA 5

W + ∆ W (N)

W '± ∆ W ` (N)

ρ ± ∆ ρ (kg/m3)

CILINDRO CÁLCULO DE LA DENSIDAD DE LÍQUIDOS

1.

Con ayuda del picnómetro halle las densidades del líquido que indique su profesor del Alcohol (L1) , para ello llene el picnómetro con el líquido del cual se desea medir su densidad, coloque la tapa y asegúrese que el capilar de la tapa esté con el líquido al ras, de esa manera el volumen indicado en el picnómetro será el volumen del líquido.

2.

Mida la masa del picnómetro con y sin el líquido, la diferencia de esas masas será la masa del líquido.

3.

Ahora con esos datos puede calcular la densidad del líquido que eligió y apúntelo en la Tabla 6.

Tabla 6 4.

Densidad L

Escoja un cilindro y repita los pasos del montaje 2, y anote sus mediciones en la tabla 7. Tome como dato de la densidad del cilindro el valor dado en la tabla 5. NOTA: En estos pasos cada mesa trabajará con un cilindro de material diferente. TABLA 7

Peso aparente del líquido

1

2

3

4

5

W ´± ∆W ´

W´(N)


20


V.


EVALUACIÓN 1. A partir del valor de la densidad del cilindro obtenido en la Tabla 5, y aplicando la

ecuación (5), halle el valor de la densidad del líquido. Complete la tabla 8. Y calcule el error porcentual respecto a su densidad teórica. Nombre del líquido analizado:_______________ TABLA 8

W ± ∆W (N)

W ' ± ∆W ' (N)

ρ ± ∆ρ (kg/m3)

L

2.

Con las densidad del líquido obtenida con los densímetro en la tabla 6 calcular la densidad del cilindro utilizado por el método de Arquímedes (ec.5).

3.

Busque en tablas de densidades estándar los valores para los cilindros y los líquidos trabajados en clase, compare los valores obtenidos por los otros grupos y calcule el error porcentual para el método clásico hallado en la tabla 2.

4.

Calcule el error porcentual para las densidades halladas por el método de Arquímedes de la tabla 7.

5. Enuncie y describa tres métodos para el cálculo de densidad de los líquidos. 6. Hacer el experimento en casa. Un cubo de hielo que flota en un vaso con agua. Cuando el cubo se funde, se elevará el nivel del agua? Explicar por qué. 7. Siempre es más fácil flotar en el mar que en una piscina común. Explique por qué

VI. CONCLUSIONES. ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………

EXPERIMENTO N° 04 DENSIDAD DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS


ALUMNO: MATRÍCULA:


21

LABORATORIO DE FÍSICA II 11ª Edición


TENSIÓN SUPERFICIAL EXPERIENCIA N° 05 Dado que las fuerzas intermoleculares de atracción entre moléculas de agua se deben a los enlaces de hidrógeno y éstos representan una alta energía, la tensión superficial del agua es mayor que la de muchos otros líquidos.

I.

OBJETIVO •

II.

Determinar el coeficiente de tensión superficial de los líquidos, utilizando el método de Rayleigh (clásico) y mediante el uso de un equipo automatizado (Cobra 3 Basic-Unit).

EQUIPOS / MATERIALES Método Rayleigh (Clásico) 1 Soporte universal 1 Bureta, medir diámetro externo 1 Vaso de precipitados

1 Clamp 1 Termómetro Líquidos: agua, alcohol.

Equipo automatizado (Cobra 3 Basic-Unit) 1 Aro de medida de tensión superficial, de diámetro promedio 19.5 mm. 1 PC con Windows XP/Windows 98. 1 Cobra3 Basic-Unit 1 Fuente de poder de 12 V/2A 1 Software Cobra3 Force/Tesla 1 Módulo de medición de Newton 1 Sensor Newton 1 Cronómetro

1 Varilla de 25 cm 1 Sugetadores (Clamp) 1 Plataforma de elevación vertical 1 Cubeta Petri, d= 20cm 1 Paño 1 Probeta de 100 ml 1 Accesorios de conexión 1 Trípode Base

III. FUNDAMENTO TEÓRICO Las fuerzas moleculares que rodean una molécula en el interior de un líquido actúan sobre ella desde todos lados; ejerciéndose una presión isotrópica. La fuerza resultante que actúa sobre una molécula localizada en la capa superficial no es cero, debido a que la resultante está dirigida hacia el interior del líquido, como se ilustra en la figura 1. Figura 1

EXP. N° 05 – TENSIÓN SUPERFICIAL

22



Método de Rayleigh Del análisis de la dinámica presente en la formación de una gota que se desprende de un tubo cilíndrico de radio R, para un líquido que tiene un coeficiente de tensión superficial α ; se observa que mientras la gota no se desprenda, tomará una forma tal que la componente vertical de la fuerza de tensión superficial se equilibra con su peso; la componente vertical de la fuerza de tensión superficial alcanzará su valor máximo en el instante justo antes de que la gota se desprenda; en el momento que se desprende se cumple a la siguiente relación:

mg = 2 π R α  1   mg     2π   R 

α = Donde:

(1)

(2)

m es la masa de la gota, R es el radio externo de la punta de la bureta, y α es el coeficiente de tensión superficial de líquido.

Debido a la condición de mínimo, las gotas de agua adoptan la forma esférica. A partir de la ecuación (1) se podría determinar α , pero como ahí no se ha tenido en cuenta el trabajo de deformación cilindro–esfera, el valor que se obtuviera no sería exacto. Rayleigh retocó esta expresión, y encontró un modo empírico para determinar α . Rectificó las constantes y llegó a la ecuación:

 5   mg     19   R 

α = 

(3)

Considerando un líquido de volumen V, de densidad ρ , y que en él hay un número N de gotas, la masa de cada gota será:

m =

ρV N

(4)

Por lo tanto se encuentra que:

 5  ρ V  g      19   N   R 

α =


(5)

23



IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE 1 – Método de Rayleigh Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la figura 2. Vierta en la bureta el líquido cuya tensión superficial desea determinar. Mida la temperatura del líquido del interior de la bureta. Anote el valor correspondiente en la Tabla 1.

1.

2.

Use el vaso de precipitados como depósito de descarga del líquido de la bureta.

3.

Tome dos puntos A y B como niveles de referencia.

4.

Cuente el número de gotas de la porción de líquido entre los niveles de referencia. Repita este procedimiento no menos de 5 veces. Cada vez anote en la Tabla 1 el número de gotas para el volumen escogido.

5.

Repita los pasos del 1 al 5 para otros líquidos (alcohol / ron, mezcla con agua)

Figura 2

Tabla 1

A temperatura ambiente: H2O Líquido

ρ

V 3

(g/cm )

(ml)

T = ………

Alcohol N (#gotas)

ρ

V 3

(g/cm )

(ml)

Mezcla N (#gotas)

ρ

V 3

(g/cm )

(ml)

N (#gotas)

1 2 3 4 5 Promedio Error Total

α (dina/cm)

±

±

±

6. Ahora repita los pasos anteriores para T = 50°C y anote sus mediciones en la Tabla 2.


24



Tabla 2.

