Universidad Mayor de San Andrés Facultad de Ingeniería
FIS 102 - LAB
LABORATORIO Nº 6
Docente
:
Carrera
:
Ing. Flores Meneses Oscar Febo
Estudiante:
Materia
:
Fecha de lab.
Lab. Física 102
:
Fecha de entrega:
La Paz – Bolivia
Laboratorio Física-102
Coeficiente e Con!"ctivi!a! #$r%ica
LABORATORIO Nº6 Coeficiente De Conductividad Térmica 1. OBJETIO!"
Encontrar conducción
el coeficiente de conductividad & - para diferentes materiales.
térmica
por
#. $ARCO TE%RICO" La segunda ley de la termodinámica tiene variadas connotaciones, entre ellas de que si un cuerpo está a una temperatura mayor que otro, el primero cederá calor al segundo, este proceso es conocido como transferencia de calor o propagación de calor. Existen tres formas en que el calor se propaga, éstas son:
•
Conducción
En una barra metálica, el calor se transmite por conducción Si calentamos una barra metálica por un extremo, el calor se transmite asta el otro extremo. El transporte de energ!a se reali"a part!cula a part!cula# las part!culas con mayor energ!a cinética ceden parte de su energ!a a las part!culas adyacentes. $ero no todos los cuerpos conducen el calor por igual. Los metales conducen me%or el calor que los plásticos o la madera.En la conducción se transporta energ!a sin que aya transporte de materia. &e esta forma se transmite el calor en los sólidos. •
Convección
Las aves usan las corrientes de convección para planear 'l calentar un recipiente que contiene agua, el calor se reparte rápidamente por toda la masa del l!quido# esto es debido a que, cuando el agua del fondo se calienta, disminuye su densidad (se dilata) y sube a la superficie, despla"ando *+*
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a las part!culas de las "onas más fr!as, que ba%an. Se establecen corrientes de convección.En la convección ay transporte de energ!a y de materia. 's! se transmite el calor en l!quidos y gases. •
Radiación
La energ!a se puede transportar de un cuerpo a otro sin que aya contacto f!sico entre ellos. La energ!a del Sol llega a la ierra a través del vac!o. Esta transmisión de energ!a se produce por radiación. odos los cuerpos emiten energ!a por radiación# la cantidad que irradian depende de la diferencia de temperatura entre el cuerpo y el ambiente. En la radiación, la energ!a pasa de un cuerpo a otro sin que aya contacto entre ellos. El coeficiente de conductividad térmica es una caracter!stica de cada sustancia y expresa la magnitud de su capacidad de conducir el calor. Su s!mbolo es la letra griega λ. En el Sistema /nternacional de 0nidades (S/) se mide en vatio 1 metro 2 3elvin (41(m56)), en 3ilocalor!a 1 ora 2 metro 2 3elvin (3cal1 (5m56)), en el sistema técnico y en 70 1 ora 2 pie 2 8areneit (701(5ft598)), en el sistema anglosa%ón. El coeficiente de conductividad térmica expresa la cantidad o flu%o de calor que pasa a través de la unidad de superficie de una muestra del material, de extensión infinita, caras plano*paralelas y espesor unidad, cuando entre sus caras se establece una diferencia de temperaturas igual a la unidad, en condiciones estacionarias. Este coeficiente var!a con las condiciones del material (umedad que contiene, temperatura a la que se ace la medición), por lo que se fi%an condiciones para acerlo, generalmente para material seco y +9; (temperatura media de traba%o de los materiales de construcción) y en otras ocasiones, <== 6 (>?,@A 9;).Se refiere a la capacidad de un material para transmitir el calor. El coeficiente de conductividad térmica (λ) caracteri"a la cantidad de calor necesario por m>, para que atravesando durante la unidad de tiempo, +m de material omogéneo obtenga una diferencia de +9; de temperatura entre las dos caras.La conductividad térmica se expresa en unidades de 41m56 (B1s5 m5 9;). Es una propiedad intr!nseca de cada material que var!a en función de la temperatura a la que se efectCa la medida, por lo que suelen acerse las mediciones a <== 6 con el ob%eto de poder comparar unos elementos con otros. *>*
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A'(uno) va'ore) t*+ico) de conductividad térmica - , $ateria' 1 # 2 3 4 6 5 7 18 11 1# 12 13 14 16 15 1 17 #8
Conductividad Térmica 1 1 ,/0m 0&
'gua Didrio Fadera 'cero 'ire 'lcool 'luminio 7ronce Iinc ;obre ;orco EstaJo Difra de Didrio Klicerina ierro Ladrillo Latón Mro $arafina $lata
=,@ =,? +,= =,+< AG * @ =,=> =,+? +=H,< ++? +@? +=? * +A= ,+ <@,> =,=A =<= ?A,= =,=< =,=G =,>H @=,> =,@= @+ ++? <=@,> =,>+ A@?,+ A+@,>
Coficientes de conductividad térmica (W/m · K) abla de coeficientes de conductividad térmica de algunos materiales de uso comCn.
