Dilatacion térmica y Calor
UNIVERID!D N!CI"N!L #ECN"L"$IC! #ECN"L"$IC! DEL C"N" UR CARRERA PROFESIONAL: INGENIERIA DE SISTEMAS
LABORATORIO DE FISICA II EXPERIMENTO Nº 5
DIL!#!CI"N #ER%IC! & C!L"R
PR"FE"R' LICENCI!D" PERC& V(C#"R C!)"#E F!*!RD" !PELLID" & N"%+RE'
C!,U!N! R"DR($UE- !NNIE *!NE %!R#INE- C!RDEN! LI%!I- %!C!,U!C,I %!RIELL! "R#I"R#I- EPIN"-! C!RL! -EV!LL" ,U!R,U! %!$!L&
Laboratorio de Física II
Página 1
Dilatacion térmica y Calor
2011
Laboratorio de Física II
Página .
Dilatacion térmica y Calor INTRODUCCIÓN En este trabajo de laboratorio mediremos la dilatación térmica del acero, latón y aluminio, haciendo uso del Calorímetro para determinar los calores específicos de estos materiales sólidos. Mediante el contacto externo con un objeto se perciben sensaciones de frío o de calor, siendo está muy caliente. Los conceptos de calor y frío son totalmente relatios y sólo se pueden establecer con la relación a un cuerpo de referencia como, por ejemplo, la mano del hombre. Lo !ue se percibe con más precisión es la temperatura del objeto o, más exactamente todaía, la diferencia entre la temperatura del mismo y la de la mano !ue la toca. "hora bien, aun!ue la sensación experimentada sea tanto más intensa cuanto más eleada sea la temperatura, se trata sólo una apreciación muy poco exacta !ue no puede considerarse como medida de temperatura. #ara efectuar esta $ltima se utili%an otras propiedades del calor, como la dilatación, cuyos efectos son susceptibles. Con muy pocas excepciones todos los cuerpos aumentan de olumen al calentarse y disminuyen cuando se enfrían. En caso de los sólidos, el olumen suele incrementarse en todas las direcciones
PARTE TEORICA La experiencia muestra !ue los sólidos se dilatan cuando se calientan y se contraen cuando se enfrían. La dilatación y la contracción ocurren en tres dimensiones& lar'o, ancho y alto. " la ariación en las dimensiones de un sólido causada por calentamiento (se dilata) o enfriamiento (se contrae) se denomina *ilatación térmica. La dilatación de los sólidos con el aumento de la temperatura ocurre por!ue aumenta la ener'ía térmica y esto hace !ue aumente las ibraciones de los átomos y moléculas !ue forman el cuerpo, haciendo !ue pase a posiciones de e!uilibrio más alejadas !ue las ori'inales. Este alejamiento mayor de los átomos y de las moléculas del sólido produce su dilatación en todas las direcciones.
Laboratorio de Física II
Página /
Dilatacion térmica y Calor DILATACIÓN LINEAL Es a!uella en la !ue predomina la ariación en una dimensión de un cuerpo, es decir& el lar'o. +e introduce α, coeficiente térmico de dilatación lineal. Ejemplo& dilatación en hilos, cabos y barras.
∆ L= L0 ∝ ∆ T L= L0 ( 1 + ∝ ∆ T )
DILATACIÓN SUPERFICIAL Es a!uella en la !ue predomina la ariación en dos dimensiones de un cuerpo, es decir& el lar'o y el ancho. *onde β es el coeficiente térmico de dilatación superficial. ∆ S =S 0 β ∆ T S = S 0( 1+ β ∆ T )
DILATACIÓN VOLUMÉTRICA Es a!uella en la predomina la ariación en tres dimensiones de un cuerpo, es decir& el lar'o, el ancho y el alto. *onde γ es el coeficiente térmico de dilatación olumétrica
∆ V = V 0 γ ∆ T V =V 0 (1 + γ ∆ T )
EL CALOR Ener'ía en transición entre dos cuerpos en contacto térmico debido a una diferencia de temperaturas.
CALOR ESPECÍFICO La experiencia pone de manifiesto !ue la cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o
Laboratorio de Física II
Página 0
Dilatacion térmica y Calor disminución) de temperatura !ue experimenta. La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica. - ce.m.(f / i)
*onde representa el calor cedido o absorbido, m la masa del cuerpo y f y i las temperaturas final e inicial respectiamente. será positio si la temperatura final es mayor !ue la inicial (f 0 i) y ne'atio en el caso contrario (f 1 i). La letra c representa la constante de proporcionalidad correspondiente y su alor es característico del tipo de sustancia !ue constituye el cuerpo en cuestión. *icha constante se denomina calor específico. +u si'nificado puede deducirse de la ecuación. +i se despeja c, de ella resulta&
ce = Q/ m.(Tf - Ti El calor específico de una sustancia e!uiale, por tanto, a una cantidad de calor por unidad de masa y de temperatura2 o en otros términos, es el calor !ue debe suministrarse a la unidad de masa de una sustancia dada para elear su temperatura un 'rado.