T = 50 0C

En baño María: Alcohol Líquido

ρ (g/ccm3)

V (ml)

N (#gotas)

1 2 3 4 5 Promedio Error Total

α

±

(dina/cm)

Equipo automatizado Para incrementar el área de la superficie en un líquido en un ΔA, se debe realizar un trabajo ΔE. ε = ΔE/ΔA

(6)

Donde, ε es la energía superficial específica y es idéntica con la tensión superficial: α = F/2l (7) La fuerza F actúa tangencialmente en el borde de la longitud l del aro a fin de mantener la película líquida. Cuando usamos un aro de medición de radio r, la longitud del borde es l = 2πr.

Figura 3

MONTAJE 2 – Método del anillo Familiarícese con el equipo sensor de la unidad básica (Cobra 3) y monte el diseño experimental de la figura 3 1. Vierta líquido en la cubeta Petric hasta la mitad. 2. Suspenda el aro del gancho del sensor Newton. No sumerja aún el anillo en el líquido. 3. Utilizando la plataforma de elevación vertical, girando la manija negra, sumerja lentamente el aro hasta que esté completamente cubierto por el líquido de estudio. 4. Con ayuda del profesor calibre el sensor (Figura 5 y 6). 5. Evite cualquier movimiento en la mesa de trabajo, ya que el sistema es altamente sensible. 6. Inicie la medición en software menú. EXP. N° 05 – TENSIÓN SUPERFICIAL

Figura 4

25



7.

Con la ayuda de la plataforma de elevación vertical, descienda cuidadosamente la cubeta Petric hasta que observe que la película de interface del líquido esté tensionada hasta el límite (figura4). 8. Mantenga el aro tensionado por un tiempo de 10 s. 9. Al término de los 10s suba cuidadosamente cubeta Petric con la ayuda de la plataforma de elevación. 10. Repita los pasos (c) al (e) al menos 4 veces. 11. Detenga la medición.

Figura 5

Figura 6

12. De la gráfica fuerza vs tiempo que arroja el programa (figura 7), seleccione los datos correspondientes a la zona de máxima tensión y copie los datos a una hoja de cálculo Excel y obtenga el promedio para cada grupo de datos (Fuerza tensora).

Valores promedio de la fuerza de tensión superficial

F

1


2

3

4

5

Promedio

Error

26


V.


EVALUACIÓN 1. Para el equipo automatizado, determine el coeficiente de tensión superficial utilizando la ecuación 7. Con su error correspondiente. Recuerde que la longitud l del aro debe estar en metros. 2. Calcule el error porcentual y evalúe si éste se encuentra en el valor estimado en el error total. 3. Dé cinco ejemplos de aplicación práctica del fenómeno de tensión superficial: En los campo de: ciencia, tecnología y el hogar. 4. El diámetro exterior e interior del aro son: 20,0 mm y 19,0 mm. Halle la longitud sobre la cual la superficie tensora del líquido hace su acción. 5. Compare los resultados de ambos métodos. ¿Cuál es su opinión al respecto?

V.

CONCLUSIONES. ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………

EXPERIMENTO N° 05 TENSIÓN SUPERFICIAL


ALUMNO: MATRÍCULA:


27



VISCOSIDAD EXPERIENCIA N° 06 Viscosidad es una propiedad de los fluidos de gran importancia sobre todo en procesos industriales. Cantidad física de gran influencia en mediciones de flujo de fluidos. Su valor es punto de referencia en la formulación de nuevos productos.

I.

OBJETIVO •

II.

Determinar el coeficiente de viscosidad de distintos líquidos.

EQUIPOS / MATERIALES 1 Soporte universal 1 Clamp 1 Pinza de agarradera 1 Viscosímetro de Ostwald 1 Termómetro analógico / digital 1 Vaso de precipitados, 1 500 ml 1 Picnómetro 1 Balanza digital 1 Probeta graduada de 10 ml 1 Cronometro Líquidos: Água destilada, alcohol, ron

III. FUNDAMENTO TEÓRICO

Figura 1

El gasto Q (rapidez de volumen de flujo) de un líquido es el producto de la rapidez del fluido v por un volumen de control A,

Q = υA También se encuentra a partir de la ley de Poiseuille,

Q = V / t = π ( P2 − P1 ) R 4 / 8ηL

(1)

Donde, V es el volumen del líquido de viscosidad η escurriéndose a través de un tubo capilar de longitud L y radio R sometido una diferencia de presiones ( P2 − P1 ) en un tiempo t. Despejando el coeficiente de viscosidad η de (1) se tiene:

η = π ( P2 − P1 ) R 4t / 8VL EXP. N° 06 – VISCOSIDAD

(2)

28



Considerando dos líquidos de iguales volúmenes y temperatura, midiendo los tiempos t1 y t 2 que emplean en atravesar una sección transversal del capilar del viscosímetro y recordando que la diferencia de presiones ( P1 − P1 ) es proporcional a la densidad ρ del líquido, se establece que:

η1 ρ 1t1 = η2 ρ 2t2

(3)

Donde: η1 y η 2 son las viscosidades de los líquidos desconocido y conocido respectivamente

ρ1 , ρ 2 son las densidades y t1 , t 2 son los tiempos respectivos ∆ t1 , ∆ t 2 son los errores absolutos de los tiempos correspondientes La dependencia entre la viscosidad y la temperatura para un líquido, está dada por la relación,

Lnη = LnA + E / RT E / RT

η = Ae Su coeficiente de viscosidad η es, Donde, E: es la energía de activación para el flujo A: es una constante R: es la constante universal de los gases T: es la temperatura (en escala absoluta)

IV.

EXPERIMENTO MONTAJE Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental la Figura 2. PROCEDIMIENTO 1. Determine las densidades del agua, alcohol y Ron con el picnómetro.

ρ agua = ………. ρ ron

ρ alcohol = ………. = ……….

2. Vierta agua destilada en el viscosímetro hasta que llene el bulbo C (Figura 2). 3. Insufle aire por la rama ancha hasta que el Figura 2 líquido ascienda por el capilar llenando el bulbo hasta el punto A. Cubra la rama ancha con un dedo; evitará así que el líquido descienda por gravedad. 4. Destape la rama ancha a fin de que el agua corra, y con el cronómetro tome el tiempo que tarda el líquido en pasar del punto A al punto B, realice este paso 5 veces y anote los valores en la Tabla 1. EXP. N° 06 – VISCOSIDAD

29



5. Repita los pasos anteriores para el alcohol y para el ron/mezcla, asegúrese que el viscosímetro se encuentre limpio antes de verter el líquido. 6. Seguidamente realice este mismo procedimiento para cada líquido a la temperatura de 50°C, para ello caliente agua en un vaso de precipitado de 1litro hasta que tenga la temperatura de 50°C, sumerja el viscosímetro con el líquido a trabajar en su interior y mida el tiempo que demora en pasar el líquido desde el punto A al punto B y regístrelo en la tabla 1. TABLA 1

Agua TAmb =

°C

tagua1 (s)

Alcohol

Mezcla

T = 50 °C

TAmb =

°C

T = 50 °C

Tagua2 (s)

Talcohol1 (s)

Talcohol2 (s)

TAmb =

°C

Tron1 (s)

T = 50 °C Tron2 (s)

1 2 3 4 5

t ∆t T = Temperatura (ºC),

t = tiempo (s),

∆t

= error total en la medida de t.

7. Caliente el agua en baño María a la temperatura de 50°C (utilice el vaso de precipitados grande casi lleno con agua), y repita los pasos anteriores. Anote los valores en la Tabla 1.