*<*
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Coeficiente e Con!"ctivi!a! #$r%ica
En el experimento que se reali"ará se utili"ará la siguiente fórmula:
& ' ( F"si)n * L * +%# – %2 , *+# 2 – # 1 ,
Donde" : Coeficiente de conductividad de la pieza de prueba. 9 L : espesor de la pieza de prueba por la cual se propaga el calor por conducción. A " área de la base del hielo que está en contacto con la pieza de prueba. T " temperatura de ebullición del agua en el lugar donde se realizó el # experimento.
T 1" m " T
temperatura de fusión del agua
si el hielo esta en proceso de derretimiento.
masa de hielo por unidad de tiempo que se derrite por el aporte de flujo calorífico proveniente del medio ambiente más el que se gana a través de la pieza de prueba.
: m #
masa de hielo por unidad de tiempo que se derrite por el flujo de calor que gana del medio ambiente.
2. :OR$;LACI%N DE LA <=%TE!I!" La validación estad!stica de la ecuación para el cálculo de 6-, requiere la reali"ación de varios ensayos, situación que en práctica se dificulta, ya que no se dispone de la cantidad suficiente de bloques de ielo para reali"ar el experimento con varias pie"as de pie"as. ;onsecuentemente, la validación de la ipótesis consistirá en determinar que el valor de 3- depende del material, para ello se reali"arán pruebas en pie"as de diferentes materiales y verificar que estos son significativamente diferentes.
3. DI!E>O DEL E?=ERI$ENTO" 3.1. $ateria' @ Eui+o" •
;a%a receptora de vapor con los siguientes accesorios: * Niples de conexión para manguera. * 'pertura en la parte superior. * $laquitas de su%eción. * Soporte base.
•
•
Kenerador de vapor con manguera para conexión a los Niples de la ca%a receptora de vapor. Oecipiente para verter el ielo derretido.
•
7alan"a.
•
$ie"a de prueba con revestimiento impermeable y apoyos para el bloque de ielo.
•
;ronómetro.
•
;ilindros de ielo a =9;.
•
Dernier. *A*
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3.#. =rocedimiento +revio" ;on anticipación a un d!a del experimento, verter en los moldes cil!ndricos agua para su congelación en un refrigerador, debe asegurarse que es agua sea pura y limpia, pues contaminantes alteran la temperatura de congelación.
3.2. :'uo de ca'or entre(ado
+or e' medio amiente a' ie'o m F #
+. Extraer el bloque de ielo con su molde del refrigerador y de%arlo al ambiente para que la temperatura del mismo suba a la de cambio de estado, es decir que el ielo empiece a derretir. >. Fonte la pie"a de prueba sobre la ca%a receptora de vapor. <. Extraer el ielo de su molde y colocarlo sobre la pie"a de prueba como se muestra en la gu!a pero sin introducir todav!a vapor de la ca%a receptora. A. /ntroducir el recipiente para verter el ielo derretido, simultáneamente registre inicio con el cronómetro, esperar derretimiento del ielo por aproximadamente += minutos y retirar el recipiente con el l!quido derretido. . $esar el agua derretida P4, registrando el intervalo de tiempo Pt>, recuerde que: Pm>QP4>1g. ?. Nótese que este procedimiento se reali"a una sola ve".
3.3. :'uo de ca'or entre(ado +or e' medio amiente mG) +ro+orcionado +or e' va+or a travé) de 'a +ieHa de +ruea m F T
e'
1. ;alentar agua en el generador de vapor. 2. /ntroducir vapor producido por el generador en la ca%a receptora
3.
4. 5. 6.
7. 8. 9.