CALOR ESPECÍFICO ! CAPACIDAD CALORÍFICA La ecuación calorimétrica puede escribirse también en la forma&
Q = C.(Tf - Ti Expresando así !ue en un cuerpo dado la cantidad de calor cedido o absorbido es directamente proporcional a la ariación de temperatura. La nuea constante de proporcionalidad C recibe el nombre de capacidad calorífica
C = Q/(T Tf - Ti 3 representa la cantidad de calor !ue cede o toma el cuerpo al ariar su temperatura en un 'rado. " diferencia del calor específico, la capacidad calorífica es una característica de cada cuerpo y se expresa en el +4 en 567. +u relación con el calor específico resulta&
C = m.ce *e acuerdo con esta relación, la capacidad calorífica de un cuerpo depende de su masa y de la naturale%a de la sustancia !ue lo compone.
CALORIMETRÍA *e acuerdo con el principio de conseración de la ener'ía, suponiendo !ue no existen pérdidas, cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas se ponen en contacto, el calor tomado por uno de ellos ha de ser i'ual en cantidad
Laboratorio de Física II
Página
Dilatacion térmica y Calor al calor cedido por el otro. #ara todo proceso de transferencia calorífica !ue se realice entre dos cuerpos puede escribirse entonces la ecuación&
Q" = - Q# En donde el si'no / indica !ue en un cuerpo el calor se cede, mientras !ue en el otro se toma. 8ecurriendo a la ecuación calorimétrica, la i'ualdad anterior puede escribirse en la forma&
m".ce".(Te - T" = - m#.ce#.(Te- T# *onde el subíndice 9 hace referencia al cuerpo frío y el subíndice : al caliente. La temperatura T e en el e!uilibrio será superior a T 1 e inferior a T 2. La anterior ecuación indica !ue si se conocen los alores del calor específico, midiendo temperaturas y masas, es posible determinar cantidades de calor. El aparato !ue se utili%a para ello se denomina calorímetro.
CALOR LATENTE +i un cuerpo está a la temperatura a la !ue ocurre un cambio de estado, todo el calor !ue reciba o !ue pierda el cuerpo se ocupa en el cambio de estado, y nada se ocupa en cambiar la temperatura del cuerpo. La ecuación !ue li'a la absorción o pérdida de calor y los cambios de estado sólido, lí!uido y 'aseoso es muy sencilla. L=
Q m
*onde m es la masa !ue cambia de estado y L, llamado calor latente, es una constante para cada material y cambio de fase
CAM$IOS DE FASE Paso de 2n material de 2n estado a otro3
MATERIALES%
calorimetro
Laboratorio de Física II
Página 4
Dilatacion térmica y Calor
ermómetro di'ital ;alan%a
ubo de silicona
Laboratorio de Física II
Página 5
Dilatacion térmica y Calor
apón de 'oma
+arra metálica de al2minio
Vaso de 6reci6itado
Laboratorio de Física II
Página 7
Dilatacion térmica y Calor
PROCEDIMIENTO
DILATACIÓN TÉRMICA 9. 4nstale el dilatómetro, el termómetro y el matra% de acuerdo a la fi'ura 9. T 0
ome lectura de la temperatura ambiente
y la lon'itud de las arillas. T
:. Caliente el a'ua, hasta ebullición y tome la lectura de la temperatura
y
∆ L
el cambio de lon'itud de cada uno de los materiales, cuando las a'ujas del dilatómetro mar!ue un alor fijo.
CALOR ESPECÍFICO DE SÓLIDOS =. #ara determinar el e!uialente en 'ramos de a'ua del calorímetro& ierta >'r de a'ua de ca?o en el calorímetro, a'ite y lue'o de unos minutos T 0
mida la temperatura
Caliente >@ 'r de a'ua entre >@ y A@BC, mida la
T
temperatura e!uilibrio.
y a're'ue al calorímetro, a'ite y mida la temperatura de
Laboratorio de Física II
Página 8
Dilatacion térmica y Calor
. #esar el calorímetro limpio y seco y ierta 9>@'r de a'ua de ca?o. #or otro lado ha'a herir a'ua hasta su punto de ebullición, sumerja cuidadosamente el sólido al a'ua en ebullición, lue'o introdu%ca el sólido dentro del calorímetro, remuea el calorímetro hasta !ue lle'ue al e!uilibrio térmico y mida la temperatura de e!uilibrio.