V.

EVALUACIÓN 1. Reemplace los valores en la ecuación (3), tomando como dato la viscosidad teórica del agua para la temperatura correspondiente, Tamb y 50°C respectivamente, escriba sus resultados en la siguiente tabla. ηagua (Tamb)

ηagua (T =50°C)

ηalcohol (Tamb)

ηalcohol (T =50°C)

ηmezcla (Tamb)

η mezcla (T =50°C)

2. Calcule los errores porcentuales para cada caso. Si el resultado sale mayor al 10%, justifique.

EXP. N° 06 – VISCOSIDAD

30



3. Investigue acerca de los tipos de lubricantes utilizados en autos y la relación de los lubricantes con la temperatura. 4. Determine el coeficiente de viscosidad para una mezcla que contenga 50% de agua destilada + 50% de ron.

VI. CONCLUSIONES. ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………..

EXPERIMENTO N° 06 VISCOSIDAD


ALUMNO: MATRÍCULA:

EXP. N° 06 – VISCOSIDAD

31



DILATACIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS EXPERIENCIA N° 07

I.

OBJETIVO • Determinar los coeficientes de expansión lineal de diferentes varillas metálicas usando un dilatómetro. • Observar el comportamiento de los fluidos al cambio de temperatura. • Calcular el coeficiente de dilatación térmica del agua.

II.

MATERIALES / EQUIPOS 1 Termostato de inmersión 1 Dilatómetro con reloj calibrador 1 Termómetro (-10 a +100°C) 1 Cubeta de acrílico 2 Tornillos de ajuste 4 Abrazaderas 2 Mangueras flexibles 1 Balanza de tres barras Varillas de cobre, aluminio, bronce.

1 Vaso de precipitado de 1L 1 Soporte universal 1 Nuez 1 Trípode 1 Rejilla 1 Picnómetro de 100 mL 1 Tubo de vidrio escalado (300 mm) 1 Pizeta 1 Jeringa

III. FUNDAMENTO TEÓRICO Todos los cuerpos se dilatan en mayor o menor medida cuando experimentan un cambio de su temperatura (cambian sus dimensiones geométricas). La expansión lineal de diferentes materiales, se determina como una función de la temperatura. Un incremento en la temperatura causa que la amplitud vibracional de los átomos en la red cristalina de los sólidos incremente. El espaciamiento entre átomos incrementa, así como el volumen total V, para una presión constante. β = (1/V0)(∆V/∆T)P

(1)

Donde β es el coeficiente de expansión volumétrica. Si consideramos solamente una dimensión. Obtenemos el coeficiente de expansión lineal, α comúnmente usado para medir la dilatación lineal de los sólidos. α = (1/L0)(∆L/∆T)P

(2)

EXP. N° 07 – DILATACIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS

32



IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE 1 – DILATACIÓN DE SÓLIDOS Figura 1

Monte el equipo, como se muestra en la figura 1.

Nota: Tenga cuidado al insertar y retirar el dilatómetro. No enrosque demasiado los tornillos de ajuste.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Verifique que las conexiones de las mangueras flexibles al termostato sean las correctas, para el adecuado flujo de entrada y salida de agua. Llene la cubeta de acrílico con 4 L de agua potable. Verifique que la lectura del dilatómetro empiece en cero. Conecte el termostato a la fuente de alimentación de 220 V. Mida la temperatura inicial de trabajo, T0 y regístrela. Registre en la tabla 1, las lecturas obtenidas en el dilatómetro a intervalos de 5°C. Apague el termostato y repita los pasos (2) al (6) para cada varilla. Tabla 1

T (°C) Cobre

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Aluminio Bronce

8. Complete la tabla 2. Tabla 2 Cobre ∆L(mm) ∆T(°C)

Aluminio ∆L(mm) ∆T(°C)

Bronce ∆L(mm) ∆T(°C)


34



MONTAJE 2 – DILATACIÓN DEL AGUA 1. 2. 3.

Figura 2

Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la Figura 2. Coloque el termómetro en el vaso de precipitado de 1 L. Determinar la masa del picnómetro y su escala, con ayuda de la balanza, pesándolo cuando está vacío. …….…….. g

4.

Llene el picnómetro hasta el borde con agua y calibre la escala del tubo de vidrio a cero con ayuda de la jeringa. 5. Con la ayuda de la balanza determine la nueva masa. …………… g 6. Con la ayuda de los pasos (3), (4) y (5) Determine el volumen inicial de agua V0 y anótelo en la tabla 3. V0 = …………….. mL 7. Sujete el picnómetro con ayuda del clamp y colóquelo en el vaso de precipitados, de manera que quede sumergido el mayor volumen posible. No derramar agua. 8. Llene con agua el vaso de precipitados de 1L hasta enrasar el picnómetro, y registre la temperatura inicial T0. 9. Caliente el agua con una llama baja. Anote en la Tabla 3 las lecturas del tubo de vidrio escalado (∆L en mm) y el cambio de volumen en el tubo de vidrio. El radio interno del tubo de vidrio escalado es d = 3,8 mm. 10. Registre el cambio de temperatura ∆T con respecto a T0. Tabla 3 T0 (0C) =

V0 (mL) = T (0C)

∆T (0C)

d(mm) = ∆L (mm)

∆V (mL)

25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 EXP. N° 07 – DILATACIÓN TÉRMICA DE SÓLIDOS Y LÍQUIDOS

36



V.

EVALUACIÓN

1.

Realice los gráficos de los diferentes materiales de la Tabla 1: ∆L versus ∆T. (Pegue aquí sus gráficas)

2.

¿Las gráficas son rectas? ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….……… ………………………………………………………………………………………………………………………………………

3.

Analice las gráficas, y aplicando el método de mínimos cuadrados, determine los coeficientes de dilatación lineal. (Pegue aquí su gráfica, incluyendo los mínimos cuadrados)

………………………...........….…………………………………………………………………………...........….……… …………………………………………………………………………………………………………………………………….. 4.

Determine el valor del coeficiente de dilatación para cada una de las varillas, usando la ecuación (2) y anótelos en la siguiente tabla. Material

α (1/°C)

Cobre Aluminio Bronce

5.

Compare los valores de α para cada varilla, obtenidos en los puntos (3) y (4) de la evaluación, ¿Qué puede decir al respecto? ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….……… ……………………………………………………………………………………………………………………………………..

6.

Hallar el error experimental porcentual (E%) del α para cada varilla. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….……… …………………………………………………………………………………………………………………………….……….

7.

Grafique en papel milimetrado la variación del agua (∆L) Vs. variación de la Temperatura (∆T). (Pegue aquí sus gráficas)

8.

Grafique en papel milimetrado la variación del agua (∆V) Vs. variación de la Temperatura (∆T). (Pegue aquí sus gráficas)

9.

Aplicando el método de mínimos cuadrados, halle la tendencia de la gráfica. Determine los coeficientes de dilatación lineal y volumétrica del agua (Pegue aquí su gráfica, incluyendo los mínimos cuadrados)


37


10.


Calcule el coeficiente de dilatación volumétrica del agua a la temperatura inicial T0 con los valores correspondientes a 30ºC: β = .………………………………………

11.