como se muestra en la gu!a, debe acer uso de mangueritas en los Niples. Derificar que la superficie inferior del cilindro de ielo esté plana para acer buen contacto con la superficie de la pie"a d prueba. Oegistrar el material de la pie"a de prueba. Fedir el diámetro de la base del cilindro de ielo-d+-. /ntroducir el recipiente para verter el ielo derretido, simultáneamente registre inicio con el cronómetro, esperar derretimiento de ielo durante a += minutos y retirar el recipiente con el l!quido vertido. $esar el agua vertida P4, registrando el intervalo de tiempo Pt. Fedir el diámetro de la base del cilindro de ielo d>-. Oepetir el proceso para otras pie"as de prueba desde el paso A de esta Cltima parte. **
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4. =RE!ENTACI%N DE RE!;LTADO!" 4.1. CG'cu'o)" Determinacin de m " # Sabemos que m> Q Pm> , donde: Pm> Q P4>, los valores de: P4> y Pt> se Pt> g miden en experimento con la balan"a y con un cronómetro. Oempla"ando datos tenemos: P4> Q +H,@ g*f R + 6g*f R +===g*f
H,@ N Q =,+HA=A (N) + 6g*f
Pm> Q P4> Q =,+HA=A(N) Q +H,@ gramos. g H,GG(m1s>) m> Q Pm> Q +H,@ (gr) Q 8866#,(rK)e( Pt> <== (seg)
Determinacin de m " T 'nálogamente aplicamos: m Q Pm , donde: Pm Q P4, los valores de: Pt g P4 y Pt se obtienen a diferencia de la primera parte del experimento# con vapor circulando en la parte inferior de la pie"a de prueba y se aplica par diferentes pie"as de prueba.
$ateria'" idrio P4 Q G@,> g*f R + 6g*f R +===g*f
H,@ N Q =,G??
Pm Q P4 Q =,G??) m Q Pm Q G@,A (gr) Q 8#612,(rK)e( Pt <== (seg)
$ateria'" @e)o P4 Q +,G g*f R + 6g*f R +===g*f
H,@ N Q =,+<@? (N) + 6g*f
Pm Q P4 Q =,+<@? (N) Q +,GA= gramos. g H,GG(m1s>) *?*
Laboratorio Física-102 m Q Pm Q Pt •
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+,GA=(gr) Q 884#3,(rK)e( <== (seg)
Determinacin de 'o) coeficiente) diferente) +ieHa) de +ruea).
de
conductividad
9
de
'plicar la ecuación mostrada en el marco teórico para cada una de las pie"as de prueba para encontrar: 3 de deferentes materiales. &onde: ' Q R d+ T d> >,pues se traba%a con el área promedio. A > Oempla"ando datos tenemos: Material: Vidrio. ' Q R d+ T d> A >
>
Q R G,><=(cm)TG,=> Q A >
Oempla"ando los datos en la ecuación:
& ' ( F"si)n * L * +%# – %2 , Q<,<,?+R+=*)3g *+# 2 – # 1 , !"#""$%&' $()&*+ , -*+/ 1 1 k vidrio 2#3 , /0m 0& Material: eso. ' Q R d+ T d> A >
>
Q R G,><=(cm)TG,=> Q A >
Oempla"ando los datos en la ecuación:
& ' ( F"si)n * L * +%# – %2 , Q<,<AR+=**?,?>R+=*)3g *+# 2 – # 1 , !"#""$%&' $()&*+ , -*+/ 1 1 k yeso 81215 , /0m 0&
6. DI!C;!I%N DEL TE$A" 1. !i )e em+'eara e' ie'o con )u mo'de en e' eM+erimento 'a (anancia de' ca'or +or radiacin di)minuirG +ue)to ue e' mo'de e) de co'or 'anco )in emar(o 'a) (anancia) +or conduccin )uen a ue e' materia' +'G)tico de' mo'de tiene un 9 maor ue 'a de' aire en )uma"Cmo cree u)ted ue e' ie'o (anarG meno) f'uo de ca'or de' entornoP con e' mo'de o )in e' mo'deP R+ta. ;on el molde por que como se puede observar en la gu!a del experimento la transmisión de calor o propagación a un cuerpo es por todo lado y si lo colocamos el molde al ielo al reali"ar el *G*
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experimento no el medio ambiente no transmitirá calor a lodo el cuerpo de ielo por igual será mayor en los lugares descubiertos es decir en la parte superior.
#. =or ué )e recomienda ue 'a )u+erficie inferior de' ci'indro de' ie'o e)tG tota'mente +'ana a' momento de a+oar é)te )ore 'a +ieHa de +ruea +ara a''ar )u 9P R+ta. $orque si de%amos un pequeJo espacio en la parte inferior del cilindro de ielo se producirá un flu%o de aire el cual afectara la propagación de calor que se suscitará en el experimento y de esta manera afectará en la determinación del coeficiente de conductividad térmica.
2. Indiue ué caracter*)tica) en cuanto a )u conductividad térmica e)+e)or dee cum+'ir e' recurimiento im+ermea'e de 'a) +ieHa) de +ruea +ara aQadir e' menor error )i)temGtico +o)i'eP R+ta. ;omo se puede observar en la gu!a del experimento la propagación de calor cuando existen paredes sucesivas obedecen a la ley de resistencia térmica y por lo cual cuando se encuentran una pared de u material tras otro estas resistencias se suman por lo cual si influye en el cálculo del coeficiente de conductividad térmica, es decir, que la resistencia térmica y el espesor de estos materiales impermeables deben ser relativamente ba%os respecto al material de prueba.