CALOR LATENTE DE VAPORI&ACIÓN DEL A'UA >. #esar el calorímetro limpio y seco y ierta 9@@'r de a'ua de ca?o. #or otro lado ha'a herir a'ua hasta la apori%ación constante, lue'o sumerja el tubo de desprendimiento en el calorímetro e inyecte cierta cantidad de apor de a'ua hasta !ue se note el cambio de temperatura. 4nterrumpa el proceso y a'ite rápidamente, medir la temperatura de e!uilibrio y pesar nueamente el calorímetro, teniendo en cuenta !ue debe estar seco y limpio por fuera.
Laboratorio de Física II
Página 19
Dilatacion térmica y Calor
ANLISIS ! DISCUSIÓN DE RESULTADOS
".- C)* +), ), e+ 0,), " 1 # e+ 02)ceimie*) c)m0+ee + ,i34ie*e 5+ %
T5+ "
A+4mi*i ) Vi2i) L*
T₀ (⁰C #9:;
L₀ (cm ;9
T (⁰C <:>
D (cm ;
6L (mm ":>
#9:?
?<
@>:?
"
9:#
#9:
;9
B
"
7 (⁰C⁻8 9:9999# > 9:99999 @ 9:9999" <
#ara determinar DL considere la si'uiente aproximación ∆ L=
2∗ R∗ D 20
mm
+iendo 8 - : mm el radio del eje rotatio.
$4,4e e* + 5i5+i)32f e+ +)2 e2ic) e +), c)eficie*e, e i+ci* +i*e+ e+ +4mi*i): i2i) 1 +*. Dee2mi*e e+ e22)2 0)2ce*4+ e +), c)eficie*e, e i+ci* +i*e+ e0e2ime*+ 2e,0ec) ,4, +)2e, e2ic),. Lo'rando ealuar los resultados tomados obtenemos los si'uientes errores porcentuales&
Laboratorio de Física II
Página 11
Dilatacion térmica y Calor DL (mm)
":> 9:# "
DL teórico (mm) 9,:= @,9AF>AG 9,@@G9
"luminio& F.F=GH
Laboratorio de Física II
Error 9@F,F=G= 99,FAG: FF,9F:>:
Iidrio& 9.FAH
Página 1.
Latón& /.G@H
Dilatacion térmica y Calor
R
D
R : 1837 cm
Laboratorio de Física II
Página 1/
Dilatacion térmica y Calor De c4e2) + fi342 4e m4e,2 e+ c)22imie*) 4e ,4f2e e+ eGe 2)i) e4Hc + ec4ci* e 02)imci* 02 6L.
#. C)* +), ), e+ 0,) @ e+ 02)ceimie*) c)m0+ee + ,i34ie*e 5+% T5+ # M, (3 T9()C T()C A34 e C)
>
:@,=
::,G
A34 c+ie*e
>@
>9.
,=
Dee2mi*e e+ e4i+e*e e* 32m), e 34 e+ c+)2me2) 4e e, i34+ + 02)4c) e + m, e+ c+)2me2) 0)2 e+ c+)2 e,0ecfic) e+ c+)2me2): e*ie*) e* c4e* 4e% Q 3*) 0)2 e+ 34 J Q 3*) 0)2 e+ = Q 0e2i 0)2 e+ A34 f2
c+)2me2)
34 c+ie*e
"ntes hacemos lo si'uiente&
+e ponen M 'ramos de a'ua en el calorímetro, se a'ita, y después de un poco de tiempo, se mide su temperatura @. " continuación se ierten m 'ramos de a'ua a la temperatura . +e a'ita la me%cla y después de un poco de tiempo, se mide la temperatura de e!uilibrio e. Como el calorímetro es un sistema adiabáticamente asilado tendremos !ue
Laboratorio de Física II
Página 10
Dilatacion térmica y Calor (M+k)(T e-T 0 )+m(T e-T)=0
; *e lo anterior se puede con la primera forma o con la se'unda forma 'eneral. En este caso calcularemos con la primera&
Q 3*) 0)2 e+ 34 J Q 3*) 0)2 e+ = Q 0e2i 0)2 e+ A34 f2
c+)2me2)
34 c+ie*e
mc∆T + C ∆ T =−mc∆T
∗ ∗
5 1 2.5
+ C 2.5 =−(50∗1∗−7.1)
12.5 + 2.5 C =355
=342.5 dondeC =137
2.5 C
@. C)* +), ), e+ 0,) > c)m0+ee + ,i34ie*e 5+. abla =
A34 e c) S+i)
M, "993
T) #9:@
Tf ##.