Calcule el coeficiente de dilatación volumétrica del agua a 50°C. Utilice los valores medidos con 50°C y 60°C. (Atención: ¿Cuál es ahora V0?): β = .………………………………………

12.

Justificar si es posible usar el tubo de vidrio con escala en mm, como una medida directa del volumen dilatado en mL. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….……… …………………………………………………………………………………………………………………………….………. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….……… …………………………………………………………………………………………………………………………….……….

13.

Identifique y explique a qué se deben los errores cometidos en este experimento. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….……… …………………………………………………………………………………………………………………………….………. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….……… …………………………………………………………………………………………………………………………….……….

V.

CONCLUSIONES ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….……… …………………………………………………………………………………………………………………………….………. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….……… …………………………………………………………………………………………………………………………….………. ………………………...........….…………………………………………………………………………...........….……… …………………………………………………………………………………………………………………………….……….

EXPERIMENTO N° 07 DILATACIÓN TÉRMICA


ALUMNO: MATRÍCULA:


38



CONDUCCIÓN DEL CALOR EN SÓLIDOS EXPERIENCIA N° 08 Conducción de calor. Mecanismo de transferencia de energía térmica entre dos sistemas basado en el contacto directo de sus partículas sin flujo neto de materia. Tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas. En el espacio ultra alto vacío la conducción del calor es muy reducida y en el espacio vacío ideal es nulo, espacio sin energía.

I.

OBJETIVOS Estudiar la conducción del calor en los sólidos en función de los materiales y de sus dimensiones.

II.

EQUIPOS / MATERIALES 1 Equipo de calentamiento

1 Soporte universal

1 Varilla soporte metálica 250 mm

1 Nuez doble

1 Varilla soporte metálica 600 mm

1 Sugetador ( Clamp )

1 Varilla de Al en U, d 5 mm, b 175 mm

1 Vaso de precipitado, 250 ml

1 Varilla de Cu en U, d 5 mm, b 175 mm

1 agitador de vidrio


1 gotero


1 Probeta graduada, 100 ml

1 termómetro -10 … + 110ºC

1 Cronómetro

1 Manguera flexible, transparente,7 x1,5

5 trozos de papel térmico

Trocitos de porcelana, 200 g

1 vasito metálico

Soporte acanalado para tubos de vidrio

1 Regla graduada o cinta métrica

Papel milimetrado (traer)

1 paño de tela absorbente

EXP. N° 08 – CONDUCCIÓN DEL CALOR EN SÓLIDOS

39



III. FUNDAMENTO TEÓRICO Todos los cuerpos son en mayor o menor medida conductores del calor. Cuando un extremo de un cuerpo se somete por un tiempo prudencial al fuego, este le transfiere energía al cuerpo; esta energía se propaga a través del cuerpo (conducción del calor) calentándolo.

IV. PROCEDIMIENTO PRIMER EXPERIMENTO • Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la Figura 1. • Verifique que un trozo de manguera flexible de unos 10 cm esté colocado en la varilla de soporte corta. • Coloque en el vaso de precipitados unos 200 g trocitos de porcelana. • Vierta unos 200 ml de agua en el vaso de precipitados. • Coloque las varillas en U tal que un extremo se apoye en la varilla corta (que tiene el forrito de manguera aislante) y el vaso de precipitados. Figura 1

CUIDADO: Al manejar el vaso de precipitados caliente, cójalo por el borde superior, con el paño de tela.

b

d

Figura 2

¿QUÉ MATERIAL CONDUCE MEJOR EL CALOR?

Sin colocar aún las varillas en el vaso de precipitados caliente el agua hasta que hierva. Verifique que en cada varilla en U esté colocado un papel térmico casi próximo a un extremo, pegado rodeando la varilla. Verifique que el trozo de papel térmico esté colocado en la varilla de vidrio (agitador), pero totalmente en el extremo. Cuando el agua hierva retire el mechero.


40


Simultáneamente coloque las dos varillas metálicas con un extremo en el agua caliente y el otro sobre la varilla de soporte (figura 1). Cuide que los dos trozos de papel de las varillas estén a la misma distancia (2 cm) del vaso de precipitados. Coloque la varilla de vidrio lo más oblicua posible en el vaso de precipitados, con el papel en la parte superior, tal que no entre en contacto con el vapor de agua Observe el papel térmico de las varillas. Anote sus observaciones cuando empiece a variar su estado de color después de unos tres minutos. ¿Qué sucede con el papel térmico? ¿Cómo están al inicio los papelitos térmicos? : Al: …………………………………………………………………………………… Cu: ………………………………………………………………………………….. Vidrio: ……………………………………………………………………………… ¿Cómo califica el color después de tres minutos? : Al: …………………………………………………………………………………… Cu: ………………………………………………………………………………….. Vidrio: ……………………………………………………………………………… Después de unos minutos toque con cuidado los extremos de las varillas, del lado del papel térmico, y anote sus observaciones. Al: …………………………………………………………………………………… Cu: ………………………………………………………………………………….. Toque el extremo de la varilla de vidrio, y anote lo que observa y a su tacto que aprecia. Vidrio: ………………………………………………………………………………

SEGUNDO EXPERIMENTO • •

•

•


Figura 3

Monte el equipo tal como muestra el diseño experimental de la figura 3. Vierta en el vaso de precipitados 200 ml de agua y coloque dos trocitos de porcelana. Sujete la copa brillante con la pinza universal colocada en el soporte universal como muestra la figura 1. Ahí se introducirá la varilla y se realizarán las mediciones. Coloque el termómetro de forma que el vástago quede aproximadamente 1 cm por encima del fondo de la copa.

¿DE QUÉ DEPENDE EL FLUJO DEL CALOR POR UN METAL?


41



NOTA: El experimento consume mucho tiempo. En las mediciones sobre “Aspecto Cuantitativo Analítico” cada grupo trabajará con una varilla de material diferente. El profesor le asignará la varilla.

• • • • • • • •

Anote en la parte superior de la tabla 1 el material, espesor d y la longitud b de la varilla metálica a estudiar. Caliente el agua, cuando hierva baje un tanto la intensidad de la llama. Mida con exactitud, con la probeta y la pipeta, 20 ml de agua y viértalo en el vasito metálico vacío. Mida la temperatura del agua del vasito, y anótela en la tabla 1 en t = 0 . Coloque la varilla metálica un brazo en el agua hirviendo y el otro en el vasito metálico con agua fría, y ponga en marcha el cronómetro. Agite regularmente el agua de la copa. Mida y protocolice cada minuto la temperatura del agua del vasito metálico Termine la medición a los 12 min. TABLA 1

MATERIAL: …

t (min.)

0

DIÁMETRO d = … 1

2

3

4

5

6

7

LONGITUD b = … 8

9

10

11

12

T (ºC)

MATERIAL

TABLA 2 (opcional) d (mm) b (mm)

Cu

5

175

Al

5

175

Cu

3

175

Cu

5

120

T (ºC)

Graficar los datos de la tabla 1 en papel milimetrado (Pegue aquí)


42


V.


EVALUACIÓN PRIMER EXPERIMENTO: 1.

El papel térmico cambia de color a unos 45°C; a una temperatura inferior es amarillo, a una temperatura superior es rojo. Ordene las varillas de mejor a peor conductividad térmica. ¿Tienen las varillas la misma temperatura en toda su longitud? Razone su respuesta.