3. Cree u)ted ue e' tiem+o en ue e' )i)tema ''e(a a )u ré(imen +ermanente o e)tado e)tacionario de+ende de 'a ca+a cidad ca'or*fica ma)a de' cuer+oP eM+'iue. R+ta. ;onsidero que son mucos los aspectos que influyen en llegar a un estado estacionario y existe mucas posibilidades de que este dependa de la capacidad calor!fica as! mismo de la masa del cuerpo, porque sabemos que un ielo pequeJo por e%emplo se derretirá mas rápido que una mas grande y de mayor masa.
4. Con)idera nece)ario e' em+'eo de a'(n in)trumento de medida de tem+eratura +ara verificar ue e' ie'o e)ta en +roce)o de derretimientoP R+ta. an necesario no, podr!a ser Ctil si, debido a que el derretimiento se lo puede notar a simple vista sin embargo qui"ás me%orar!a el rendimiento del experimento pero no significativamente.
6.!i en veH de ie'o a cero (rado) )e em+'ear*a ie'o a 4ºC Sué errore) )e e)tar*an cometiendoP. A)* como e' ie'o +uede e)tar a tem+eratura menor a cero (rado) +odr*a e' va+or de a(ua encontrar)e a tem+eratura) maore)P R+ta. Los principales errores que se presentar!an ser!a que el ielo tardar!a un intervalo de tiempo en llegar a su punto de fusión el *@*
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mismo que no se considerar!a y nuestro tiempo total ser!a mayor que el calculado, as! mismo, si se tuviera un vapor a +>= 9; esto significar!a que la presión ser!a mayor y esto si afectar!a a la determinación del coeficiente de conductividad térmica.
5. Com+are 'o) +romedio) de 9 otenido) en e' eM+erimento con referencia) otenida) de ta'a) de materia'e). Ca'cu'e e' error +orcentua'. R+ta. ;omparando el 6 de vidrio con el calculado teóricamente var!a significativamente, esto debido a los distintos errores sistemáticos que se presentaron en el experimento que se mostraran en la parte de conclusiones, además también se debe a que la mayor!a de las referencias obtenidas son reali"adas con suma precisión y a nivel del mar.
. CuG' )erG 'a tem+eratura en e' medio de 'o) eMtremo) ,LK# de 'a +ieHa de +ruea cuando e' (radiente de tem+eratura e)tGn en ré(imen +ermanenteP R+ta. ;onsidero que es aproximadamente el promedio de las temperaturas en este caso A<, grados cent!grados debido a que existe la propagación de temperaturas tanto de fusión como de ebullición, sin embargo es necesario mencionar ser!a muy dif!cil calcularlo.
7. A' derretir)e e' ie'o 'a forma (eométrica ori(ina' de' ci'indro )e torna en 'a de un cono truncado inf'ue e)to e' re)u'tadoP R+ta. &efinitivamente s!, debido a que al inicio será la base del cilindro la que tenga contacto con la pie"a, a medida que pase el tiempo el ielo se estará derritiendo y como lo acemos inclinar se derretirá y deformará como un corte transversal, es decir que al inicio el área de contacto será un circulo y con el tiempo esta área se convertirá en una elipse y definitivamente el área cambiará y esto afectarán a los resultados.
18. Inf'ue 'a variacin de 'a tem+eratura amiente durante e' de)arro''o de' eM+erimentoP R+ta. ;onsidero que si influye en virtud, a que la propagación de calor será mayor si es que aumenta la temperatura, como lo podemos observar en mucas ocasiones a mayor temperatura mas rápidamente el ielo se derrite y viceversa, afectar!a porque ser!a mayor la masa de derretimiento de ielo.
*H*
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5. CONCL;!IONE!" En el presente experimento se traba%ó de la siguiente manera:
;omo se pudo observar en los resultados los coeficientes de conductividad térmica determinados son muy ale%ados de las referencias teóricas esto debido a los siguientes errores sistemáticos: * Dariación de la temperatura ambiente. * Dariación del área de la base del ielo al inicio presentaba una forma circular y al final una forma el!ptica y con un gran agu%ero en el centro.(ver figura)
*
&ebido a que el ielo era muy resbaloso y lo ten!amos que colocar inclinada mente se lo tubo que agarras con la mano y esto implica propagación de calor del cuerpo umano. * El ielo no congelo en su totalidad de la masa y al inicio en el centro de este exist!a agua y al final se volvió un cilindro ueco y truncado. $or este tipo de errores sistemáticos no se pudo reali"ar con el material de madera, ni plástico, sólo se i"o el experimento con yeso y vidrio.
*+=*