T #:B
>B 3
#@:> KC
#@:< KC
9:B KC
Jtili%ando el e!uialente en 'ramos del calorímetro calculado en el paso : anterior, determine el calor especifico y la capacidad calorífica de la muestra del metal, considerando !ue&
Laboratorio de Física II
Página 1
Dilatacion térmica y Calor -(Q g!"# $#% &' g ) Q g!"# $#% &' * + Q $&%"," $#% &' Ag %. /'#%.&%# g /',&!&
mc∆T + C ∆ T =mc ∆ T 100∗1∗2.5 + 137∗2,5=Qm 592.5
=Qm
Qm=¿
8.3
Ce
Q =
C+)2 E,0ecfic) =
m KT
Q C0ci C+)2fic = ∆ T
592.5
:
16∗−0.5
= 50394
: :F.A:>
$4,4e e* + 5i5+i)32f e+ +)2 e2ic) e+ c+)2 e,0ecfic) e+ me+ 4i+iH) 1 ee2mi*e e+ e22)2 0)2ce*4+ e+ +)2 e0e2ime*+ e+ c+)2 e,0ecfic). C)me*e ,4, 2e,4+),.
Eteorico − Epractico E. 0)2ce*4+ = "99 Eteorico
E. 0)2ce*4+ -
0.202−2.966 0.202
9@@-/9=AG.=9H.
El ambiente en donde reali%amos el experimento fue un lu'ar serrado, todos a la e% reali%amos el mismo experimento lo !ue nos da a entender !ue la temperatura
Laboratorio de Física II
Página 14
Dilatacion térmica y Calor ambiente fue alta por nuestra temperatura corporal. #or tanto nuestro error porcentual es eleado.
>. C)* +), ), e+ 0,), B e+ 02)ceimie*) c)m0+ee + 5+ ,i34ie*e% T5+ > A34 e c) V0)2 e 34
M, (3 "99 ;
T9(9C #".< <<
T (9C B;.@ B;.@
Ui+iH*) e+ e4i+e*e e* 32m), e+ c+)2me2): ee2mi*e e+ c+)2 +e*e e 0)2iHci* e+ 34: c)*,ie2*) 4e%
Q 3*) 0)2 e+ 34 f2 J Q 3*) 0)2 e+ c+)2me2) = Q +e*e 0e2i) 0)2 e+ 0)2 e+ e 34 J Q 0e2i) 0)2 e+ 34 02)cee*e e+ 0)2 +i el calorímetro está perfectamente aislado, no pierde ni 'ana calor, se cumplirá !ue&
Q 1+Q 2= 0 9@@(>.=/:9.F) :9.>(@) - latente perdido por el apor el de a'ua (>.=/ FF) latente perdido por el apor el de a'ua - =G=9.F L - 6m - =G=9.F6 - >.
$4,4e e* + 5i5+i)32f e+ +)2 e2ic) e+ c+)2 +e*e e 0)2iHci* e+ 34 1 ee2mi*e e+ e22)2 0)2ce*4+ e+ +)2 e0e2ime*+ e+ c+)2 +e*e e 0)2iHci*. C)me*e ,4, 2e,4+),.
El calor latente de de apori%ación para el a'ua es L - >@ cal 6 ' (o Ncal 6 N') Error H - .6>@ - 9.=H
Laboratorio de Física II
Página 15
Dilatacion térmica y Calor Ouestro error porcentual sale relatiamente pe!ue?o debido a !ue consideramos !ue el calorímetro no 'ano ni perdió calor, es por esto !ue nuestro calor latente se aproxima con el alor teórico.
CONCLUSIONES odo cuerpo sometido al calor (cambio de temperatura) se dilatara, ariando su lon'itud, olumen y área. Esta ariación depende del tipo de coeficiente del material pudiendo ser este & lineal ,olumétrico o de dilatacion El calor es en realidad ener'ía cinética o en moimiento de moléculas !ue ibran !ue se transmite de un cuerpo a otro en sistema dado .
El cálculo exacto de las dilataciones de los materiales, nos permite preenir su comportamiento en las construcciones de estructuras, para eitar derrumbes o fallas estructurales.