SEGUNDO EXPERIMENTO: 2.

¿Por qué aumenta muy poco la temperatura en los dos primeros minutos?

3.

Complete la tabla 2 con los valores ∆T de todos los grupos de la clase. ¿Qué metal conduce mejor el calor?

4.

¿Qué dimensiones de la varilla metálica tiene mayor influencia sobre la cantidad de calor que transmite?

5.

Formule en una expresión cuanto-tanto la relación entre las dimensiones de la varilla y la cantidad de calor.

6.

Averigüe la función del material llamado la vasija de Ingenhouse. Sugerencia: Ver el textos de 3ª de secundaria “Elementos de Física y Química”.

VI. CONCLUSIONES ………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………………………………………………………..

EXPERIMENTO N° 08 CONDUCCIÓN DEL CALOR EN SÓLIDOS


ALUMNO: MATRÍCULA:


43

LABORATORIO DE FÍSICA II – 11° Edición


CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN EXPERIENCIA N° 09

I.

OBJETIVO • • • •

II.

Investigar el comportamiento de la energía térmica absorbida/disipada por una sustancia líquida. Hacer un estudio comparativo de la cantidad de calor absorbido/disipado para diferentes proporciones del líquido. Investigar cómo se transporta el calor en los fluidos

EQUIPOS / MATERIALES Calor absorbido - Disipado

Convección

1 Mechero bunsen 1 Soporte universal 1 Clamp 1 Termómetro 1 Agitador 1 Vaso de precipitado graduado de 500 cc. 1 Vaso de precipitado de 200 cc. Papel milimetrado Papel toalla

1 Mechero bunsen 1 Soporte Universal 1 Clamp 1 Termómetro 1 Pinza universal 1 Vaso de precipitado de 200 cc. 1 Cuchara de mango (espátula) Permanganato de potasio Espiral de papel preparado

III. FUNDAMENTO TEÓRICO Caso 1: CALOR ABSORBIDO Y DISIPADO La energía térmica que gana o pierde un cuerpo de masa m es directamente proporcional a su variación de temperatura. Esto es: Q α m (T − T 0 ) Q = mc ( T − T 0 ) (1) donde: c: calor específico T 0: temperatura inicial de referencia T: temperatura final El suministro de energía térmica por unidad de tiempo a un cuerpo, corresponde a que éste recibe un flujo calorífico H. Si el flujo es constante,

H = EXP. N° 9 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN

dQ = cte dt

(2) 44



dQ dT = mc =H, dt dt

De (1) y (2) se tiene:

luego

dT =

H dt mc

T

Integrando e iterando se tiene:

t

∫ dT = T0

H dt mc ∫0

T =

H t + T0 mc

(3)

La ecuación (3) relaciona la temperatura con el tiempo. Es una función lineal, donde H representa la pendiente y T0 la temperatura inicial. mc Si el cuerpo se encuentra en un sistema adiabático, el trabajo de dilatación se realiza a expensas de la energía interna.

Sin embargo, la variación de la energía en el interior del cuerpo en un proceso no coincide con el trabajo realizado; la energía adquirida de esta manera se denomina cantidad de calor, es positiva cuando absorbe calor y negativa cuando disipa calor.

La energía interna del cuerpo aumenta a costa de la cantidad de calor adquirida dq, y disminuye a costa del trabajo realizado por el cuerpo dw (principio de conservación de la energía en los procesos térmicos). Se le conoce como la primera ley de la termodinámica, y se expresa como:

dU = dQ − PdV

(4)

Caso 2: CONVECCIÓN La propagación del calor se puede dar por tres métodos diferentes: conducción (en sólidos), convección (en fluidos) y radiación, a través de cualquier medio transparente a ella. Si hay diferencia de temperatura entre dos puntos, el calor siempre se propaga de la zona más caliente a la menos caliente. CONVECCIÓN: Es la manera más eficiente de propagación del calor, se da en los fluidos. Un fluido cálido, por diferencia de densidades, asciende hacia regiones menos calientes; por compensación un fluido frío desciende a tomar su lugar; si continúa así este movimiento, da lugar a la formación de células convectivas. Ejemplo, cuando el agua hierve se forman burbujas (regiones calientes) que ascienden hacia regiones menos calientes, las células convectivas en la atmósfera que dan lugar a las precipitaciones pluviales.

EXP. N° 9 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN

45



IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE 1. CALOR ABSORBIDO/DISIPADO 1. Monte el equipo, como muestra el diseño experimental. 2. Coloque 400g agua en el vaso pírex a temperatura del ambiente. 3. Encienda el mechero. Mantenga el flujo de calor constante durante toda la experiencia. La llama no debe ser muy fuerte ni estar muy cerca al vaso. 4. Agite el agua previamente y lea la temperatura cada 30s hasta llegar al punto de ebullición. Anote los datos en la Tabla N° 1. Figura 1. Calor Absorbido / Disipado

TABLA 1 (m = 400 g) Temperatura inicial = ………………… t (min) T(oC) t (min) T(oC) t (min) T(oC)

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5

11.0

11.5

12.0

12.5

13.0

13.5

15.0

15.5

16.0

16.5

17.0

17.5

14.0

14.5

5. Repita los pasos (1) al (4) bajo las mismas condiciones anteriores; pero ahora para la mitad de la cantidad de agua que la anterior. Anote los datos en la Tabla 2. TABLA 2 (m/2 = 200 g) t (min) T(oC) t (min) T(oC)

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5

11.0

11.5

12.0


46



6.

Grafique la variación de temperatura T versus el tiempo t, para los dos casos anteriores. (Use papel milimetrado) (Pegue aquí)

7.

Determine la ecuación de la gráfica por el método de mínimos cuadrados, considerando la temperatura hasta 750C. De los gráficos ¿Cómo identificaría el líquido que tiene mayor masa? ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… Determine la cantidad de calor absorbido para cada caso ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………..

8.

Vierta esta agua caliente en la probeta graduada hasta 200 ml. Luego viértalo en el vaso de espuma de poliuretano. Coloque un termómetro en el vaso de espuma y tome la temperatura del agua cada 10 s durante 3 minutos. Anote los datos en la tabla 3. TABLA 3 t (seg) T(oC) t (seg) T(oC)

9.

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180

Seque un cubo de hielo con una toalla de papel e introdúzcalo en el agua.

10. Continúe tomando la temperatura cada 10s, hasta 3 minutos después que el cubo de hielo se haya fundido. Anote los datos en la tabla 4. TABLA 4 t (seg) T(oC) t (seg) T(oC)

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160

170

180


47



Determine el volumen final del agua.

Vagua ( final ) =

…………….

¿Qué masa tenía el agua originalmente?

magua (original ) =

…………….

¿Qué masa tenía el hielo originalmente? mhielo (original ) = ……………. Explique ¿cómo determinó estas masas? ………………………………………………………………………………………………………………………………… …….………………………………………………………………………………………………………………………… 11. Haga una gráfica de T versus t. (Pegue aquí)

Calcule la cantidad total de calor perdida por el agua mientras el hielo se fundía. cagua = 1,00 cal Q = mc∆T g ⋅º C Q perdida (inicial ) = …………………………………. cal MONTAJE 2. CONVECCIÓN (EN AGUA) 1. En el vaso de precipitados vierta alrededor de 400 ml de agua. 2. Por el borde del vaso de precipitados deje caer en el agua algunos cristales de Permanganato potásico. 3. Con la llama baja coloque el mechero debajo del borde inferior del vaso de precipitados. 4. Mientras se calienta, observe atentamente el agua coloreada. Anote sus impresiones. ……………….…………………………………………………………………………………………….……………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………… 5. En la figura 2, señale el camino recorrido por el agua coloreada. Explique lo que observa mientras se calienta el agua. ....................................................................................................................................... ....................................................................................................................................... .......................................................................................................................................

Figura 2. Se calienta el agua EXP. N° 9 – CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN

48



MONTAJE 3. CONVECCIÓN (EN AIRE) 1. 2.

Desglose la hoja con las figuras de espirales y recorte cuidadosamente. Haga un nudo en el sedal y páselo por un orificio previamente hecho en el centro de la espiral. (Figura 3). 3. Encienda el mechero con una llama baja. 4. Cuelgue la espiral entre 15 y 20 cm por encima del mechero. 5. Observe atentamente el fenómeno. Anote sus impresiones. ……………….…………………………………………………………………………………………….………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………… ¿Para la espiral confeccionada del otro sentido, el giro sería el mismo? ¿Por qué? ……………….……………………………………………………………….………………….…………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………… 6.

Señale tres ejemplos en los que se observe este fenómeno. a. ……………….………………………………………………………………………………………………………. b. ………………………………………………………………………………………………………………………… c. ………………………………………………………………………………………………………………………….

Nota importante ¡Las espirales de papel pueden arder! Colóquela al menos 15 cm por encima del mechero

] Mín. 15 cm

Figura 3: Se calienta el aire

V.

EVALUACIÓN 1. Si en lugar de agua, se utiliza otro líquido de mayor calor específico, pero de igual masa, ¿Cómo sería el gráfico? Trácelo y descríbalo. (Pegue aquí) 2. ¿Por qué en el ajuste de la gráfica no se considera el intervalo de 75oC a 100oC? …………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………


49



3. Determine el flujo calorífico en cada caso. Físicamente, ¿a quién se debe dicho valor? …………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………… 4. Indique el tiempo que demoró en recorrer el intervalo 80°C y 85°C. Revise el caso registrado entre 50°C y 55°C. …………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………..…………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………… 5. ¿Qué relación existe entre las pendientes de las diferentes gráficas y la cantidad de calor absorbida para los diferentes casos? …………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………….……………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………… 6. Investigue y explique sobre la convección forzada, de ejemplos de aplicación. …………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………… 7. Los motores automotrices no pueden refrigerarse por si solos, ¿Qué sistemas usan y que principio de propagación usan para disipar la energía calorífica? …………………………………………………………………………………………..……………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………… En las minas subterráneas se presenta el problema de la circulación de aire. Investigue que sistemas usan y con qué principio físico se desarrollan. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………………

8. Se sabe que el Sol está constituido por diversos gases, investigue usted cómo ocurre el transporte de energía a través de él. …………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………

VI.

CONCLUSIONES …………………………………………………………………………………………..…………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………..…………… ………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………..……………………

EXPERIMENTO N° 09 CALOR ABSORBIDO/DISIPADO Y CONVECCIÓN


ALUMNO: MATRÍCULA:


50



Figura 4

(Desglosar y recortar)


51



Página reversa de la figuras de espirales (Para desglosar y recortar)


52



CAMBIOS DE FASE DE LA NAFTALINA EXPERIENCIA N° 10

Josiah Willard Gibbs. (New Haven, EE UU, 1839-id., 1903) Físico y químico estadounidense. Dedujo la regla de las fases, que permite determinar los grados de libertad de un sistema fisicoquímico en función del número de componentes del sistema y del número de fases en que se presenta la materia involucrada. También definió una nueva función de estado del sistema termodinámico, la denominada energía libre o energía de Gibbs (G), que permite prever la espontaneidad de un determinado proceso fisicoquímico (como puedan ser una reacción química o bien un cambio de estado) experimentado por un sistema sin necesidad de interferir en el medio ambiente que le rodea.

I.

OBJETIVO

• Investigar sobre la curva de fusión y de solidificación de la naftalina.

II.

EQUIPOS / MATERIALES 1 Equipo de calentamiento 1 Soporte universal 1 Tubo de prueba 1 Vaso de pírex (500 CC) Naftalina Papel milimetrado

2 Termómetros 2 Clamp o agarraderas 1 Cronómetro Agitador de vidrio Agua

III. FUNDAMENTO TEÓRICO Al cambio de fase de sólido a líquido de una sustancia se le denomina fusión, la temperatura asociada a este cambio se le denomina punto de fusión. Al cambio de fase de líquido a sólido se le denomina solidificación, la temperatura asociada a este cambio se denominada punto de solidificación. En estos cambios de estado necesariamente interviene una energía de naturaleza térmica, la cual es absorbida o disipada por el cuerpo. Esta tiene como fin hacer más activas las moléculas que se encuentran ligadas por fuerzas atractivas; o en todo caso a reagruparlas. El punto de solidificación coincide con el punto de fusión y durante la solidificación, el calor que fue absorbido en la fusión es liberado.

EXP. N° 10 CAMBIOS DE FASE DE LA NAFTALINA

53



IV. PROCEDIMIENTO MONTAJE 1. Coloque la naftalina y un termómetro, que eventualmente pueda servir como agitador (agite con cuidado), dentro del tubo de prueba mnaftalina

2. Vierta 400 ml de agua al pirex 3. Coloque en el tubo de ensayo la naftalina y el termómetro. Sumerja el tubo de ensayo en el vaso de precipitado. 4. Coloque un termómetro adicional en el agua para monitorear su temperatura como se muestra en la figura N° 1. 5. Caliente el agua y registre los valores de la temperatura del tubo de ensayo cada Figura 1 30 segundos hasta que la naftalina se funda y luego déjela enfriar hasta que solidifique (Registre la temperatura durante todo el proceso). TABLA N° 1 t (min)

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

7.0

7.5

8.0

8.5

9.0

9.5

10.0

10.5

11.0

11.5

12.0

12.5

13.0

13.5

14.0

14.5

15.0

15.5

16.0

16.5

17.0

17.5

18.0

18.5

19.0

19.5

20.0

20.5

21.0

21.5

22.0

22.5

23.0

23.5

24.0

24.5

25.0

25.5

26.0

26.5

27.0

27.5

28.0

28.5

29.0

29.5

T (°C)

t (min) T (°C)

t (min) T (°C)

t (min) T (°C)

Incrementar tablas si fuera necesario


54



T fusión

Registre la temperatura de fusión.

Indique en qué instante y a qué temperatura se realiza el proceso de solidificación. t

T solidifica ción =

V.

EVALUACIÓN 1. 2.

Trace la gráfica de la curva de solidificación: temperatura T versus tiempo t, y discuta cada tramo de la gráfica. ¿Coinciden el punto de fusión y solidificación en el proceso?

3.

Si el punto de solidificación de la naftalina se considera 80°C ¿A qué se debe la diferencia observada en la gráfica?

4.

¿Cuáles son las posibles fuentes de errores en este experimento? …………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………

5.

¿Es posible determinar la cantidad de calor por unidad de tiempo que se desprende en el proceso de solidificación?

6.