O$SERVACIONES
odo el material usado para este informe estuo completo, fue bien trabajado y se mantuo en buen estado, es por eso !ue se descartan sus fallas.
"l momento de ponernos a herir el a'ua se tuo mucho cuidado con la cantidad a herir, ya !ue de ese modo eitamos al'unas fallas a la hora de ealuar nuestros resultados.
Este experimento se desarrollo con mucha seriedad, ya !ue cual!uier descuido nos hubiera ocurrido al'una des'racia al momento de herir el a'ua.
#ara el experimento se debió de complementar los materiales, ya !ue al momento de sacar el recipiente donde el a'ua se puso a herir se necesitaba de un trapo para co'erlo pero no hubo, es por eso !ue tuimos muchísimo cuidado con parte del experimento.
El tiempo distribuido para el desarrollo de este experimento fue muy corto, es por eso !ue an a existir ciertos errores de medición, ya !ue se tuo !ue trabajar de manera rápida, pero eso no !uiere decir !ue este experimento no sea eficiente.
SU'ERENCIAS
La presicion del 'raod de temperatura mediante un censor es primordial. #ara el desarrollo de este experimento se debe de contar con los conocimientos básicos al tema para !ue de este modo sea más fácil el
Laboratorio de Física II
Página 17
Dilatacion térmica y Calor manejo de este experimento.
#ara cual!uier tipo de medición, se desarrollara cada actiidad con cierto cuidado, para !ue de manera no pueda alterarse nuestros datos con al'unas fallas de medición.
+e su'iere trabajar en el laboratorio con seriedad y mucha responsabilidad..
El ambiente del laboratorio debe ser mPs extenso para una mejor predisposición .
CUESTIONARIO%
". D 4* 02)04e, e e0e2ime*) 02 ee2mi*2 e+ c+)2 +e*e e f4,i* e+ 34. #esar el calorímetro limpio y seco, ierta 9@ 'r de a'ua a G@BC , a?adimos 9:G 'r de hielo a @B C. La me%cla de a'ua y hielo se a'ita
Laboratorio de Física II
Página 18
Dilatacion térmica y Calor suae y constantemente hasta !ue se funda completamente todo el hielo, medir la temperatura final de e!uilibrio.
El estado final es una masa (mh+ma) de a'ua a la temperatura final T e0@. "hora hemos !ue tener en cuenta !ue la masa mh de hielo se conierte en a'ua y a continuación, elea su temperatura de @BC a T e. #or otra parte, el calorímetro (su masa e!uialente en a'ua k ) elea su temperatura de @B C a T e.
El calor absorbido por el hielo es Q1=mh·Lf + mh·c·(T e-@) Calor absorbido por el calorímetro Q2 = k·c·(T e-@) El calor cedido por el a'ua es Q3=ma·c·(T e-T a) +i el calorímetro está perfectamente aislado, no pierde ni 'ana calor, se cumplirá !ue Q1+Q2+ Q3=@
E+ e4i+e*e e* 34 e+ c+)2me2) es >. 'r Qielo& mh-9:G ', "'ua, ma-9@ ', y T a-G@BC T e-F.> BC La masa e!uialente en a'ua del calorímetro k ->. '
Como& 95 -@.: cal
Lf =80 cal!
2.
Cuál es la relación entre calor, ener'ía térmica y temperaturaR
Laboratorio de Física II
Página .9
Dilatacion térmica y Calor #or un lado la temperatura será una ma'nitud !ue mide el 'rado de calor(moimiento de las partículas de un sistema )esto nos describe cuantitatiamente la calide% o frialdad del mismo.
El calor es ener'ía !ue se intercambia entre dos sistemas debido a !ue tienen temperaturas diferentes . El tipo de ener'ía !ue se pone en jue'o en sistemas caloríficos se denomina ener'ía térmica
*iremos !ue en sistemas caloríficos se produce un intercambio de ener'ía térmica en forma de calor por diferencias de temperaturas , la relación yace en esta dependencia .
$I$LIO'RAFIA P3i*, e5% • •
>>3a/bs3com=e?6eriments=es=UE19949@36dA 3 >>.32dec3cl=Bdg2ero=c2rso=ca6acidadAases=ca6acidadA
ases3>>3sicanet3com3ar=sica=termoestatica=a69@dilatacion 36<6 Li52),% • • • •
Sísica, ipler, #aul "., edit. 8eerté, ;arcelona (9FG). Manual de laboratorio de física JO4, :@@@. Sísica 8e / creatia, +.
Laboratorio de Física II
Página .1
Dilatacion térmica y Calor
Laboratorio de Física II
Página ..