Explique en qué consiste la fusión franca y la fusión pastosa.

VI. CONCLUSIONES ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… EXPERIMENTO N° 10 CAMBIOS DE FASE DE LA NAFTALINA


ALUMNO: MATRÍCULA:


55



CALOR ESPECÍFICO EXPERIENCIA N° 11

Las moléculas tienen una estructura interna porque están compuestas de átomos que tienen diferentes grados de libertad. La energía cinética almacenada en estos grados de libertad internos no contribuye a la temperatura de la sustancia sino a su calor específico.

I.

OBJETIVO •

II.

Determinar el calor específico de objetos sólidos

EQUIPOS / MATERIALES 1 Equipo de calentamiento

2 sugetador ( Clamp )

1 Soporte universal

1 Varilla metálica

1 Calorímetro de mezclas

1 Termómetro

1 Probeta graduada, 100 ml

1 Vaso de precipitado, 500 ml

1 Balanza

Agua potable

Muestras metálicas

III. FUNDAMENTO TEÓRICO La cantidad de calor Q disipado o absorbido por cuerpos de la misma sustancia es directamente proporcional a la variación de la temperatura T: Q Q' = ∆T ∆T '

(1)

También, el calor cedido o absorbido por cuerpos distintos, pero de la misma sustancia, son directamente proporcionales a la masa m: Q Q' = m m'

(2)

El calor específico (c ) de un cuerpo se define como:

c=

1 dQ m dT

(3)

Donde dQ es el elemento de la cantidad de calor que intercambian los cuerpos con el medio que lo rodea, mientras que dT es el elemento de variación de temperatura que experimentan los cuerpos.

EXP. N° 11 – CALOR ESPECÍFICO

56



La cantidad de calor transferida/absorbida por el cuerpo depende de las condiciones en que se ejecuta el proceso. En la presente experiencia se utilizará el método de mezclas y el proceso de medida se realizará a presión constante.

Medida del calor especifico de una muestra sólida Método de mezclas En un sistema convenientemente aislado para evitar perdida de calor, que contiene en su interior agua cuya masa fue previamente medida, y un termómetro sumergido en el para medir la temperatura inicial del agua, se introduce la muestra previamente calentada, entonces la muestra de mayor temperatura transfiere energía calorífica al agua que se encuentra en el calorímetro, Observándose luego un equilibrio térmico o temperatura final entre la muestra y el agua.

 Calor perdido  Calor ganado Calor ganado + − =     por la muestra  por el agua   por el calorímetro La ecuación que rige este sistema está dado de la siguiente, manera

− Qm = QH 2O + QCAL

(4)

En el equilibrio térmico

m m Ce m ∆ T = ( m H 2 O Ce H 2 O + m CAL Ce CAL ) ∆ T ' Ce m =

( m H 2 O Ce H 2 O + m CAL Ce CAL ) ∆ T ' mm∆T

(5)

Donde

∆ T = (100 o C − T F ) ∆ T ' = (T F − T i ) m m Masa de la muestra. m H 2 O Masa del agua, m CAL masa del calorímetro

IV. PROCEDIMIENTO DETERMINACIÓN DEL CALOR ESPECÍFICO DE UN METAL 1. Dentro del calorímetro, vierta 150 ml de agua ( m H 2 O ) y mida la temperatura inicial del sistema Ti. 2. Con la balanza de tres brazos determine la masa del cilindro de metal mm y anote este valor en la tabla 1. 3. En vaso de pirex vierta 500 ml de agua. Suspenda el termómetro y los cilindros de metal como se muestra en


57



la figura y proceda a calentar el sistema con el mechero bunsen hasta que el agua o

hierva a la temperatura de 100 C , mantener la muestra durante 7 minutos, 4. Retire la muestra del pirex e Introduzca rápidamente dentro del calorímetro y cierre herméticamente y espere 2 minutos para que llegue al equilibrio térmico (temperatura final). 5. Con un termómetro mida la temperatura del sistema en equilibrio TF. 6. Con la ecuación (5) y los valores de la tabla 1, determine el calor especifico de cada muestra Ce m Tabla 1 Muestra

mm

m H 2O

mCAL

Ti

TF

∆T

∆T '

1 2 3

V.

EVALUACIÓN 1. 2. 3. 4. 5.

Defina el calor específico de un material, cual es la diferencia con capacidad calorífica. Enumere y explique tres fuentes de error cometidos en este experimento. ¿Qué es un calorímetro? y explique su uso. ¿Cuál sería la diferencia si en vez de agua usamos aceite para determinar el calor específico del aluminio? Investigue cuántos tipos de calorímetros hay en el mercado y cuál es el uso de cada uno de ellos.

VI. CONCLUSIONES ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………………………………………………

EXPERIMENTO N° 11 CALOR ESPECÍFICO


ALUMNO: MATRÍCULA:


58

LABORATORIO DE FÍSICA II – 11º EDICION

DAFI – FCF - UNMSM

VELOCIDAD DEL SONIDO EXPERIENCIA Nº 12 I.

OBJETIVO • Determinar la rapidez del sonido en el aire por el método del tubo de resonancia

II.

EQUIPOS / MATERIALES 1 Tubo de resonancia 1 Martillo de goma 1 Recipiente para agua 1 Calibrador Vernier 3 Diapasones de frecuencias diferentes

Pinzas Varillas métricas Agua potable Cuerda

III. FUNDAMENTO TEORICO Velocidad del sonido en el aire Entre la velocidad de propagación v de una onda, su longitud de onda λ y su frecuencia f existe la relación,

v = λf

(1)

De modo que si somos capaces de medir λ y f podremos determinar la velocidad de propagación v del sonido. Resonancia Si una fuente sonora, como un diapasón vibrando, de frecuencia conocida se acerca al extremo libre del tubo de resonancia, las ondas se propagan a través de la columna de aire contenida en el tubo; estas se reflejan en el extremo inferior cerrado. Ajustando la longitud de la columna de aire de modo que sea igual a un cuarto de la longitud de la columna de onda del tono emitido por el diapasón, la onda reflejada llegará al extremo abierto precisamente en fase con la nueva vibración del diapasón (el ángulo de desfase en la reflexión en el extremo cerrado es de 180°) se produce una intensificación del sonido respecto al inicial. Este fenómeno se conoce como RESONANCIA. En la columna de aire se establece una onda estacionaria, producida por la interferencia entre el tren de ondas incidente y el reflejado; con un nodo en el extremo cerrado y un antitodo en el extremo abierto.

Exp. N° 12 VELOCIDAD DEL SONIDO

59



La columna de aire entrará en resonancia, en general, siempre que su longitud sea exactamente un múltiplo impar de cuartos de longitud de onda, ver fig.1.

L1 = (2n − 1)

λ 4

,

N

(a) n=1

(2)

( n = 1,2,3,.........)

A

A

A

N

N

A

A

L: longitud de la columna de aire. N

La distancia que separa dos nodos (o dos antinodos) consecutivos corresponde a media

n=2

longitud de onda λ . 2 e

(b)

Figura 1 L1

n=1 L2

n=2

N A N

(c)

n=3 En realidad, la posición del primer antitodo no coincide exactamente con el extremo abierto del tubo, sino que se encuentre a una cierta distancia e fuera del mismo. En la Fig. (2) se indican las condiciones de vibración para las dos primeras posiciones de resonancia y a partir de ellas podemos escribir:

L1 + e =

λ 4

L2 + e =

,

3λ 4

Figura 2 e: corrección del extremo. De modo que si medimos L1 y L2 se encuentra que:

λ = 2 ( L 2 − L1 ) ,

e=

1 (L 2 − 3 L1 ) 2

Determinando así el valor de la longitud de onda λ y conocida la frecuencia del diapasón f (especificada por el fabricante), a partir de la expresión (1) se determina la velocidad del sonido en el aire. De otro lado, la velocidad v del sonido en aire, es una función de la presión P y de la densidad del aire ρ.


v = 1,40

P

ρ

60


Donde


cP = 1,40 (razón del calor especifico a presión constante a del calor cV

específicos a volumen constante). Mientras que la densidad es dependiente de la presión, la velocidad del sonido es independiente de los cambios en la presión del aire. Sin embargo, la densidad es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura absoluta. Esto indica que si conocen: v1 , T1 y T2 se podrá obtener v 2 a partir de la relación,

v1 = v2

T1 T2

El desarrollo en series de Taylor de esta ecuación, muestra que la velocidad v S del sonido en el aire a una temperatura T (no demasiado mayor que 0°C se encuentra mediante la ecuación,

v S = v 0 + 0 , 6T

(3)

Donde v0 es la velocidad del sonido en el aire a 0°C, 331,5 m/s.


61



IV. PROCEDIMIENTO 1. Monte el equipo según el diseño experimental. 2. Coloque agua en el tubo hasta que este casi lleno. El nivel del agua en el tubo lo puede ajustar subiendo o bajando el recipiente R.

R

3. Registre en la tabla 1, la frecuencia de cada diapasón, la temperatura ambiente en la velocidad al aparato y dentro del tubo. 4. Excite los diapasones con un ligero golpe del martillo de goma.

diapasón

¿Qué produce el sonido? …………………………………………………… ……………………………………………………

Diferencie los diferentes tonos de sonido. ¿Qué tonos son más fáciles de sentir, los agudos o los graves? Explique. ………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………........... Tabla 1 TEMPERATURA AMBIENTE (0C) f1 (diapasón 1) = Hz n posición de resonancia

L (cm)

λ (cm)

TEMPERATURA AMBIENTE (0C) f2(diapasón 2) = Hz n posición de resonancia

n =1 n =2 n =3

n =1 n =2 n =3

λpromedio (cm):

λ promedio(cm):

L (cm)

λ (cm)

5. Excite un diapasón. Inmediatamente coloque el diapasón en la proximidad de la boca del tubo. Haga descender lentamente el nivel del agua hasta que se produzca la resonancia.

IMPORTANTE: No permita que el diapasón toque la parte superior del tubo cuando este vibrando. ¡Podría quebrarse!


62



¿Cómo identificará la resonancia? ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… 6. Marque la probable posición del primer punto de resonancia. Subiendo y bajando el nivel de agua alrededor del punto marcado determine lo más exactamente posible posición correcta. Registre esta posición en la tabla 1.

7. Baje el nivel de agua para encontrar otras resonancias, hasta que la longitud del tubo lo permita. Marque sus posiciones exactas. Registre los datos en la tabla 1. De cada uno de los diferentes L n , determine λ y calcule el promedio. ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… 8. Reste el valor de la primera posición de resonancia de cada una de las otras en

L − L1 (n = 1,2,3,.........) orden secuencial y anótelas como n , , donde L1 es la distancia a la primera posición de resonancia. Estas diferencia son: λ , 2

L 2 − L1 = λ

λ,

L3 − L1 = λ

3λ , 2

L 4 − L1 = 3λ

2

2 , ……

9. Repita los pasos anteriores con un diapasón de frecuencia diferente. Complete la Tabla 1. Con el valor promedio de λ y la frecuencia dada de los diapasones, calcule la velocidad del sonido en el aire a temperatura ambiente, usando la ecuación ( 1 ). ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Mediante la ecuación (3) calcule la velocidad del sonido en el aire a temperatura ambiente. De su resultado con el error porcentual del valor promedio del experimento. ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Determine la corrección del extremo e.


63


V.


TAREA 1. Demuestre las ecuaciones ( 2 ) y ( 3 ). Explique como encontraría, usando este método, la frecuencia de un diapasón que no se conoce su frecuencia.

2. Con los resultados obtenidos, determine la velocidad del sonido a 0ºC. 3. Enumere y clasifique las posibles fuentes de error en la presente experiencia.

VI. CONCLUSIONES …………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………... ……………………………………………………………………………………………

EXPERIMENTO N° 12 VELOCIDAD DEL SONIDO


ALUMNO: MATRÍCULA:


64

LABORATORIO DE FÍSICA II . 11ª Edición


APÉNDICE DENSIDAD La densidad es la relación entre la masa y el volumen y depende tanto del estado en el que se encuentre el elemento como de la temperatura del mismo. En la mayor parte de los casos que se representan en la primera Tabla, los datos corresponden a los elementos en estado sólido y a una temperatura de 293 K. En la siguiente Tabla se puede observar la periodicidad de esta propiedad, correspondiendo los valores más altos de la densidad a los elementos de transición. También podemos extraer conclusiones si comparamos esta distribución de valores con los correspondientes a los puntos de fusión y puntos de ebullición de los elementos, que presentan un tipo similar de periodicidad.

Tabla de Densidades de elementos químicos Fuente: w3.cnice.mec.es/eos/MaterialesEducativos/mem2002/quimica/properiodicas/densidad.html - 5k

APÉNDICE

65

LABORATORIO DE FÍSICA II . 11ª Edición

Hg

Pb

Tabla de Densidades ( x 103 kg/m3)* Latón Fe Al Aire Agua

Alcohol etílico 13,6 11,3 8,92 8,6 7,8 2,70 1,29 1,00 0,917 0,816 Fuente: Sears-Zemansky-Young / Serway * Valores a presión atmosférica y temperatura normales

0ºC 1,792

0ºC 171

Cu


Tabla de Viscosidad del agua (cp) 20ºC 40ºC 60ºC 80ºC 1,005 0,656 0,469 0,357 Tabla de Viscosidad del aire (cp) 20ºC 40ºC 60ºC 181 190 200

80ºC 209

Hielo

100ºC 0,284

100ºC 218

Tabla de Viscosidad de la sangre entera (cp) 37ºC 2,7 Tabla de Tensión superficial del agua (din/cm) 0ºC 20ºC 60ºC 100ºC 75,6 72,8 66,2 58,9 Coeficiente de Dilatación (a 20ºC) Agua Glicerol Aceite de oliva Alcohol metílico Acetato de etilo

(J/kg K) (cal/g°C)

Al 880 0,211

α (10-3K-1) 0,20 0,50 0,72 1,11 1,37

Tabla de Calores específicos Sn Pb Fe 230 130 450 0,055 0,031 0,108

Zn 318 0,076

Cu 390 0,083

Fuente: Koshkin N. I., Shirkévich M. G.. Manual de Física Elemental. Editorial Mir 1975, pág. 74-75

APÉNDICE

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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE FÍSICA INTERDISCIPLINARIA LABORATORIO DE CALOR, TERMODINÁMICA, FLUIDOS Y ONDAS

Guia Laboratorio FII 2017.pdf

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